[发明专利]一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。该谐振器按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。本发明的谐振器在给顶电极通电后，复合压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到复合压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极与底电极之间，形成了谐振。且由于复合压电薄膜的机电耦合系数较高，进一步提高薄膜声波谐振器的带宽。

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着现代无线通信技术向着高频、高速的方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提高了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性和集成性也有了更高的要求，过去使用的声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW)由于其体积偏大、工艺兼容和工作频段等的问题，已经不能够满足高频通信的需求。

而薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型滤波器，相对于声表面滤波器不仅体积小、功率容量大、可继承、工作频段高等特点，还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。

一般来说，薄膜体声波谐振器的结构主要包括横膈膜型、空气隙型和固态装配型三种，均为“电极-压电薄膜-电极”的三明治结构，其原理是利用压电薄膜的压电特性，当在电极施加交流电压时，压电效应使电能转换为机械能，使压电薄膜发生机械形变，从而在压电薄膜体内激励出体声波；当体声波传输到压电薄膜与电极的表面时，由于电极外普通声学层的作用，声波会被反射回来，因而将体声波限制在两电极之间。因此，为了减少声波的损失，尽量使得体声波全反射。而空气的声阻抗可以认为近似为零，因此制作时要使顶电极和底电极的表面与空气接触，由于顶电极是与空气接触的，而底电极生长在衬底上，很难在制作工艺中使得底电极的表面与空气接触，同时还要保证机械强度而不影响薄膜声波谐振器的结构。

另外，传统的FBAR器件通常采用AlN薄膜作为压电薄膜，但是AlN薄膜的机电耦合系数仅为6.5％，制备而成的FBAR器件往往带宽较低，ZnO是一种压电耦合系数更高的压电材料，但是仅采用ZnO薄膜制备而成的FBAR器件损耗较大，很难制备适用于高频段高带宽的体声波滤波器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法，解决了现有技术中薄膜体声波谐振器结构复杂、不稳定等问题。本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。

进一步地，所述衬底材料为单晶高阻硅。

进一步地，所述键合层的厚度为800nm～10um。

进一步地，所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，每层所述压电层材质为AlN或ZnO，每层所述压电层的厚度为100nm～3μm。

优选地，所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。

进一步地，所述空气腔的深度为800nm～10um。

进一步地，底电极和顶电极均为金属电极，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种。

进一步地，所述顶电极和所述底电极的厚度为50nm～500nm。