一种基于刻蚀压电薄膜的高机电耦合系数声表面波器件

摘要

本发明公开了一种基于刻蚀压电薄膜的高机电耦合系数声表面波器件，属于电子信息材料领域。所述声表面波器件从下至上依次包括高声速衬底，部分刻蚀压电薄膜和顶电极。所述顶电极为叉指电极，对叉指之间压电薄膜进行部分刻蚀。本发明的声表面波器件具有两种模态，分别为准瑞利波模态和准西沙瓦波模态，其中准瑞利波模态具有低频高机电耦合系数的特点，可以实现声表面波器件低频小型化的需要；准西沙瓦波模态具有高频，高机电耦合系数的特点，适合制备高频大带宽声表面波器件。本发明的声表面波器件为多层复合结构，容易制备和批量生产，对实际应用具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及电子信息材料领域，具体涉及的是一种基于刻蚀压电薄膜的高机电耦合系数声表面波器件。

背景技术

移动通信在当今人类生产生活中发挥着巨大作用，已经成为人们生活中不可或缺的组成部分。终端设备的无线通信模块包括射频前端模块，射频收发模块和基带信号处理器三部分。滤波器作为射频前端模块中最重要的器件，需求量逐年攀升。5G时代的到来对滤波器的性能提出了更高的要求，包括高频率，大带宽，高功率耐受性和温度补偿能力等。声表面波器件的频率和带宽主要取决于压电材料的声速和机电耦合系数，因此为了追求高频大带宽等趋势，国内外学者投身于研发综合性能更优的压电材料和设计新型压电层结构中。

压电薄膜和高声速衬底复合基片结构是制备高频大带宽器件的常见方案，氧化锌作为常用的压电薄膜材料，具有较高声速和大机电耦合系数的优势。金刚石是自然界中硬度最高，弹性模量最大，导热性最好，声速最高的材料，一直被人们广泛关注，但是高昂的价格和不能尽如人意的大尺寸晶圆质量限制了它的应用。碳化硅同样具有高声速，高弹性模量和高导热率，氧化锌/碳化硅复合结构声表面波滤波器已有报道，并成功制备了工作频率为6.8GHz的窄带滤波器，是人们对高频声表面波滤波器做出的有益探索。虽然压电薄膜/高声速衬底复合基片结构具有高频，但是机电耦合系数相对较小，如何进一步提高压电薄膜/高声速衬底结构的机电耦合系数成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于刻蚀压电薄膜的高机电耦合系数声表面波器件，该器件具有两种模态，分别为准瑞利波模态和准西沙瓦波模态，其中准瑞利波模态具有低频高机电耦合系数的特点，可以实现声表面波器件低频小型化的需要；准西沙瓦波模态具有高频，高机电耦合系数的特点，适合制备高频大带宽声表面波器件。

本发明首先提供了一种声表面波器件，从下至上依次包括高声速衬底，部分刻蚀压电薄膜和顶电极。

上述的声表面波器件，所述部分刻蚀压电薄膜的总厚度为h，刻蚀部分深度为d，刻蚀比例d/h为0＜d/h≤1；具体可为0.1≤d/h≤1；更具体可为d/h为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9或1。

上述的声表面波器件，所述顶电极为叉指电极，对叉指之间压电薄膜进行部分刻蚀；

所述顶电极的厚度为t

所述顶电极的宽度和未刻蚀压电薄膜的宽度保持一致为w；

金属化比为2w/λ，0.1≤2w/λ≤0.9；具体可为0.3≤2w/λ≤0.7；更具体为2w/λ为0.5或0.65。

顶电极归一化厚度为t

压电薄膜归一化厚度为h/λ，0＜h/λ≤3；具体可为0.5≤h/λ≤1；更具体可为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1。

所述λ为声表面波的波长；

所述声表面波的波长λ为1μm≤λ≤5μm；具体可为2μm。

上述的声表面波器件，所述叉指之间压电薄膜的刻蚀形状为柱状，具体可为长方柱；

压电薄膜的刻蚀部分紧挨顶电极一侧。

上述的声表面波器件，所述高声速衬底和所述部分刻蚀压电薄膜之间增加底电极；

具体的，所述底电极的材料为以下一种金属或者两种金属的二元合金：Al、Cu、Pt、Mo、W、Ni；具体可为Al、Cu、或Ni。

上述的声表面波器件，所述底电极的厚度为t

上述的声表面波器件，所述高声速衬底为碳化硅基片，蓝宝石基片或金刚石基片；具体可为碳化硅单晶基片。

所述顶电极的材料为以下一种金属或者两种金属的二元合金：Al、Cu、Pt、Mo、W、Ni。

上述的声表面波器件，所述部分刻蚀压电薄膜为氧化锌薄膜或掺杂氧化锌薄膜；

所述掺杂氧化锌薄膜的掺杂元素为Cr、Fe或V。

上述的声表面波器件在制备滤波器中的应用也属于本发明的保护范围。

本发明具有以下优点：

(1)本发明的声表面波器件结构简单，只需在常规的声表面波器件的基础上对叉指电极之间的压电薄膜进行刻蚀，可操作性强。

(2)本发明的声表面波器件有两种声波模态，与传统高声速衬底/压电薄膜结构相比机电耦合系数均增加，且通过控制刻蚀部分比例和压电层厚度，可以分别获得具有高声速高机电耦合系数的准西沙瓦波和低声速高机电耦合系数的准瑞利波，具有两种功能。

(3)本发明的声表面波器件为多层复合结构，容易制备和批量生产，对实际应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的声表面波器件结构示意图；

图中各个标记如下：

1顶电极；2部分刻蚀压电薄膜；3高声速衬底。

图2为实施例1中顶电极为Al，归一化厚度t

图3为实施例1中刻蚀比例d/h＝1，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.5，金属化比为0.5，顶电极分别为Al、Cu、Pt、Mo、W时，不同的顶电极归一化厚度(t

图4为实施例1中刻蚀比例d/h＝1，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.5，顶电极为Cu且归一化厚度t

图5为实施例1中刻蚀比例d/h＝0.7，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.6，金属化比为0.5，顶电极分别为Al、Cu、Pt、Mo、W时，不同的顶电极归一化厚度(t

图6为实施例1中刻蚀比例d/h＝0.7，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.6，顶电极为Al且厚度为0.13λ时不同金属化比下准西沙瓦波的波速和机电耦合系数曲线；其中(a)为波速曲线，(b)为机电耦合系数曲线。

图7为本发明实施例2的声表面波器件结构示意图；

图中各个标记如下：

1顶电极；2部分刻蚀压电薄膜；3高声速衬底；4底电极。

图8为实施例2情况(1)中不同的底电极归一化厚度(t

图9为实施例2情况(2)中不同的底电极归一化厚度(t

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

如图1所示，为不含底电极结构剖面图，本实施例的声表面波器件，从下至上依次为高声速衬底3，部分刻蚀压电薄膜2和顶电极1；所述高声速衬底为碳化硅单晶基片，压电薄膜为氧化锌薄膜；

压电薄膜层总厚度为h，刻蚀部分深度为d，定义d/h为刻蚀比例；顶电极的厚度为t

以上h、d、w、t

(1)当顶电极材料为Al，顶电极归一化厚度t

图2中的a显示，在不同的刻蚀比例条件下，准瑞利波的声速随着氧化锌薄膜的膜厚增加而单调减小，其中，随着刻蚀比例越大，声速下降越快，对应于同一氧化锌薄膜厚度，刻蚀比例越大，声速越低。图2中的b显示，在不同的刻蚀比例条件下，除d/h＝0.1时变化不明显外，准瑞利波的机电耦合系数随着氧化锌薄膜的膜厚的增加而增加，其中，刻蚀比例为1时，机电耦合系数升高最显著；在h/λ＝1时，机电耦合系数为11.09％。图2中的c中显示，不同的刻蚀比例条件下，准西沙瓦波的声速随着氧化锌薄膜的膜厚增加而单调减小。图2中的d中显示，在不同的刻蚀比例条件下，准西沙瓦波的机电耦合系数随着氧化锌薄膜的膜厚增加而先增加后减小，其中，刻蚀比例为0.5，h/λ＝0.9时，机电耦合系数为8.6％。

(2)当刻蚀比例d/h＝1，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.5，金属化比为0.5时，图3为顶电极分别为Al、Cu、Pt、W、Mo时，不同的顶电极归一化厚度(t

图4为刻蚀比例d/h＝1，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.5，顶电极为Cu且顶电极归一化厚度t

(3)当刻蚀比例d/h＝0.7，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.6，金属化比为0.5时，图5为顶电极分别为Al、Cu、Pt、W、Mo时，不同的顶电极归一化厚度(t

图6为刻蚀比例d/h＝0.7，ZnO压电薄膜归一化厚度h/λ＝0.6，顶电极为Al且顶电极归一化厚度t

实施例2、

如图7所示，为含底电极层结构剖面图，本实施例的声表面波器件，从下至上依次为高声速衬底3，底电极层4、部分刻蚀压电薄膜2和顶电极1；所述高声速衬底为碳化硅单晶基片，压电薄膜为氧化锌薄膜；

压电薄膜层总厚度为h，刻蚀部分深度为d，定义d/h为刻蚀比例；顶电极的厚度为t

以上h、d、w、t

(1)当顶电极为Cu，顶电极归一化厚度为t

图8为当底电极分别为Al，Cu或Ni时，不同的底电极归一化厚度(t

(2)当顶电极为Al且顶电极归一化厚度为t

图9为当底电极分别为Al，Cu或Ni时，不同的底电极归一化厚度(t

需要说明的是，以上仅为本发明的两个实施例，并不用以限制本发明，在本发明的限制和原则之内，任何对本发明所有的修改，等同替换，改进等，均应该包含在本发明的保护范围内。