应变单晶外延膜体声谐振器的有效耦合系数的改进的制作方法

文档序号:25543298发布日期:2021-06-18 20:40
应变单晶外延膜体声谐振器的有效耦合系数的改进的制作方法

本发明总体上涉及声谐振器,并且更具体地涉及控制单晶外延膜体声谐振器(singlecrystalepitaxialfilmbulkacousticresonator)的有效耦合系数。



背景技术:

在许多不同的通信应用中,公共信号路径既耦合到接收器的输入端,又耦合到发射器的输出端。例如,在蜂窝电话或无绳电话中,天线可以耦合到接收器和发射器。在这样的布置中,双工器通常用于将公共信号路径耦合到输入端和输出端。双工器的功能是向公共信号路径提供必要耦合和从公共信号路径提供必要耦合,同时防止由发射器生成的信号耦合到接收器的输入端。

一种类型的双工器被称为半双工器。半双工器使用开关在时分基础上将公共信号路径连接到接收器或发射器。半双工器具有所需的耦合和衰减特性,但是在许多电话应用中是不可接受的,因为它不允许通话双方同时说话和被听到。

对于电话应用更可接受的一种类型的双工器是全双工器。仅当发射信号的频率与接收信号的频率不同时,全双工器才工作。全双工器包含根据频率将发射信号与接收信号隔离的带通滤波器。图1示出了在蜂窝电话、个人通信系统(pcs)设备和其他发射/接收设备中使用的常规电路。发射器的功率放大器10连接到全双工器14的发射端口12。双工器还包括连接到接收器的低噪声放大器(lna)18的接收端口16。除了发送端口和接收端口之外,双工器14还包括连接到天线22的天线端口20。

双工器14是具有发射端口12、接收端口16和天线端口20的三端口设备。在内部,双工器包括发射带通滤波器24、接收带通滤波器26和移相器28。两个滤波器24和26的通带分别以经由功率放大器10输入的发射信号和接收器所调谐成的接收信号的频率范围为中心。

对双工器14的带通滤波器24和26的要求是严格的。带通滤波器必须将在天线22处产生并被引导到低噪声放大器18的输入端的低强度接收信号与由功率放大器10产生的强发射信号隔离。在典型的实施例中,低噪声放大器的灵敏度可以在大约-100dbm,而功率放大器可以提供具有约28dbm的强度的发射信号。期望双工器14必须将天线端口20和接收端口16之间的发射信号衰减约50db,以防止在接收端口处与接收信号混合的任何残余发射信号使低噪声放大器过载。

在移动电话中使用的一种类型的pcs采用码分多址(cdma)。cdmapcs无线频带的中心频率约为1920mhz,并且对双工器的性能有特别严格的监管要求。将参考图2标识一些问题。通带30由若干极点和若干零点限定。极点和零点与中心频率32等距离地间隔开。对于发射器通带30,发射器到天线的插入损耗34在大部分频带上优选地优于-3db。从发射器到接收器端口的隔离在大多数发射器频段上超过50db,在接收器频段上超过46db。发射器和接收器频带之间的交叉发生在1920mhz附近。发射器和接收器频带约为载波频率的3.0%,从而需要非常尖锐的滤波器滚降(roll-off)36和38。如下面将更充分地解释的,较低频率极点和零点以及滚降36由并联谐振器的特性确定,而较高频率极点和零点以及滚降38由串联谐振器的特性确定。

双工器的另一个挑战是实现功率处理要求。图1的发射器中的功率放大器10可以向双工器14的发射端口12传送1瓦功率。带通滤波器24必须能够处理这种功率而不被破坏并且不降低其性能。

将参考图3更详细地描述双工器14。双工器包括发射膜体声谐振器(fbar)阵列40和接收fbar阵列42。该发射fbar阵列是具有两个串联fbar44和46和两个并联fbar50和52的两级梯形电路。串联fbar串联连接在发射端口12和天线端口20之间,而并联fbar连接在电气接地端与串联fbar之间的节点之间。fbar阵列的每个完整级都由一个串联fbar和一个并联fbar组成。为了处理由功率放大器在发射滤波器的滤波器输入处产生的高功率,功率bar用于串联元件44和46中的每一个。

接收fbar阵列是31/2级梯形电路。半级被限制为一个串联fbar或一个并联fbar。在示例性阵列42中,半级是并联fbar60。fbar阵列包括三个串联fbar54、56和58以及四个并联fbar60、62、64和66。串联fbar串联连接在九十度移相器28和接收端口16之间。并联fbar连接在电气接地端和串联fbar之间的节点之间。

适合用作九十度移相器28的电路在本领域中是已知的。作为示例,移相器可以由电感器和电容器组成,或者可以是λ/4传输线。

在发射fbar阵列40中,每个串联fbar44和46可以具有相同的谐振频率(frtx),其可以以1880mhz为中心。类似地,并联fbar50和52可以具有相同的谐振频率,但是串联fbar的谐振频率比并联fbar的谐振频率约大1.0%至3.0%(通常为1.6%)。结果,提供参考图2描述的极点。

接收带通滤波器26的接收fbar阵列42也可以由具有相同frrx的串联fbar54、56和58以及具有相同谐振频率的并联fbar60、62、64和66组成,其中该并联fbar的谐振频率与串联fbar的谐振频率frrx相差3.0%。在此,frrz以1960mhz为中心。

影响图2所示的响应的形状的其他考虑因素是品质因数(被称为q)以及有效耦合系数(也被称为kt2)。有效耦合系数可以被认为是在特定fbar的操作中电能与声能的比率。目标是使q和有效耦合系数两者最大化。作为制造工艺的结果,有效耦合系数可以高达8.0%。已经通过实验确定,q取决于kt2,在某些情况下,最好减小kt2以显著增加q。q确定响应的滚降。

除了上述考虑之外,还涉及声谐振器。

所需要的是一种制造方法和由此产生的双工器,该双工器在用单晶压电材料进一步改进的声谐振器阵列的操作中提供非常陡峭的滚降。



技术实现要素:

本发明总体上涉及声谐振器,并且更具体地涉及控制单晶外延声谐振器的有效耦合系数。

通过使用单晶压电材料并基于谐振器的功能来定制各个声谐振器的有效耦合系数,来增强声谐振器阵列的性能。在双工器实施例中,发射带通滤波器中的fbar的有效耦合系数被制造为具有比相同双工器的接收带通滤波器的fbar更低的有效耦合系数。

在一个实施例中,有效耦合系数的差异是通过改变电极层的厚度来实现的。对于给定的频率,通过改变压电层的厚度与电极层的总厚度之比来修改声谐振器的有效耦合系数。通常,制造fbar的目标是使电极层的厚度最小化,从而提供“本征”有效耦合系数。例如,该本征系数可以在7.0%至8.0%的范围内。然而,具有给定谐振频率的fbar滤波器的耦合系数可以通过减小压电层的厚度与电极层的总厚度之比来向下调节,因为谐振频率取决于电极-压电堆叠的“加权厚度”(即,基于电极和压电材料的选择而加权的物理厚度)。作为发射滤波器的一个示例,可以增加钼(mo)电极的厚度并且可以减小氮化铝(aln)的厚度,以便实现2.5%至4.0%范围内的降低的有效耦合系数,同时保持目标谐振频率。类似地,通过选择形成接收滤波器的fbar的层的适当厚度,可以将接收滤波器制造为具有4.0%至6.0%范围内的有效耦合系数。

根据该实施例的制造声谐振器阵列的方法包括以下步骤:为fbar发射(tx)滤波器的操作选择第一目标频率范围和第一目标有效耦合系数,以及为fbar接收器(rx)滤波器的操作选择第二目标频率和第二目标耦合系数。基于实现目标谐振频率和目标有效耦合系数来确定用于形成两个fbar滤波器的压电层和电极层的厚度和材料。所述确定包括针对txfbar的至少一个电极选择增加的电极层厚度,使得txfbar滤波器将具有降低的系数。然后根据所选择的厚度和材料形成两个滤波器。

在两个滤波器的制造中,电极材料可以是mo,并且压电材料可以是aln。使用这些材料,具有降低的耦合系数的fbartx滤波器的电极层的厚度可以在具有较高系数的rx滤波器的电极层的厚度的1.2至2.8倍的范围内。例如,在与cdmapcs标准兼容的通信设备中,rx滤波器的电极层厚度可以为压电层厚度为2.2微米,以便实现5.6%至5.8%范围内的耦合系数。tx滤波器的电极层厚度为压电层厚度约为以实现3.1%至3.2%范围内的耦合系数。tx滤波器的q(以及因此滚降的陡度)几乎是rx滤波器的两倍。

在一种应用中,fbar的期望的滤波器布置被设计为包括至少一个“功率bar”,以便增加沿着滤波器布置的路径的功率处理能力。在本文中,“功率bar”被定义为一对大面积fbar,其代替单个目标fbar而串联连接。每个大面积fbar占据的面积是目标fbar面积的两倍。功率bar所限定的并联-串联组合(在常规等效电路的串联连接中)允许功率bar的阻抗保持在目标fbar的目标阻抗,但将功率密度降低了四倍。

在本发明的第二实施例中,通过形成与tx滤波器的至少一些谐振器并联的电容器来实现降低的有效耦合系数。优选地,使用在制造声谐振器阵列的步骤中沉积的材料来形成电容器。例如,沉积以制造fbar的电极和压电层可用于形成电容器,该电容器与tx滤波器的至少一个fbar并联放置以降低有效耦合系数。然而,使用这些层的问题在于将制造谐振器而不是电容器。确保附加部件用作电容器的一种方法是直接在衬底上制造部件的电极-压电堆叠,而不是悬置堆叠。以这种方式,衬底提供了用于大量加载电容器的装置,从而使频率偏离中心。

第二种方法是使用通常用于提供接触焊盘的金层作为将谐振器部件拉离频率的装置。优选第二种方法,因为第一种方法可能形成高损耗电容器,而第二种方法将形成高q部件。通过利用金层并通过以与fbar相同的方式悬置电容器部件作为独立的膜,该电容器可以用作高q谐振器,但其频率比第一fbar和第二fbar低得多。优点是电容器的频率可以被“调谐”到不仅偏离感兴趣的频率,而且可以在双工器不很好工作的频率下形成寄生谐振。作为一个示例,电容器可以在1510mhz下谐振,该频率是现有双工器在抑制能量方面表现不佳的频率。将电容器调谐至1510mhz允许设计者并入减少1510mhz信号的泄漏的特定类型的并联谐振器和串联谐振器。这是在没有对fbar制造进行任何附加工艺步骤的情况下实现的。可以仅通过适当地选择电容器的电极-压电堆叠中的金层和其他层的厚度来提供电容器的调谐。

上述方法的优点在于,在不显著影响制造工艺的情况下,增强了声谐振器阵列的性能。通过定制全双工器中各个谐振器的有效耦合系数,可以定制通带相对边缘处的滚降。此外,本方法通过晶片工艺使用多种三维堆叠方式来制造可靠的基于单晶的声滤波器或谐振器。

通过参考说明书的后面部分和附图,可以实现对本发明的本质和优点的更好的理解。

附图说明

为了更充分地理解本发明,参考附图。理解这些附图不应被认为是对本发明范围的限制,通过使用附图来更详细地描述本发明的当前描述的实施例和当前理解的最佳模式,在附图中:

图1是常规蜂窝电话或类似设备的前端电路的框图。

图2是示出图1中使用的类型的带通滤波器的特性的曲线图。

图3是常规全双工器的示意性框图。

图4是根据本发明的一个实施例的一对通带滤波器的示例的示意性框图,其中,这对滤波器具有显著不同的有效耦合系数。

图5是图4的所选择的fbar的截面图。

图6是用于执行参考图4和图5描述的本发明的步骤的处理流程。

图7是根据本发明的第一实施例形成的fbar的常规等效电路的示意图。

图8是根据本发明的第二实施例形成的fbar的等效电路的示意图。

图9是谐振器-电容器对的侧截面图,其中,根据图8所示的第二实施例的第一方法直接在衬底上形成电容器。

图10是谐振器-电容器对的侧截面图,其中,根据实现图8所示的第二实施例的第二方法通过添加顶部金属层来大量加载电容器。

图11是示出根据本发明的示例的用于制造声谐振器设备的方法的流程图。

图12是示出根据本发明示例的形成声谐振器设备的压电层的结果的简化图。

图13a-c是示出根据本发明的各种示例的用于形成声谐振器设备的压电层的方法的简化图。

具体实施方式

本发明总体上涉及声谐振器,并且更具体地涉及控制单晶外延声谐振器的有效耦合系数。

参考图4,发射带通滤波器68被示意性地示出为包括从发射端口78到天线端口80串联地电连接的四个串联fbar70、72、74和76。该滤波器还包括两个并联fbar82和84。第一并联fbar82连接在两对串联fbar之间,而第二并联fbar84连接在天线端口和串联的fbar76之间。图4还示出了接收滤波器73的一级。该级包括串联fbar75和并联fbar77。发射(tx)滤波器或接收(rx)滤波器中的级数对于本发明并不重要,在下面更全面地描述本发明。滤波器的重要性在于,至少一个fbar将具有相对于至少一个其他fbar有意降低的有效耦合系数。在优选实施例中,tx滤波器的fbar具有有意降低的有效耦合系数,而rx滤波器的fbar具有明显更高的系数。

fbar对70和72以及fbar对74和76是“功率bar”。每对中的两个fbar的串联连接相对于单个目标fbar将功率密度增加了四倍。关于第一对fbar70和72,每个fbar被制造为占据两倍于目标fbar的面积的面积。当两个fbar串联连接时,在所得到的常规等效电路的串联组合中的电阻和电容的串并联布置(将在下面参考图7描述)将实现目标fbar的阻抗,但功率密度增加。功率bar中的fbar的谐振频率应当与被功率bar“替换”的目标fbar的谐振频率相同。

图4的移相器28对本发明并不重要,并且与图1的移相器28的描述一致。作为两个示例,移相器可以包括电感器和电容器,或者可以是四分之一波长传输线。每个并联fbar82和84通过外部电感器86和88耦合到接地端。电感器可用于定位并联bar的衰减极点,使得通带响应表现出所需的特性,例如在响应的外部边缘处陡峭的滚降。

fbar70、72、74、75、76和77中的每一个包括外部电极层和内部压电层。例如,tx滤波器68的串联fbar74包括将压电层94夹在中间的电极90和92。类似地,rx滤波器73的串联fbar75包括电极96和98以及中央压电层100。压电层94的厚度与将压电层夹在中间的电极层的总厚度之比被表示为对于tx滤波器的串联fbar相比于对于rx滤波器的串联fbar小得多。如下面更充分地解释的,相对于rx滤波器73,增加的电极层厚度降低了tx滤波器68的耦合系数。结果,tx滤波器的q大于rx滤波器的q,并且tx滤波器的通带响应边缘处的陡度大于rx滤波器的陡度。

图5示出了tx滤波器的串联fbar74和rx滤波器的串联fbar75的侧截面图。再次,fbar74的电极层90和92被示出为明显厚于fbar75的电极层96和98。滤波器68和73两者都形成在单个衬底102上,例如硅衬底上。然而,滤波器可以形成在单独的衬底上,或者可以形成在硅以外的材料上。形成fbar,其中压电材料94和100夹在两个电极90、92、96和98之间。优选地,阱104和106被蚀刻到fbar下方的衬底中。结果,形成fbar的每个电极-压电堆叠是悬置在阱之上的膜,以便在两侧提供谐振器-空气界面。替代地,在不背离本发明的情况下,可以使用固定安装的谐振器(smr)。smr通常在其底表面处包括声布拉格反射器,以提供大的声阻抗。布拉格反射器由交替的高声阻抗材料和低声阻抗材料制成,每层的厚度约为fbar谐振频率的四分之一波长。在某些应用中,多个fbar共用单个阱。

图4和图5的各个串联fbar74和75的特性取决于电极-压电堆叠的层厚度和材料。用于形成压电层94和100的优选材料是aln,但是也可以使用其他材料(例如氧化锌)。可接受的电极材料是mo,但是可以用其他金属替代(例如,铝、钨、金或钛)。对于给定的电极和压电材料,fbar的特性取决于几何因素,例如压电层的厚度、电极的厚度以及电极之间的交叠面积。例如,谐振频率取决于电极-压电堆叠的“加权厚度”。加权厚度是根据电极和压电材料的选择进行调整的物理厚度。由于不同材料的声速不同,因此调整是必要的。改变电极中的一者或两者的加权厚度改变了电极-压电堆叠的加权厚度,从而调整堆叠的谐振频率。

电极-压电堆叠的层厚度也影响tx和rx滤波器68和73的有效耦合系数(kt2)。根据本发明,滤波器的有效耦合系数是根据滤波器的功能定制的。通过为tx滤波器68提供比rx滤波器73更低的有效耦合系数,cdma兼容的双工器表现出期望的特性。如参照图1至图5所述,在发射器通带和接收器通带之间存在交叉。tx滤波器的串联fbar70、72、74和76显著地影响交叉处的发射器通带特性。在保持规范要求的谐振频率的同时有意降低有效耦合系数增强了双工器性能。如前所述,tx滤波器的kt2的减小增加了其q,从而实现更陡峭的滚降。

在图5中,通过txfbar74和rxfbar75的截面图示出了压电层的厚度与电极层的总厚度之比的差异。对于txfbar74,该比显著小于rxfbar75的比。因此,tx滤波器的有效耦合系数将显著小于rx滤波器的耦合系数。通常,制造fbar的目标是使电极层的厚度最小化。这提供了在7.0%至8.0%范围内的本征有效耦合系数。在图5中,用于限定rxfbar75的电极层96和98可以由具有的厚度的mo形成。压电层100的形成rxfbar的部分可以是aln,其厚度约为2.2微米。这为cdma兼容的发射滤波器提供了规范要求的谐振频率,并提供了5.6%至5.8%的范围内的有效耦合系数。

txfbar74被形成为使得tx滤波器68将具有有意降低的有效耦合系数。mo顶部电极90和底部电极92可以具有约的厚度,而压电层94的相关部分的厚度可以为约这提供了规范要求的谐振频率,并提供了3.1%至3.2%的范围内的降低的有效耦合系数。

对于基于所识别的层厚度形成的tx和rx滤波器68和73,tx滤波器可以具有约为rx滤波器的q的两倍的q。因此,tx滤波器响应边缘的陡度将明显增加。

现在参考图6,将描述根据本发明的用于制造系数有差异的fbar滤波器的步骤的处理流程。在步骤108中,为第一fbar滤波器选择目标频率响应和目标有效耦合系数。在图4的发射滤波器68的形成中,第一fbar滤波器是tx滤波器68。目标频率响应将取决于期望的应用。例如,在与cdma要求兼容的双工器中,目标频率响应很可能以1880mhz为中心(即,frtx=1880mhz)。

在步骤110中,为第二fbar滤波器选择目标频率响应和目标有效耦合效率。再次参考图4,第二fbar滤波器是rxfbar滤波器73,从而frrx=960mhz。在优选实施例中,第一目标耦合系数被选择在2.5%至4.0%的范围内,而第二目标耦合系数被选择在4.0%至6.0%的范围内。

在步骤112中,确定用于制造发射和接收fbar滤波器的层厚度和材料。该步骤包括为txfbar滤波器68的至少一个电极层选择增加的电极层厚度,从而确保txfbar滤波器的有效耦合系数相对于rxfbar滤波器73的耦合系数降低。这需要为txfbar滤波器和rxfbar滤波器中的每一个识别压电层厚度与电极层的总厚度之比。txfbar滤波器的比将小于针对rxfbar滤波器所识别的比,因为txfbar滤波器的目标有效耦合系数降低了。为了易于制造,用于形成txfbar滤波器和rxfbar滤波器的材料优选地是相同的。然而,这不是关键的,因为可以通过为两个滤波器选择不同的材料来部分地实现系数的差异。

在步骤114中,制造fbar。滤波器68和73可以形成在相同的衬底102上,如图5所示。但是,在单独的衬底上形成滤波器并随后互连滤波器具有工艺优势。难以改变单个衬底上的电极层和压电层的厚度。在单独的衬底上形成fbar消除了困难。如果fbar将形成在同一衬底上,则可以通过提供多个沉积步骤来实现增加的层厚度的部分。例如,在形成图5的下部电极层92时,在该层已经达到其对于电极层98的期望厚度之后可以暂时终止mo沉积。然后可以在fbar75的区域中沉积掩蔽层,使得mo沉积的重新开始将仅发生在串联fbar74的区域中。可以为压电层100提供类似的多步骤沉积工艺。可以类似地形成两个顶部电极90和96。

尽管本发明的第一实施例被描述为用于具有单个压电层的fbar,但是本发明可以扩展到堆叠的fbar,而不偏离本领域技术水平。也就是说,可以制造具有被电极层分开的堆叠的压电层的fbar的阵列,以具有定制的有效耦合系数,从而实现期望的滤波器特性。

修改压电层的厚度与电极层的总厚度之比的工艺是一种用于定制fbar阵列中不同fbar的有效耦合系数的手段。定制有效耦合系数的第二种手段是与所选fbar并联地形成电容器。如将在下面更充分地解释的,电容器的并联连接将降低有效耦合系数。除tx和rx滤波器的设计和制造之外,这种使用电容器降低有效耦合系数的方法还可以用于其他应用中。

图7是fbar的等效电路。该电路在本领域中被称为修改的butterworth-vandyke电路。主电抗分量是并联电容(cp)116,其是由电极和压电层的结构限定的电容。压电层用作并联电容116的电介质。板电阻(rp)118表示并联电容116的串联电阻,而电阻(rs)120表示电极-压电堆叠的接触件122和124之间的连接的串联电阻。常规地,接触件122和124由金形成。

由于fbar的压电特性,电感(lm)126、电容(cm)128和电阻(rm)130的串联连接是谐振的运动表示。在具有使用参考图5和图6描述的步骤来制造的fbar的fbar滤波器的操作中,有效耦合系数与运动电容128与平板电容116之比直接相关。然而,通过添加如图8所示的电容(cnew)132,平板电容116增加,而动态电容128保持不变。通过将电容132与每个目标fbar并联放置,可控地减小了fbar滤波器的有效耦合系数。应当注意,通过添加与fbar并联的相同频率的另一谐振器,图7的电容116和128都增加,使得该比不受影响。显然,电容器而不是谐振器提供了所需的效果。

优选地,使用与在fbar的制造中使用的相同的材料和技术来制造增加的电容132。使用顶部和底部电极层作为平板并使用压电层作为电介质来形成电容器的问题在于,将形成谐振器而不是电容器。因此,新设备应该被大量加载,使得其不会在感兴趣的频率之一下谐振。参考图9,一种用于大量加载新设备的技术是直接在衬底136的表面上制造电容器堆叠134。这使谐振频率偏离中心。也就是说,尽管电容器堆叠层134具有与受影响的fbar138的层相同的厚度,但是频率将是不同的,因为电容器堆叠直接形成在衬底136的表面上,而fbar通过形成阱140而悬置在衬底136之上。为了适当地将电容器堆叠134与fbar堆叠138区分开,未示出提供电并联布置的连接。

直接在衬底136的表面上形成电容器堆叠134的技术允许定制受影响的fbar滤波器的耦合系数,如参照图8所述。这种方法的问题在于,电容器堆叠可以充当将能量传播到衬底136中的换能器。由于衬底相对较厚,所以可以传输多个频率。因此,新设备可能是不期望地松散的。

现在参考图10,形成图8的电容132的另一种方法是将金层142施加到在阱144之上形成的电容器堆叠的顶部。图10的部件与图9的部件相同,具有相同的附图标记。因此,图9和图10的方法之间的唯一差异在于添加的金层142和添加的阱144。优选地,金层与常规地用于形成fbar阵列的接触焊盘的层相同。金层的添加降低了堆叠134的谐振频率,因为它增加了顶部电极的加权厚度。使用来自焊盘层金属层的金的优点是,频率可以被“调谐”,使得它不仅偏离感兴趣的频率,而且在双工器不很好地工作的频率处形成寄生谐振。作为一个示例,电容器可以在1510mhz处谐振,该频率是现有双工器在抑制能量方面表现不佳的频率。将电容器堆叠134调谐至1510mhz允许设计者并入减少1510mhz信号的泄漏的特定的并联谐振器和串联谐振器。这是在不向fbar制造增加工艺步骤的情况下实现的。仅通过适当地选择堆叠中的金层和其他层的厚度,就可以实现电容器堆叠的调谐。

根据示例,本发明包括一种用于形成压电层以制造声谐振器设备的方法。更具体地,本方法包括形成用于制造声谐振器设备的单晶材料。通过修改iii族氮化物(iii-n)晶格的应变状态,本方法可以改变单晶材料的压电特性,以调节由该材料制造的后续设备的声学特性。在具体示例中,用于形成应变单晶材料的方法可以包括通过采用以下参数中的一个或组合来修改各个层的生长条件:气相反应物比、生长压力、生长温度和杂质引入。

在示例中,单晶材料在衬底上外延生长。用于生长单晶材料的方法可以包括金属有机化学气相沉积(mocvd)、分子束外延(mbe)、氢化物气相外延(hvpe)、原子层沉积(ald)等。可以选择性地改变各种工艺条件以改变单晶材料的压电特性。这些工艺条件可以包括温度、压力、层厚度、气相比等。例如,用于包含铝(al)和镓(ga)及其合金的膜的温度条件可以在约800至约1500摄氏度的范围内。用于包含al、ga和铟(in)及其合金的膜的温度条件可以在约600至约1000摄氏度的范围内。在另一示例中,用于包含al、ga和in及其合金的膜的压力条件可以在约1e-4托至约900托的范围内。

图11是示出根据本发明的示例的用于制造声谐振器设备的方法的流程图。以下步骤仅是示例,并且不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他变化、修改和替代。例如,如在本发明的范围内所预期的,可以添加、移除、修改、重新排列、重复和/或重叠下面概述的各种步骤。典型的生长过程1100可以概述如下:

1101.提供具有所需材料特性和晶体取向的衬底。在用于制造声学谐振器设备的本方法中可以使用各种衬底,例如硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓(gan)或氮化铝(aln)体衬底。本方法还可以使用gan模板、aln模板和alxga1-xn模板(其中x在0.0到1.0之间变化)。这些衬底和模板可具有极性、非极性或半极性晶体取向。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代;

1102.将所选择的衬底置于受控环境内的处理室中;

1103.将衬底加热到第一期望温度。在5-800mbar的减压下,在纯化氢气的存在下,将衬底加热至1100-1400℃范围内的温度,作为清洁衬底的暴露表面的手段。净化后的氢气流量应在5-30slpm(标准升每分钟)范围内,气体纯度应超过99.9995%;

1104.将衬底冷却至第二期望温度。在高温下10-15分钟后,衬底表面温度应降低100-200℃;这里的温度偏移由衬底材料的选择和要生长的初始层(在图18a-c中突出显示)确定;

1105.将反应物引入处理室。在温度稳定之后,将iii族和v族反应物引入处理室并开始生长。

1106.在完成成核层时,可以进一步调节生长室压力、温度和气相混合物,以生长声谐振器设备感兴趣的一层或多层。

1107.在膜生长过程期间,可以通过修改生长条件或通过将杂质受控地引入膜中来调节材料的应变状态(与膜的电学性质的修改相反)。

1108.在生长过程结束时,关断第iii族反应物,并且将得到的一个或多个膜的温度受控地降低到室温。热变化速率取决于所生长的一层或多层,并且在优选实施例中,热变化速率是平衡的,使得包括膜的衬底的物理参数适合于后续处理。

参考步骤1105,可以通过若干生长方法之一在衬底上开始单晶材料的生长:在成核层上直接生长、在超晶格成核层上生长、以及在渐变过渡成核层上生长。单晶材料的生长可以是同质外延、异质外延等。在同质外延方法中,在衬底和膜之间存在最小的晶格失配,例如天然iii-n单晶衬底材料的情况。在异质外延方法中,基于平面内晶格参数,衬底和膜之间存在可变的晶格失配。如以下进一步描述的,成核层中各层的组合可用于在随后形成的结构中设计应变。

参考步骤1106,可以在用于制造声谐振器设备的本方法中使用各种衬底。可以使用各种晶体取向的硅衬底。另外,本方法可以使用蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓(gan)体衬底或氮化铝(aln)体衬底。本方法还可以使用gan模板、aln模板和alxga1-xn模板(其中x在0.0到1.0之间变化)。这些衬底和模板可具有极性、非极性或半极性晶体取向。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。

在示例中,本方法涉及控制(一个或多个)成核层和压电层的材料特性。在具体示例中,这些层可以包括被配置为具有小于每平方厘米1e+11个缺陷的缺陷密度的单晶材料。单晶材料可以包括选自以下至少一种的合金:aln、algan、gan、inn、ingan、alinn、alingan、scaln、scalgan、scn、baln、balscn和bn。在各种示例中,前述材料的任何单一或组合可以用于设备结构的(一个或多个)成核层和/或(一个或多个)压电层。

根据示例,本方法涉及通过生长参数修改而设计的应变。更具体地,该方法涉及通过修改膜的生长条件来改变压电层中外延膜的压电特性(这些修改可以通过压电膜的声速来测量和比较)。这些生长条件可以包括成核条件和压电层条件。成核条件可以包括温度、厚度、生长速率、气相比(v/iii)等。压电层条件可以包括来自成核层的过渡条件、生长温度、层厚度、生长速率、气相比(v/iii)、生长后退火等。可以在下面找到本方法的更多细节。

图12是示出根据本发明的示例的形成用于声谐振器设备的压电层的结果的简化曲线图。该曲线图突出显示了针对给定的铝摩尔分数定制材料的声学特性的能力。参考上面的步骤1107,这种灵活性允许将所得到的谐振器特性适合于单独的应用。如图所示,曲线图1200描绘了声速(m/s)相对于铝摩尔分数(%)的曲线图。标记区域1220示出了在0.4的铝摩尔分数下通过压电层的应变设计对声速的调制。这里,数据显示声速的变化范围从约7,500m/s到约9,500m/s,其在初始声速8,500m/s附近约±1,000m/s。因此,生长参数的修改为声谐振器设备的声速提供了大的可调谐范围。该可调谐范围将存在于从0到1.0的所有铝摩尔分数,并且是在该技术的其他常规实施例中不存在的自由度。

本方法还包括通过杂质引入或掺杂而设计的应变,以影响声波通过材料传播的速率。参考上面的步骤1107,可以专门引入杂质以提高声波通过材料传播的速率。在示例中,杂质种类可以包括但不限于以下项:硅(si)、镁(mg)、碳(c)、氧(o)、铒(er)、铷(rb)、锶(sr)、钪(sc)、铍(be)、钼(mo)、锆(zr)、铪(hf)和钒(va)。硅、镁、碳和氧是生长过程中使用的常见杂质,其浓度可以根据不同的压电特性而变化。在具体示例中,杂质浓度范围为每立方厘米约1e+10至约1e+21。用于将杂质输送到的杂质源可以是源气体,其可以在来源于有机金属源之后或通过其他类似过程直接输送。

本方法还包括通过引入合金元素而设计的应变,以影响声波传播通过材料的速率。参考上面的步骤1107,可以专门引入合金元素以提高声波传播通过材料的速率。在示例中,合金元素可以包括但不限于以下:镁(mg)、铒(er)、铷(rb)、锶(sr)、钪(sc)、钛(ti)、锆(zr)、铪(hf)、钒(va)、铌(nb)和钽(ta)。在具体的实施例中,一种合金元素(三元合金)或多种合金元素(在四元合金的情况下)的浓度范围为约0.01%至约50%。与以上类似,用于输送合金元素的合金源可以是源气体,其可以在来源于有机金属源之后或者通过其他类似的工艺直接输送。本领域普通技术人员将认识到这些工艺的其他变型、修改和替代。

引入杂质的方法可以是在膜生长期间(原位)或后生长(非原位)期间。在膜生长期间,用于引入杂质的方法可以包括体掺杂、δ(delta)掺杂、共掺杂等。对于体掺杂,可以使用流动工艺来产生均匀的掺杂剂掺入。对于δ掺杂,可以针对较高掺杂剂掺入的局部区域有意地操纵处理流程。对于共掺杂,可以使用任何掺杂方法在膜生长过程中同时引入一种以上的掺杂剂物质。在膜生长之后,用于引入杂质的方法可以包括离子注入、化学处理、表面修改、扩散、共掺杂等。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。

图13a是示出根据本发明的示例的用于形成声谐振器设备的压电层的方法的简化图。如设备1301中所示,压电层1331或膜直接生长在成核层1321上,成核层1321形成为覆盖衬底1310的表面区域。成核层1321可以与压电层1331具有相同或不同的原子组成。这里,如前所述,压电膜1331可以在生长(原位)或生长后(非原位)期间掺杂一种或多种物质。

图13b是示出根据本发明的示例的用于形成声谐振器设备的压电层的方法的简化图。如设备1302中所示,压电层1332或膜生长在超晶格成核层1322上,该超晶格成核层1322由具有交替组成和厚度的层组成。该超晶格层1322形成为覆盖衬底1310的表面区域。设备1302的应变可以通过超晶格层1322中的周期或交替对的数量或通过改变组成层的原子组成来定制。类似地,如前所述,压电膜1332可以在生长(原位)或生长后(非原位)期间掺杂一种或多种物质。

图13c是示出根据本发明的示例的用于形成声谐振器设备的压电层的方法的简化图。如设备1303中所示,压电层1333或膜生长在渐变的过渡层1323上。形成为覆盖衬底1310的表面区域的这些过渡层1323可以用于定制设备1303的应变。在示例中,合金(二元或三元)含量可以作为生长方向上的生长的函数而降低。此函数可以是线性的、逐步的或连续的。类似地,如前所述,压电膜1333可以在生长(原位)或生长后(非原位)期间掺杂一种或多种物质。

在示例中,本发明提供一种用于制造声谐振器设备的方法。如前所述,该方法可以包括压电膜生长工艺,例如在成核层上直接生长、在超晶格成核层上生长或在渐变过渡成核层上生长。每个工艺都可以使用成核层,包括但不限于具有以下至少一种的材料或合金:aln、algan、gan、inn、ingan、alinn、alingan、scaln、scalgan、scn、baln、balscn和bn。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代。

使用本发明实现了优于现有技术的一个或多个益处。具体而言,可以在使用根据本领域普通技术人员的常规材料和/或方法时以相对简单和成本有效的方式制造本设备。使用本方法,可以通过晶片级工艺使用多种三维堆叠方式来创建可靠的基于单晶的声谐振器。这样的滤波器或谐振器可以在rf滤波器设备、rf滤波器系统等中实现。根据实施例,可以实现这些益处中的一个或多个。当然,可以有其他变化、修改和替代。

尽管以上是对具体实施例的完整描述,但是可以使用各种修改、替代构造和等同形式。作为示例,封装设备可以包括上述元件的任何组合以及在本说明书之外的元件。因此,以上描述和说明不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

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