一种高频大宽带低插损高性能声表面波谐振器及制造方法
阅读说明：本技术 一种高频大宽带低插损高性能声表面波谐振器及制造方法 (High-frequency large-broadband low-insertion-loss high-performance surface acoustic wave resonator and manufacturing method thereof ) 是由 李红浪 许欣 柯亚兵 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高频大宽带低插损高性能声表面波谐振器及制造方法。本发明的声表面波谐振器包括：高声速材料衬底层和形成于其上的单晶LGS低声速材料层共同组成的布拉格反射层,单晶42°YX LiNbO-3高声速材料压电层,以及设在高声速材料压电层上且全部埋入其中的电极,其中所单晶LGS低声速材料层欧拉角为(0°,90°,90°),厚度为0.1λ；高声速材料压电层的厚度为0.5λ；电极厚度180nm、宽度0.25λ、间距0.25λ、占空比0.5、沿孔径长度10λ。其中,λ是电极激发的声波波长。本发明的声表面波谐振器具有高频大带宽低插损无杂散且TCF值低的特征。(The invention relates to a high-frequency large-broadband low-insertion-loss high-performance surface acoustic wave resonator and a manufacturing method thereof. The surface acoustic wave resonator of the present invention includes: a Bragg reflector layer consisting of a substrate layer of high acoustic velocity material and a layer of single-crystal LGS low acoustic velocity material formed thereon, the single crystal 42 ° YX LiNbO 3 The high-sound-velocity material piezoelectric layer and the electrodes are arranged on the high-sound-velocity material piezoelectric layer and are completely embedded into the high-sound-velocity material piezoelectric layer, wherein the Euler angle of the single-crystal LGS low-sound-velocity material layer is (0 degrees, 90 degrees and 90 degrees), and the thickness of the single-crystal LGS low-sound-velocity material layer is 0.1 lambda; the thickness of the piezoelectric layer made of the high-acoustic-speed material is 0.5 lambda; the electrode thickness is 180nm, width 0.25 lambda, spacing 0.25 lambda, duty cycle 0.5, and length along the aperture 10 lambda. Where λ is the wavelength of the acoustic wave excited by the electrodes.The surface acoustic wave resonator has the characteristics of high frequency, large bandwidth, low insertion loss, no stray and low TCF value.)
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及手机射频前端中的一种高频大宽带低插损高性能声表面波谐振器及制造方法。
背景技术
移动设备的射频前端是指射频收发器和天线之间的功能区域，它由功率放大器、天线开关、滤波器、双工器和低噪声放大器等器件组成。5G时代，对于数据传输速度的要求越来越高。为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，对于移动设备的射频前端的各种性能提出了更高要求。
为了实现高带宽，载波聚合技术的路数必须上升，也意味着手机需要支持的频带数目不断上升，由于每一个频带有需要有自己的滤波器，射频前端模块中滤波器的数量也越来越多，滤波器的设计越来愈有挑战性。
声表面波(SAW)、体声波(BAW)、以及薄膜体声波(FBAR)是当前可移动设备滤波器领域的三大主流技术。其中，低频和中频段又以SAW滤波器为主。其技术从Normal-SAW、TC-SAW，更进一步演进到IHP-SAW，以及未来的XBAR技术。
IHP-SAW滤波器以其优异的温度补偿性能，以及较低的插入损耗，可比拟甚至超越部分BAW、FBAR滤波器，成为现阶段SAW滤波器产业的一个主要的发展趋势。
IHP-SAW技术采用类似于SAW器件+SMR-BAW器件的多层反射栅结构的混合技术，采用高声阻抗和低声阻抗交替堆叠的方式实现。其低声阻抗材料多采用TCF(TemperatureCoefficient of Frequency)为正温度系数的材料，如二氧化硅；高声阻抗层常用低温度系数的材料，如SiN、W等。这种混合结构技术，即赋予其SAW器件单面加工工艺的简单化，又赋予其SMR-BAW器件的低能量泄露的特性。
IHP-SAW滤波器的三大优点是：
1、高Q值；
2、低频率温度系数(TCF)；
3、良好的散热性。
滤波器采用SMR-BAW的多层反射栅结构可使更多的声表面波能量聚焦在衬底表面，从而降低声波在传播过程中的损耗，提高器件的Q值。高Q(Qmax～3000，传统SAW Qmax～1000)特性使其具有高的带外抑制、陡峭的通带边缘滚降、以及高的隔离度。IHP-SAW的TCF可以达到≤-20ppm/℃，进一步优化设计可以达到0ppm/℃，铌酸锂作为压电层的TC-SAW的TCF为-20至-25ppm/℃。
然而，另一方面，现有IHP-SAW滤波器具有如下这样的问题：
一、工作频率为3.5GHz左右，远达不到5G通信高频要求(一般需要大于5G)；
二、其kt 2≤14％，不满足5G通信大宽带的要求。
因此，现在亟须一种高频大宽带低插损高性能声表面波谐振器。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
本发明高频高性能声表面波谐振器采用碳化硅单晶基片作为衬底，其具有高声速，而相比于金刚石自支撑基片和类金刚石薄膜而言具有晶体质量高、一致性好等优点；采用单晶LiNbO3作为压电材料；低声阻抗层采用LGS材料(硅酸镓镧)，LGS晶体的机电耦合系数为17％，约为石英(SiO2)的2～3倍，却同时拥有与石英相同的温度稳定性。LGS材料欧拉角为(0°,90°,90°)，此时TCF最大，温度补偿作用最大。
本发明的声表面波谐振器，包括：至少一层布拉格反射层、高声速材料压电层、和电极。
布拉格反射层由高声速材料衬底层和形成在高声速材料衬底层之上的LGS低声速材料层共同组成的。其中，衬底层所采用的高声速材料选自Si、SiN、SiON、3C-SiC、金刚石、W、4H-SiC或6H-SiC中的至少一种，高声速材料衬底层厚度为5λ；LGS低声速材料层的材料为单晶LGS，欧拉角为(0°,90°,90°)，LGS低声速材料层厚度为0.1λ；布拉格反射层的层数可以为1－10。LGS低声速材料层通过采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE之一的方式镀在高声速材料衬底层上。
高声速材料压电层的材料为单晶42°YX LiNbO3，形成在最上层的LGS低声速材料层之上，厚度为0.5λ。
电极为IDT电极，由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd和Ni之一、或其合金、或其层叠体构成。电极设在高声速材料压电层上，并且全部埋入高声速材料压电层中。电极宽度和电极之间的间距均为0.25λ，厚度为180nm，沿孔径长度为10λ，电极指对数为1000对，电极的占空比为0.5。
其中，λ是电极激发的声波波长。
本发明的用于制造声表面波谐振器的方法，包括：提供厚度5λ的高声速材料衬底层；在高声速材料衬底层上采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE之一的方式镀LGS低声速材料层，LGS低声速材料层的欧拉角为(0°,90°,90°)，厚度为0.1λ；在LGS低声速材料层之上形成单晶42°YX LiNbO3高声速材料压电层，单晶42°YX LiNbO3高声速材料压电层的厚度为0.5λ；以及在单晶42°YX LiNbO3高声速材料压电层上的形成由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd和Ni之一、或其合金、或其层叠体构成的IDT电极，电极宽度和电极之间的间距均为0.25λ，电极占空比为0.5，厚度为180nm，沿孔径长度为10λ，电极指对数为1000对，其中，λ是电极激发的声波波长。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的系统、方法可能实现的体系架构、功能和操作。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。
图1是根据本发明的谐振器的示意图；
图2是根据本发明的谐振器的一层布拉格反射层的示意图；
图3是根据本发明的n层布拉格反射层的IHP谐振器结构示意图；
图4是根据本发明的谐振器的结构参数示意图；
图5是LGS的常温下TCF值随欧拉角变化示意图；
图6是LGS的常温下Kt 2随欧拉角变化示意图；
图7是根据本发明的具有1层布拉格反射层的谐振器的导纳图；
图8是根据本发明的具有2层布拉格反射层的谐振器的导纳图；
图9是根据本发明的具有3层布拉格反射层的谐振器的导纳图；
图10是根据本发明的谐振器的制造方法工艺流程图。
具体实施方式
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
图1是根据本发明的谐振器的示意图，图4是其结构参数示意图。以下结合图1和图4进行描述。
从图中可见，该谐振器包括衬底层101、低声速层102、压电层103和电极104。
本发明谐振器的衬底层101使用的材料为高声速材料，具有高声阻抗，可以为Si、SiN、SiON、3C-SiC、金刚石、W、4H-SiC或6H-SiC，厚度为5λ(λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm)。
压电层103的材料为单晶42°YX LiNbO3，压电层厚度为0.5λ。
压电层上设有电极104，电极宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ，电极厚度为180nm，电极沿孔径长度len＝10λ，电极指对数为1000对。电极的占空比为0.5。电极优选如图所示的完全埋入压电层。电极为叉指换能器(IDT)电极，由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，机电耦合系数k2＝(π2/8)(fp2-fs2)/fs2，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。
在压电层103和高声速衬底层101之间插入一层LGS低声速层102。LGS为低声阻抗材料(单晶LGS)，声速为2350-2850m/s，具有弱压电特性。LGS根据不同切向具有不同TCF，本发明谐振器的LGS低声速材料层的欧拉角优选为(0°,90°,90°)。具有正频率温度系数的LGS与具有负频率温度系数的单晶42°YX LiNbO3叠加，可以降低器件的TCF值。
LGS层的厚度为0.1λ，可以采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE等方式在高声速材料的衬底层上镀一层LGS层来形成。
图2是图1和4的谐振器中一层布拉格反射层210的示意图，其由高声速的衬底层101和低声速的LGS层102组成。布拉格反射层由两层声速不同(声阻抗也不同)的层构成，声波会在声阻抗不同层之间的界面产生反射，反射层将泄漏到衬底的声波反射，从而防止声波从衬底方向泄露，这样极大提高器件的Q值。
图3是根据本发明的布拉格反射层为n层的谐振器结构示意图。n优选可以为2－10层，由高声速材料的衬底层和低声速层(LGS层)交替叠加，本领域技术人员可以根据设计需要选择相应层数。
图5是LGS的常温(T＝25℃)下TCF值随Y切方向欧拉角(0°,90°,Φ)变化示意图。
从图可知，LGS的TCF值随着晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的TCF值在38ppm/℃至-8ppm/℃之间变化，当Φ＝80-100时，TCF＝38ppm/℃，为正频率温度系数最大值；当Φ＝0或180时，TCF＝-8ppm/℃，TCF值不会随着Φ值线性变化。本发明选用欧拉角(0°,90°,90°)，此时TCF最大，温度补偿作用最大。
图6是LGS的常温(T＝25℃)下Kt 2随Y切方向欧拉角(0°,90°,Φ)变化示意图。
从图可知，LGS的Kt 2随晶体切向不同而不一样，随着Φ增大，LGS的Kt 2值在0.02％至0.035％之间变化，当Φ＝90时，kt 2＝0.02％，为kt 2最小值，此时LGS压电性最小；当Φ＝180时，kt 2＝0.35％，为kt 2最小值，此时LGS压电性最大。本发明选用欧拉角(0°,90°,90°)，此时LGS压电性最小，引入的杂散也最小。
图7是根据本发明的具有1层布拉格反射层的谐振器的导纳图。
从图可知，声速V＝4961m/s,fs＝4.659GHz,fp＝5.263GHz,f0＝4.961GHz，k2＝34.03％，相对带宽为12.96％，Q＝1938.8,具有高Q值，且无杂散。FOM＝k2*Q,FOM为谐振器综合指标，一般normal saw和tc-saw的FOM值小于100，IHP saw和Fbar的FOM值均小于200，FOM值大于200的谐振器是非常少见的，本例FOM＝695.8。
图8是根据本发明的具有2层布拉格反射层的谐振器的导纳图。
从图可知，声速V＝4959m/s,fs＝4.662GHz,fp＝5.256GHz,f0＝4.959GHz，k2＝33.41％，相对带宽为12.74％，Q＝1651.6，具有高Q值，且无杂散，FOM＝551.8。
图9是根据本发明的具有3层布拉格反射层的谐振器的导纳图。
从图可知，声速V＝4875m/s,fs＝4.601GHz,fp＝5.149GHz,f0＝4.875GHz，k2＝31.11％，相对带宽为11.91％，Q＝2093，具有高Q值，且无杂散，FOM＝651.1。
图10是根据本发明的谐振器的制造方法工艺流程图。
在步骤1001，提供高声速材料衬底层。
具有高声阻抗的高声速材料，可以为Si、SiN、SiON、3C-SiC、金刚石、W、4H-SiC或6H-SiC，衬底层厚度为5λ(λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm)。
在步骤1002，采用PECVD、CVD、MOCVD、MBE等方式在高声速材料衬底层上镀LGS低声速材料层(单晶LGS)。
LGS低声速材料层的欧拉角为(0°,90°,90°)；LGS层的厚度为0.1λ。
前述步骤中形成的一层高声速材料衬底层和一层LGS低声速材料层共同构成一层布拉格反射层。本领域技术人员可以根据设计需要选择多层布拉格反射层(优选可以为2－10层)。当层数n为两层以上时，可在结束步骤1002后返回步骤1001，以形成又一层布拉格反射层。该过程循环进行，直到形成n层布拉格反射层。
在步骤1003，在最上层的LGS低声速材料层之上形成单晶42°YX LiNbO3高声速材料压电层，压电层厚度为0.5λ。
在步骤1004，在单晶42°YX LiNbO3高声速材料压电层上的形成IDT电极。IDT电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。电极的占空比为0.5。电极宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ，电极厚度为180nm，电极沿孔径长度len＝10λ，电极指对数为1000对。
本发明的谐振器的压电层采用单晶42°YX LiNbO3，低声速层利用LGS的压电特性随切向变化特性采用欧拉角(0°,90°,90°)的LGS。这两层均有压电性，电极厚度180nm、宽度0.25λ、占空比0.5、沿孔径长度10λ。从而获得高频大带宽低插损且无杂散的声表面波谐振器。
利用LGS的频率温度系数随切向变化特性，调节单晶42°YX LiNbO3压电层和LGS层的厚度，降低谐振器TCF值。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
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