一种高声速高频低频率温度系数窄带滤波器及制造方法与流程

1.本发明涉及移动通信设备中的声波谐振器/滤波器，尤其涉及手机射频前端中的一种高声速高频低频率温度系数的窄带滤波器。


背景技术：

2.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。
3.其中，滤波器领域目前有三大类型，分别是声表面波(saw)、体声波(baw)、以及薄膜体声波(fbar)滤波器。
4.而其中，saw滤波器是低频和中频段的主流；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。
5.现有的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。这种混合结构技术，既赋予其saw器件单面加工工艺简单的特性，又赋予其smr
‑
baw器件的低能量泄露的特性。
6.ihp
‑
saw滤波器以其优异的温度补偿性能、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滤波器的一个发展方向。
7.ihp
‑
saw滤波器具有以下三大优点：
8.1、高q值，ihp
‑
saw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层表面，从而降低声波在传播过程中的损耗，提高器件的q值。高q特性(其qmax～3000，传统saw qmax～1000)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。
9.2、低频率温度系数tcf(temperature coefficient of frequency)，ihp
‑
saw的tcf可以达到≤
‑
20ppm/℃，进一步优化设计可以达到0ppm/℃。
10.3、良好的散热性，其良好的散热特性可保证器件在高功率下的稳定运行。
11.ihp
‑
saw滤波器的smr
‑
baw多层反射栅结构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。
12.然而，现有ihp
‑
saw技术具有如下这样的问题：
13.一、ihp
‑
saw滤波器工作频率为3.5ghz左右，远达不到5g通信高频要求(一般需要大于5g)；
14.二、ihp
‑
saw滤波器功率35dbm，不满足5g通信高功率要求；
15.三、ihp
‑
saw滤波器的q值随着工作频率增大而减小，当工作频率为3.5ghz时，q值为2200左右，不符合5g通信高q值低插损的要求。
16.因此，目前5g通信领域需要一种高工作频率、高功率、高q值、低插损的滤波器。


技术实现要素：

17.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。
18.本发明声表面波器件采用碳化硅单晶基片作为衬底层，其具有高声速，且相比于金刚石自支撑基片和金刚石和类金刚石薄膜而言具有晶体质量高、一致性好等优点。
19.本发明声表面波器件采用单晶aln作为压电材料，单晶aln声速高达11000m/s，具有良好的压电和介电性能，c轴取向的aln薄膜，具有优异的材料性质，如低介电和声学损耗，高声速，热稳定性等。低声阻抗层采用lgs(硅酸镓镧)材料，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。
20.本发明的低频率温度系数的窄带滤波器，包括：至少一层布拉格反射层，每层布拉格反射层由一层高声速材料衬底层和一层lgs低声速材料层叠加形成；形成在最上层布拉格反射层的lgs低声速材料层之上的c轴取向单晶aln高声速材料压电层，压电层频率温度系数为负；以及设在压电层上的电极。其中，lgs低声速材料层的欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)或(0
°
,140
°
,25
°
)，lgs低声速材料层具有弱压电特性。
21.高声速材料衬底层厚度为5λ，lgs低声速材料层厚度为0.1λ，单晶aln高声速材料压电层的厚度为0.5λ，电极宽度和电极之间的间距均为0.25λ，其中λ为电极激发的声波波长。
22.每层布拉格反射层通过采用pecvd、cvd、mocvd、mbe方式在高声速材料衬底层上镀一层lgs层来实现，布拉格反射层的层数为1、2、3、4、5、6、7、8或9层，各层布拉格反射层相互叠加。
23.高声速材料衬底层的高声速材料选自si、sin、al2o3、3c
‑
sic、w、4h
‑
sic或6h
‑
sic中的至少一种。
24.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。电极全部埋入单晶aln高声速材料压电层、或处于单晶aln高声速材料压电层之上。电极可以为上下双层电极。电极的占空比取0.4、0.5、0.6之一。
25.本发明的用于制造低频率温度系数的窄带滤波器的方法，包括以下步骤：提供高声速材料衬底层；在高声速材料衬底层上镀lgs低声速材料层，lgs低声速材料层的欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)或(0
°
,140
°
,25
°
)；在lgs低声速材料层之上形成单晶aln高声速材料压电层；以及在单晶aln高声速材料压电层上的形成idt电极。
26.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
27.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。
28.图1是根据本发明的窄带滤波器的电极埋入压电层的ihp谐振器的结构模型示意
图；
29.图2是图1的电极埋入压电层的ihp谐振器的结构示意图；
30.图3是根据本发明另一实施例的窄带滤波器的电极未埋入压电层的ihp谐振器的结构示意图；
31.图4是根据本发明的布拉格反射层为2层的ihp谐振器的结构示意图；
32.图5是根据本发明的布拉格反射层为n层的ihp谐振器的结构示意图；
33.图6是根据本发明的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)的ihp谐振器的导纳图；
34.图7是根据本发明的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,25
°
)的ihp谐振器的导纳图；
35.图8是图6的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)的ihp谐振器的频率随温度变化图；
36.图9是图6的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)的ihp谐振器的tcf值随温度变化图；
37.图10是图7的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,25
°
)的ihp谐振器的频率随温度变化图；
38.图11是图7的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,25
°
)的ihp谐振器的tcf值随温度变化图；
39.图12是本发明的窄带滤波器的ihp谐振器的制造过程流程图。
具体实施方式
40.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。
41.图1和图2是根据本发明的一个实施例的窄带滤波器的电极埋入压电层的ihp谐振器结构模型示意图和ihp谐振器示意图。
42.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。
43.该ihp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、al2o3、3c
‑
sic、w、4h
‑
sic或6h
‑
sic，厚度为5λ(λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm)。
44.压电层103的材料为有c轴取向的单晶aln，为高声速材料，可以大幅提高器件的中心频率f0＝1/2(fp+fs)，满足5g通信的要求，压电层厚度为0.5λ。
45.压电层上设有叉指换能器(idt)电极104，图1和图2的实施例中，电极全部埋入压电层，电极宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ；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。电极的占空比，可以是选自0.4、0.5、0.6之一。
46.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，优选欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)和(0
°
,140
°
,25
°
)。lgs为低声阻抗材料，具有压电特性。上述lgs根据不同切向具有不同频率温度系数tcf，通过上述两种切向，获得不同频率温度系数，与单晶aln频率温度系数叠加，可以降低器件的tcf值。
47.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。
48.lgs的热膨胀系数cte＝5.15
×
10
‑6k
‑1，单晶aln热膨胀系数cte＝5.2
×
10
‑6k
‑1，二者热膨胀系数匹配。
49.lgs层具有低声速，与高声速材料的衬底层共同形成布拉格反射层，防止声波从衬底层方向泄露，可以大幅提高器件q值。
50.尽管图1和图2仅示出一层布拉格反射层的实施例，但根据本发明，布拉格反射层可以是多层的，也就是多组高声速衬底层101和lgs低声速层102的叠加。这在以下图4、5中将进一步示出。
51.图3是根据本发明另一实施例的窄带滤波器的电极未埋入压电层的ihp谐振器示意图。从图2和图3对比，可知图3电极未埋入压电层，但同样可以达到相同的效果。本发明优选电极埋入压电层。
52.根据本发明又一实施例，电极的设置还可采取上下双层电极的形式。(未在图中示出)
53.图4是根据本发明的布拉格反射层为2层的ihp谐振器结构示意图。布拉格反射层层数n＝2，包括两层高声速材料的衬底层和和两层低声速层(lgs层)交替叠加，这样的结构，可以减少器件机电耦合系数k2，提高q值。
54.图5，是多层(n层)布拉格反射层的ihp谐振器的结构示意图，n优选可以为2－9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。
55.图6、8、9涉及根据本发明的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)的ihp谐振器，分别为其导纳图、频率随温度变化图、以及tcf值随温度变化图。
56.从图6可知：其声速v＝7691m/s,fs＝7.69ghz,fp＝7.692ghz,f0＝7.691ghz，相对带宽＝2xk2，k2＝0.06％，相对带宽为0.12％，窄带的相对带宽小于5％，宽带的相对带宽在5％到25％，超宽带的相对带宽大于25％。q＝11978，具有极高q值，器件插损非常低，且无杂散。
57.从图8可知其谐振频率和反谐振频率向左漂移。
58.从图9可知其工作温度为
‑
40℃
‑
80℃，从图可知tcf＝1/(t
‑
t0)
×
(f
t
‑
f0)/f0，t0为室温25℃，t为实际工作温度，f0为室温下的工作频率，f
t
为实际工作温度下的工作频率，从图计算可知，当实际工作温度为100℃时，tcf＝
‑
13.9ppm/℃，小于
‑
20ppm/℃。
59.图7、10、11涉及根据本发明的lgs欧拉角为(0
°
,140
°
,25
°
)的ihp谐振器，分别为其导纳图、频率随温度变化图、以及tcf值随温度变化图。
60.从图7可知：其声速v＝7693.5m/s,fs＝7.693ghz,fp＝7.694ghz,f0＝7.6935ghz，相对带宽＝2xk2，k2＝0.03％，相对带宽为0.06％，窄带的相对带宽小于5％，宽带的相对带宽在5％到25％，超宽带的相对带宽大于25％。q＝12042，具有极高q值，器件插损非常低，且无杂散。
61.从图10可知其谐振频率和反谐振频率向左漂移。
62.从图11可知其工作温度为
‑
40℃
‑
80℃，从图计算可知，当实际工作温度为100℃时，tcf＝
‑
15.6ppm/℃，小于
‑
20ppm/℃。
63.图12为本发明的一种用于制造低频率温度系数的窄带滤波器的方法，包括：
64.在步骤1201，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、al2o3、3c
‑
sic、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。
65.在步骤1202，在高声速材料衬底层上镀lgs低声速材料层，lgs低声速材料层的欧拉角为(0
°
,140
°
,22.5
°
)或(0
°
,140
°
,25
°
)；lgs层的厚度为0.1λ，可以采用pecvd、cvd、mocvd、mbe等方式进行。
66.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相应布拉格反射层的层数。当层数为两层以上时，可在结束步骤1202后返回步骤1201，以形成又一层布拉格反射层。
67.在步骤1203，在最上层的lgs低声速材料层之上形成单晶aln高声速材料压电层，其材料为有c轴取向的单晶aln，压电层厚度为0.5λ。
68.在步骤1204，在单晶aln高声速材料压电层上的形成idt电极。电极可以全部埋入也可以不埋入压电层，电极宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ。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，可以是选自0.4、0.5、0.6之一。
69.本发明的压电层采用c轴单晶aln，低声速层采用lgs，利用lgs的弱压电特性及二种特殊切向，可以获得高声速高频高q值低机电耦合系数且无杂散的窄带滤波器。
70.上述二种不同切向，即欧拉角分别为(0
°
,140
°
,22.5
°
)和(0
°
,140
°
,25
°
)的lgs，让本发明设计的滤波器具有高频下依然拥有低频率温度系数，频率漂移不明显等优点。
71.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。