阅读说明：本技术 单片集成的双工器 (Monolithic integrated duplexer ) 是由 孙成亮 徐沁文 蔡耀 邹杨 刘炎 谢英 周杰 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本公开涉及一种单片集成的双工器,该双工器包括在一片晶圆上制造的接收端带通滤波器和发射端带通滤波器,所述接收端带通滤波器和所述发射端带通滤波器包括一个或多个兰姆波谐振器和一个或多个FBAR。兰姆波谐振器的压电层底部的电极以及封闭式空腔结构,提高了整个结构的机械稳定性和机电耦合系数。此外,兰姆波谐振器的压电层部分刻蚀沟槽,提高了兰姆波谐振器的机电耦合系数,增大了双工器的接收端和发射端滤波器的带宽,相同的频段内可以减少双工器的数量,使得移动通讯设备可以更加小型化。此外,通过兰姆波谐振器和FBAR上的负载层,以及对二者压电层厚度的修整,使得二者更容易进行谐振频率匹配,从而更为方便地搭建双工器。(The present disclosure relates to a monolithically integrated duplexer including a receiving-side bandpass filter and a transmitting-side bandpass filter fabricated on a wafer, the receiving-side bandpass filter and the transmitting-side bandpass filter including one or more lamb wave resonators and one or more FBARs. The electrode at the bottom of the piezoelectric layer of the lamb wave resonator and the closed cavity structure improve the mechanical stability and the electromechanical coupling coefficient of the whole structure. In addition, the piezoelectric layer of the lamb wave resonator is partially etched with grooves, so that the electromechanical coupling coefficient of the lamb wave resonator is improved, the bandwidths of the receiving end filter and the transmitting end filter of the duplexer are increased, the number of the duplexers can be reduced in the same frequency band, and the mobile communication equipment can be more miniaturized. In addition, through the load layers on the lamb wave resonator and the FBAR and the trimming of the thicknesses of the piezoelectric layers of the lamb wave resonator and the FBAR, the lamb wave resonator and the FBAR are easier to perform resonant frequency matching, and therefore the duplexer is more conveniently built.)

单片集成的双工器

技术领域

本公开属于移动通信装置中的射频滤波器领域，涉及一种以体声波谐振器和兰姆波谐振器混合滤波器为基础的单片集成的双工器。

背景技术

在移动通讯设备中，滤波器是其能够进行通讯交流最为核心的部件。伴随着5G时代的到来，移动通讯系统朝着更高频率、更宽频段的目标不断发展，智能通讯设备以小型化、轻薄化为发展趋势。然而，由于数据通讯和传输的频段越来越高，移动通讯设备要求覆盖的频率范围越来越大，这意味着需要更多的滤波器来实现数据的选择和传输以实现全频段的通讯要求，使移动通讯设备小型化受到了阻碍。因此，越来越多的双工器被运用到移动通讯设备中，实现宽频段通讯功能同时保持移动通讯设备的轻薄化、小型化。

双工器的作用是在频分通讯系统中，通过一个天线共享信号的发射和接收，通过内部的发射端滤波器(Tx)和接收端滤波器(Rx)进行信号的过滤选择等处理。传统的双工器以体声波薄膜谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,以下简称FBAR)、声表面波(Surface Acoustic Wave,以下简称SAW)谐振器为基础，分别构造了用FBAR滤波器搭建的双工器和用SAW滤波器搭建的双工器。然而，随着通讯频率的不断提高，SAW滤波器由于本身结构和声表面波性质的限制，中心频率只能到达2GHz左右，满足不了5G的通讯频率要求。FBAR滤波器中心频率能够到达5G频段，但是由于FBAR滤波器调频需要在电极表面沉积一层负载层，传统的FBAR构建双工器时，无法在一片晶圆上沉积不同厚度的负载层，需要在两片晶圆上分别制造接收端滤波器和发射端滤波器，增加了工艺成本。而兰姆波(Lamb wave)谐振器是通过叉指电极间的间距来调整谐振频率，在一片晶圆上可以实现多个具有不同中心频率的滤波器。利用兰姆波谐振器易于调谐的特性，在一片晶圆上通过用兰姆波谐振器和FBAR构成中心频率不同的滤波器的形式，即可实现单片集成的双工器的制造。

近年来，已经有在同一片晶圆上同时制作发射端和接收端的专利，恩田阳介等人在申请号CN201310066933.6的专利中利用兰姆波滤波器和FBAR滤波器实现在一片晶圆上构造双工器。但是由于其兰姆波谐振器只有上表面有电极无下表面电极，Jie Zou和C.SLam等人在论文Eletrode Design of AlN Lamb Wave Resonators中比较了有底电极兰姆波谐振器和无底电极兰姆波谐振器的性能，发现无底电极的兰姆波谐振器的有效机电耦合系数不够高，这就导致利用无底电极的兰姆波谐振器构成的滤波器带宽较窄甚至无法搭建滤波器。此外，恩田阳介等人的专利中各谐振器压电层厚度相同且无质量负载层，不便于调整谐振频率。因此，需要一种结合改良的兰姆波谐振器和改良的FBAR的结构以实现在一片晶圆上制造双工器、减少工艺成本的目的。

发明内容

本公开的目的是提供一种以改良型的兰姆波谐振器和FBAR为基础的滤波器搭建的双工器。该双工器可以在一片晶圆上制造，极大地降低了工艺成本。通过在兰姆波谐振器的压电层底部加入电极以及采用封闭式空腔结构，提高了整个结构的机械稳定性和机电耦合系数。此外，还在兰姆波谐振器的压电层部分刻蚀沟槽，进一步地提高了兰姆波谐振器的机电耦合系数，增大了双工器的接收端滤波器及发射端滤波器的带宽，相同的频段内可以减少双工器的数量，使得移动通讯设备可以更加小型化。在兰姆波谐振器的顶电极层上还增加了负载层，使得兰姆波谐振器的谐振频率可以进行调整，FBAR通过修整的方法具有不同的压电层厚度实现不同的谐振频率，FBAR和兰姆波谐振器更容易进行谐振频率匹配，从而更为方便地搭建双工器。

根据本公开实施例的一方面，一种单片集成的双工器，包括位于同一衬底上的接收端带通滤波器和发射端带通滤波器，所述接收端带通滤波器和所述发射端带通滤波器包括一个或多个兰姆波谐振器和一个或多个体声波薄膜谐振器；所述体声波薄膜谐振器包括设置在所述衬底上的第一空腔，以及从下至上依次设置在所述第一空腔上方的第一底电极、第一压电层和第一顶电极，所述第一空腔通过贯穿所述第一底电极、所述第一压电层和所述第一顶电极的第一释放孔与外部连通；所述兰姆波谐振器包括设置在所述衬底上的第二空腔，以及从下至上依次设置在所述第二空腔上方的第二底电极、第二压电层和第二顶电极，所述第二空腔通过贯穿所述第二底电极、所述第二压电层和所述第二顶电极的第二释放孔与外部连通。

在上述的单片集成的双工器，部分所述体声波薄膜谐振器的所述第一顶电极和/或部分所述兰姆波谐振器的第二顶电极上具有质量负载层。

在上述的单片集成的双工器，所述兰姆波谐振器的所述第二压电层上具有多条沟槽。

在上述的单片集成的双工器，所述沟槽的截面形状为圆弧形、或矩形、或梯形。

在上述的单片集成的双工器，不同的所述体声波薄膜谐振器的所述第一压电层的厚度不相同。

在上述的单片集成的双工器，所述第一底电极、所述第二底电极、所述第一顶电极和所述第二顶电极为平板电极或叉指电极。

本公开利用改进后有底电极且压电层刻蚀出沟槽的具有较高机电耦合系数的兰姆波谐振器和FBAR共同搭建滤波器，实现了在一片晶圆上构造双工器。兰姆波谐振器也具有负载层，在不改变叉指电极间距的情况下，能够调节谐振频率，更容易与FBAR的谐振频率进行匹配。相较于现有的单纯地用FBAR构造的双工器，不需要两片晶圆，工艺成本极大地降低。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本公开作进一步详细说明。

图1示出了根据本公开的一个实施例的双工器的框图。

图2示出了根据本公开的一个实施例的双工器的截面图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的双工器发射端(接收端)带通滤波器的拓扑结构。

图4示出了根据本公开的一个实施例的双工器发射端(接收端)带通滤波器的俯视图。

图5示出了图4所示的带通滤波器沿A-A’方向的截面图。

图6示出了根据本公开的另一个实施例的双工器发射端(接收端)带通滤波器的截面图。

图7示出了根据本公开的一个实施例的兰姆波谐振器截面图。

附图标记说明：

11-天线 13-双工器

12-移相器 14-发射端带通滤波器

15-接收端带通滤波器 108-第一释放孔

21-串联谐振器 202-第二空腔

22-并联谐振器 204-第二底电极

101，201-衬底 205-第二压电层

102-第一空腔 206-第二顶电极

104-第一底电极 207-第二负载层

105-第一压电层 208-第二释放孔

106-第一顶电极 209-沟槽

107-第一负载层

具体实施方式

图1示出了根据本公开的一个实施例的双工器13的框图。图2示出了根据本公开的一个实施例的双工器13的截面图。如图1和2，双工器13包括天线11、移相器12以及位于同一衬底上的接收端带通滤波器14和发射端带通滤波器15。接收端带通滤波器14和发射端带通滤波器15均包括一个或多个兰姆波谐振器和一个或多个体声波薄膜谐振器(FBAR)。如图3，在一种可能的实施方式中，多个兰姆波谐振器串联在一起构成串联谐振器21，多个FBAR并联在一起构成并联谐振器22。作为替代，也可以是多个FBAR串联在一起，多个兰姆波谐振器并联在一起。

图4示出了根据本公开的一个实施例的双工器发射端(接收端)带通滤波器的俯视图。图5示出了图4所示的带通滤波器沿A-A’方向的截面图。如图4和5，FBAR包括设置在衬底101上的第一空腔102，以及从下至上依次设置在第一空腔102上方的第一底电极104、第一压电层105和第一顶电极106，第一空腔102通过贯穿第一底电极104、第一压电层105和第一顶电极106的第一释放孔108与外部连通。第一底电极104、第一顶电极106可为平板电极或者叉指电极。

兰姆波谐振器包括设置在衬底201上的第二空腔202，以及从下至上依次设置在第二空腔202上方的第二底电极204、第二压电层205和第二顶电极206，第二空腔202通过贯穿第二底电极204、第二压电层205和第二顶电极206的第二释放孔208与外部连通。第二底电极204、第二顶电极206为平板电极或者叉指电极。衬底101和衬底201为同一片晶圆。

此外，可在部分FBAR的第一顶电极106上设置第一负载层107，也可在部分兰姆波谐振器的第二顶电极206上设置第二负载层207。第一负载层107和第二负载层207的作用是为了分别调整FBAR和兰姆波谐振器的谐振频率，使得谐振频率更容易匹配，进而使得串联谐振器21的谐振频率要比并联谐振器22的谐振频率要高。

如图6，兰姆波谐振器上可不设置质量负载层。继续参考图2和6，可通过修整的方法使兰姆波谐振器的第二压电层205的厚度比FBAR的第一压电层105厚度小，使得在构建滤波器时易于调节谐振频率，实现搭建滤波器要求的频率匹配。此外，若发射端(接收端)带通滤波器具有多个FBAR，则不同的FBAR的第一压电层105的厚度可不相同，从而能够在单一晶圆上构建具有不同中心频率的滤波器。

参见图2、5～7，兰姆波谐振器压电层205上刻有沟槽209，能够极大地提升兰姆波谐振器的机电耦合系数，从而增大滤波器的通带带宽。沟槽209截面形状为圆弧形、矩形、梯形等。

本公开的双工器的制造方法如下：

步骤1，在同一片晶圆上刻蚀出第一空腔102和第二空腔202，晶圆材料可为Si。

步骤2，在晶圆刻有空腔的一侧沉积牺牲层，填满第一空腔102和第二空腔202，牺牲层材料可为SiO₂。

步骤3，打磨除去位于晶圆上空腔102，202以外区域的牺牲层。

步骤4，在第一空腔102被填满的一侧沉积第一底电极104，在第二空腔202被填满的一侧沉积第二底电极204，底电极104，204材料可为Mo。

步骤5，在第一底电极104上沉积第一压电层105，第二底电极204上沉积第二压电层205，压电层105，205材料可为AlN薄膜。

步骤6，在第一压电层105上沉积第一顶电极106，在第二压电层205上沉积第二顶电极206，顶电极106，206材料可为Mo。

步骤7，可在第一顶电极106上沉积第一负载层107，第二顶电极206上沉积第二负载层207，负载层107，207材料可为Al₂O₃。

步骤8，可对第二负载层207和第二顶电极206一起进行刻蚀，使得第二压电层205上形成沟槽209，进而使得第二顶电极206和第二负载层207为叉指形状。

步骤8，在第一顶电极106和第二顶电极206上分别刻蚀释放孔108，208。

步骤9，通过释放孔108，208将空腔102，202内的牺牲层腐蚀，形成带通滤波器。

按照上述工艺，构建两个带通滤波器，并将二者相连接，分别作为发射端滤波器和接收端滤波器，形成双工器。

在上述工艺中，若带通滤波器具有多个FBAR，则可在步骤5中，通过修整的方法，使不同的FBAR的压电层的厚度不相同。