可调薄膜体声波谐振器和滤波器的制造方法

文档序号:10660322
可调薄膜体声波谐振器和滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了可调薄膜体声波谐振器和滤波器,涉及到与半导体压电结构相关的结特性,通过调整施加的直流偏压进而改变具有受控掺杂浓度的半导体压电结构使谐振器的中心频率或带宽可调,以形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器。
【专利说明】
可调薄膜体声波谐振器和滤波器
技术领域
[0001] 本发明涉及薄膜体声波谐振器和滤波器,更具体地,是涉及可调谐并具有受控掺 杂水平的压电半导体谐振器和滤波器结构。
【背景技术】
[0002] 工作频率在射频(Radio Frequency,缩写为RF )范围的通信系统需要小型化、低 成本的带通滤波器和振荡器。这些带通滤波器和振荡器的作用是生成并选择发送或接收某 一频带宽度(BW)内的指定的频率信号,并拒绝频带宽度之外的频率信号。例如全球定位系 统(GPS),移动通信系统(GSM),个人通信服务(PCS),通用移动电信系统(UMTS),长期演进技 术(LTE),数据传送单元:蓝牙,无线局域网(WLAN)和卫星广播和未来的交通控制的通信。带 通滤波器也用在其它高频系统,如空间飞行器高速率数据的传输或采集。
[0003] 用于RF信号滤波的带通滤波器和振荡器通常使用以下技术制造:(a)基于电介质 谐振器的陶瓷滤波器或振荡器;(b)基于声表面波谐振器(Surface Acoustic Wave,缩写为 SAW)的滤波器或振荡器;和(c)基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator, 缩写为FBAR)的滤波器或振荡器。为了简单起见,下面的描述将集中于RF滤波器。振荡器的 原理与滤波器类似,本领域技术人员将很容易从滤波器原理推导到振荡器。
[0004] 在诸如手机的个人移动通信系统中,要求RF滤波器的功率处理能力大约为5W或更 低,这是不高的,但要求RF滤波器具有更小的物理尺寸和更低的制造成本。因此,手机的RF 滤波器通常由半导体微电子工艺制造,采取基于压电材料的SAW形式或FBAR形式。声波在压 电材料的传播速度W夬定了影响频带宽度的谐振频率、电极间距和耦合系数。
[0005] 图1A示出了典型的基于压电基片110S的SAW 100a的示意图。通过压电基片的逆压 电效应,将输入射频信号经输入叉指换能器(IDT1)120S转化为声能,激励起沿压电基片表 面传播的声表面波140S,其传播速度为V,再通过输出叉指换能器(IDT2)150S经压电效应将 声能转化为射频信号160S输出。SAW滤波器的中心频率f。主要取决于叉指电极的指条间距, 因此一旦SAW滤波器制造出来,其中心频率和频带宽度也固定了。由于有限的光刻技术限制 了最小的指条间距,使得SAW滤波器的工作频率相对较低,应用在接近或低于1G的频率。
[0006] 声波在压电材料的传播速度是用于设计声学滤波器重要参数。声波在几个压电基 片的传播速度如下:~4000米/秒-铌酸锂(LiNb0 3),~6300米/秒-氧化锌(ZnO),~10400 米/秒-氮化铝(A1N)和~7900米/秒-氮化镓(GaN)。例如,当基于铌酸锂压电材料的滤波器 的中心频率f〇=2GHz时,声波的波长为λ=(4000米/秒)/(2X10 9/秒)=2X10-4厘米。SAW的叉 指电极的指条间距则等于1微米。假设,相邻电极之间的电极和空间的宽度是相等的,则电 极宽度为0.5微米。如果想要制造的IDT工作在更高的频率,那么更先进的光刻工具和更严 格的处理控制是必要的。如果电极的宽度减少到低于0.5微米,与电极有关的不期望的串联 电阻会升高从而降低SAW滤波器的性能。因此,SAW滤波器如图1A常常限于应用在接近或低 于1G的频率。为了维持高频率的工作性能和降低制造成本,另一个滤波器结构已经被开发: 薄膜体声波谐振器(FBAR)。基于FBAR的声学滤波器能够工作的频率是从几百MHz到40GHz。 应该注意的是,在具有相同电学性能和相似1GHz工作频率,SAW滤波器占用空间大约是FBAR 滤波器的两倍。
[0007] MEMS的发展和高性能的压电材料的研制成功,为薄膜体声波谐振器(FBAR )的产 生创造了有利条件。FBAR是指利用薄膜形态的金属电极和压电材料产生体声波,并通过声 学谐振实现电学选频的器件。FBAR的谐振频率受压电层厚度影响,最高中心频率可达 40GHz。在FBAR器件的压电层中,实现了电能到机械能的转化,使电信号转化为声波的形式 在压电层中传导并形成驻波,当声波的频率和外加电压的频率相同(声波半波长为压电层 厚度奇数倍)时,即可产生谐振。由于压电薄膜的厚度通常远远小于单位时间内声波的传输 的距离,FBAR的谐振点通常在GHz频段,最高可达40GHz,可以很好的满足RF通讯系统的需 求。
[0008] 图1B示出了典型的薄膜体声谐振器FBAR剖面图100b,包括了具有基片厚度liot的 基片110,具有空气隙深度115t的空气隙115,具有下电极厚度140t的下电极140,压电层厚 度150t的压电层150,上电极的厚度160t的上电极160。空气隙115的目的是为了防止声波 185进入所述基片110,并把声波限制在压电层150内。谐振频率主要由压电层厚度150t决 定。通过空气隙115的隔离,声波被限制在压电层150内,这使声波进入基片的能量损失最 小。然而,由于空气隙(115)的出现,压电层150和金属电极(140,160)产生的热在基片中的 耗散也是有限的,因为没有其它的热传导路径。因此,包含了具有空气隙115的FBAR系统的 工作功率也不能太高,以防止由于压电层150的过度加热而导致的电路不稳定。为了提高压 电层的散热,FBAR的另一种结构被采用,并在RF滤波器使用。
[0009] 图1C示出了典型的固态装配型体声波谐振器(Solidly Mounted Bulk Ascoustic Resonator,缩写为SMBAR或SMR)的剖面图100c。该SMBAR制作在具有基片厚度1 lOt的基片 110上。它包括了一组具有薄膜反射堆叠厚度120Tt的薄膜反射堆叠层120,由交替出现的具 有低阻抗层厚度(120-1^)的低阻抗层(120-1^1,120-1^,120-1^3)和具有高阻抗层厚度(120-HT)的高阻抗层(120-H1,120-H2组成;具有下电极厚度140t的下电极140;具有压电层厚度 150t的压电层150;具有上电极厚度160t的上电极160。谐振频率f。由具有速度v的声波185 和压电层厚度150t决定。为了限制声波在压电层中,并尽量减少进入基片的能量损失,低阻 抗层厚度(120-LT)和高阻抗层厚度(120-HT)被选择为λ/4,这里λ是在各个层中的声波波 长。
[0010]由于在压电层150和基片110之间没有了空气隙115,在压电层150和金属电极 (140,160)产生的热在基片中的消散速率大于具有空气隙115的FBAR(lOOb),如图1Β。一旦 包含FBARs的滤波器被制造,其传输的中心频率f。和带宽BW是由所使用的几何形状和材料 确定。
[0011]用于通信的RF信号的频率和带宽已被确定并通过地区或国家分配。用于移动通信 有大约40个频带。其余频带为下一代通讯技术预留。表1给出了几种移动通信频带,由不同 地区或国家选择使用。每个频带有具有发射中心频率f。?和发射频带宽度(BWtr)的发射频带 (Tx Band),以及相关的具有接收中心频率foRE和接收带宽(BWre)的接收频带(Rx Band)。发 射频带和接收频带的分离偏差由发送中心频率和接收中心频率的差值定义:ff-f。?。
[0012] 表1移动手机和基站频带频率和带宽
图ID展示了无线通信系统中用于发射和接收的频率窄带图,示出了发射中心频率f。?, 发射带宽BWTR,接收中心频率f ORE,接收带宽BWRE。发射中心频率和接收中心频率之差f。?-foRE被选择为接近BWTR+BW RE以增加通信容量。由于有限的BWTR和BWRE中,BWTR和BW RE之间的间 隔通常是小,有时在两者之间的重叠显示。在实际的通信系统中,滤波器的接收频带能力由 图1D的曲线1(d)所示(发射频带具有类似特性曲线)。插入损耗应尽可能小,隔离度应尽可 能地大。
[0013] FBAR(图1C)类似于一个平行板电容器,如图中所示的简化图1E含有两个金属电极 (140,160 )和电极之间的压电层150。如前所述,FBAR的响应由材料特性尤其是压电层的材 料性质;两个电极;压电层和两个电极的物理尺寸(面积和厚度)来确定。
[0014] 图1F是FBAR的电学阻抗特性曲线,它存在串联谐振频率fs和并联谐振频率fp,串 联谐振时,其阻抗近似为〇,并联谐振时,其阻抗近似无穷大。这两个频率之间,所述FBAR表 现为电感。两个频率之外,则表现为电容C〇。
[0015] 由于每个RF滤波器仅具有一个固定的中心频率和一个带宽,不同的国家和地区大 约有40种频带或者频率范围用于无线通信领域。在不远的将来,将使用更多的从3GHz到 6GHz的频率范围。因此,一个真正的全球通移动手机将需要有80个滤波器。由于资源有限, 一些设计师设计的移动电话手机,可以覆盖5-10个频带所属地区或国家。即使有频带的这 个数目减少,目前所需的RF滤波器的数量仍然较大:从10到20个单位。因此,市场趋势是_. 减少的RF滤波器的尺寸和成本,通过具有可调的射频滤波器来减少工作频带中的相同 数量的滤波器,每个至少覆盖两个频带。如果这是成功的,在移动手机和其它许多微波和无 线系统的滤波器的数目可以大为减少。因此,开发这种RF滤波器有很有必要的,这能使移动 电话手机和微波系统可以能覆盖尽可能多的频带或者频率范围,尽可能使RF前端的尺寸和 功耗减小。
[0016] 随着无线通信技术的飞速发展,通信终端设备的普及,物联网和可穿戴设备的兴 起,现代通信设备体积越来越小,集成度越来越高,射频收发电路朝着集成化和小型化的方 向发展。
[0017] FBAR( Film bulk acoustic resonator,薄膜体声波谐振器)拥有工作频率高 (GHz范围)、品质因数高(1000以上)、器件尺寸小(微米级),且可集成的特点,近几十年来得 到了广泛的重视,并在无线通信领域得到了广泛的应用。在FBAR众多研究方向里,对其谐振 频率调谐特性的研究一直受到广泛关注,特别受到企业界的关注。现有的FBAR调谐技术或 多或少有不足。假设拥有这样一种可调谐FBAR,在其上施加直流偏压,可以实现几十到几百 MHz的谐振频率偏移量,则通过其制作的滤波器可以用在多种制式多种频带上,也可以用在 同一制式不同国家的不同频段上,这样就能真正实现手机的全球通。所以说,市场对FBAR 电调技术有着很大的需求。
[0018] 目前电调技术存在的不足: 浙江大学硕士论文《新型电调薄膜体声波谐振器FBAR研究》提出了一种在压电层和电 极之间引入了一层半导体薄层,形成了肖特基结,相当于在FBAR的等效电路中并联了一个 肖特基电容,实现了3MHz@15V的调谐范围,但该调谐范围太小,不具有实用性。

【发明内容】

[0019] 本发明的目的之一是提供一种具有金属-掺杂压电半导体-金属结构,即MDM结构 的RF谐振器,用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调整第一直流偏压使谐振器的中心 频率或带宽可调。
[0020] 本发明的目的之二是提供一种射频谐振器与金属-本征压电层-掺杂压电半导体-金属结构,即MIDM结构,用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调整第一直流偏压使谐振 器的中心频率或带宽可调。
[0021] 本发明的目的之三是提供一种射频谐振器,具有金属-掺杂压电半导体-本征压电 层-金属结构,即MD頂结构,用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调整第一直流偏压使 谐振器的中心频率或带宽可调。
[0022] 本发明的目的之四是提供一种射频谐振器,具有金属-掺杂压电半导体-本征压电 层-掺杂压电半导体-本征压电层 -掺杂压电半导体-金属结构,即MDIDIDM结构,用于形成振 荡器或微波声滤波器,并通过调整第一直流偏压使谐振器的中心频率或带宽可调。
[0023] 实现上述本发明目的一至目的四的技术方案如下所述: 一种用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波谐振 器TFBAR,其特征是包括了 -至少一个具有基片厚度的基片; -具有声波隔离区域厚度的声波隔离区; -具有底部支撑膜厚度的底部支撑膜; -具有下电极材料和下电极厚度的下电极; -至少一个具有第一压电层厚度的第一压电层,所述第一压电层是具有第一导电类型 和掺杂到第一掺杂浓度的压电半导体; -具有上电极材料和上电极厚度的上电极, 其中,所述第一压电层包含了具有第一压电层耗尽区厚度的第一压电层耗尽区和具有 第一压电层中立区厚度的第一压电层中立区,第一压电层耗尽区形成了第一压电活性层, 其厚度可通过施加在所述上、下电极之间的第一直流电压来控制和调整,以影响施加在上 电极和下电极之间的RF电信号与机械振动之间的相互作用,从而激励声波来达到控制、选 择和调整所述TFBAR的谐振频率的目的。
[0024] 其中所述声波隔离区是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成薄膜反射层堆 叠,每层厚度是四分之一波长λ/4,λ为声波在各反射层中的波长,以尽量减少声波进入基片 的能量损失。
[0025] 其中所述声波隔离区是具有声波隔离区厚度的空气隙,以尽量减少声波进入基片 所产生的能量损失。
[0026] 所述底部支撑膜的材料和底部支撑膜的厚度可被选择以实现温度补偿,从而减 少工作时谐振频率不必要的偏移。
[0027] 其中所述第一压电层的第一掺杂浓度的范围是1014cnf3到1022cnf 3,更优选的范围 为1013cnf3到102%f 3,以控制所述第一直流电压的灵敏度,因而控制所述第一压电层耗尽区 的厚度,因此控制了所述谐振频率的灵敏度。
[0028] 所述第一压电层的材料选自如下材料组:A1N,GaN,AlGaN,ZnO, GaAs,AlAs, AlGaAs〇
[0029] 所述基片的材料选自如下材料组:31,6&45^1叱412〇 3,玻璃,蓝宝石,只要具有足 够高的电阻率和热导率,以及平坦的表面。
[0030] 所述用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波 谐振器TFBAR,还包括未掺杂的具有第二压电层厚度的第二压电层,其位于所述下电极和所 述第一压电层之间,所述第二压电层和所述第一压电层耗尽区形成具有第一合并压电活性 层厚度的第一合并压电活性层,其中所述第一合并压电活性层厚度是由第一直流电压控制 和调整,从而实现TFBAR谐振频率的控制和调整。
[0031] 所述用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波 谐振器TFBAR,还包括未掺杂的具有第二压电层厚度的第二压电层,所述上电极和所述第一 压电层之间,所述第二压电层和所述第一压电层耗尽区形成具有第一合并压电活性层厚度 的第一合并压电活性层,其中所述第一合并压电活性层厚度是由第一直流电压控制和调 整,从而实现TFBAR谐振频率的控制和调整。
[0032] 所述用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波 谐振器TFBAR,还包括对所述第一压电层厚度和第一压电层中立区厚度的控制,以控制所述 第一压电层中立区所引起的负载效应,从而进一步通过第一直流电压来控制和调整所述谐 振频率。
[0033] 选择所述上电极材料,下电极材料,上电极厚度,下电极厚度,以控制和调整由于 下电极和上电极的存在而产生的负载效应。
[0034] 本发明的目的之五是提供一种射频谐振器,具有金属-掺杂压电半导体-本征压电 层-掺杂压电半导体-金属结构,即MDIDM结构,用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调 整第一直流偏压使谐振器的中心频率或带宽可调。
[0035] 本发明的目的之六是提供一种金属-掺杂压电半导体-掺杂压电半导体-金属结 构,即MDDM结构,用于RF谐振器在基片上用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调整第一 直流偏压使谐振器的中心频率或带宽可调。
[0036] 实现上述本发明目的五和目的六的技术方案如下所述: 一种用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波谐振 器TFBAR,其特征是包括了: -至少一个具有基片厚度的基片; -具有声波隔离区域厚度的声波隔离区; -具有底部支撑膜厚度的底部支撑膜; -具有下电极材料和下电极厚度的下电极; -至少一个具有第一压电层厚度的第一压电层,所述第一压电层是具有第一导电类型 和掺杂到第一掺杂浓度的压电半导体,所述第一压电层包含了具有第一压电耗尽区厚度的 第一压电层耗尽区,以及具有第一压电层中立区厚度的第一压电层中立区; -具有第三压电层厚度的第三压电层,所述第三压电层是具有第三导电类型和掺杂到 第三掺杂浓度的压电半导体,所述第三导电类型与所述第一导电类型相反,其中,所述第三 压电层包含了具有第三压电耗尽区厚度的第三压电层耗尽区和具有第三压电中立区厚度 的第三压电层中立区; -具有上电极材料和上电极的厚度的上电极, 所述第一压电层耗尽区和所述第三压电层耗尽区形成了具有第一合并压电活性层厚 度的第一合并压电活性层,所述第一合并压电活性层厚度可通过施加在所述上、下电极之 间的第一直流电压来控制和调整,以影响施加在上电极和下电极之间的RF电信号与机械振 动之间的相互作用,从而激励声波来达到控制、选择和调整所述TFBAR的谐振频率的目的。
[0037] 所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声 波谐振器TFBAR,还包括本征和非导电的具有第二压电层厚度的第二压电层,其夹在所述第 一压电层和第三压电层之间;所述第一压电层耗尽区,所述第二压电层和所述第三压电层 耗尽区形成一个具有第一合并压电活性层厚度的第一合并压电活性层,所述第一合并压电 活性层厚度被施加在上电极和下电极之间的第一直流电压所控制,以实现TFBAR的谐振频 率的控制和调节。
[0038] 其中所述声波隔离区是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成薄膜反射层堆 叠,每层厚度是四分之一波长,即λ/4,λ为声波在各反射层中的波长,以尽量减少声波进入 基片的能量损失。
[0039] 其中所述声波隔离区是具有声波隔离区厚度的空气隙,以尽量减少声波进入基片 产生的能量损耗。
[0040] 其中所述第一压电层的第一掺杂浓度优选范围是1014cnf3到1022cnf 3,更优选范围 是1013cm-3到102Qcm- 3,其中所述第三压电层的第三掺杂浓度优选范围是1014cm-3到1022cm 一3,更优选范围是l〇13cnf3到102%πΓ 3,以控制和调节所述第一直流电压的灵敏度来控制和调 节第一压电层耗尽区厚度和第三压电层耗尽区厚度,因此可以控制和调节所述TFBAR谐振 频率的灵敏度。
[0041] 选择所述底部支撑膜的材料和底部支撑膜的厚度来实现温度补偿,以在工作时 减少不期望的谐振频率偏移。
[0042] 所述第一压电层和所述第三压电层的材料选择自材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO, GaAs,AlAs,AlGaAs 〇
[0043] 所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声 波谐振器TFBAR,所述第二压电层的材料选择自材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs, AlGaAs,LiNb03,LiTa03,PZT,BaTi03,石英和KnbO,只要它们是有足够高的声电耦合系数的 压电材料。
[0044] 所述基片的材料选自材料组:Si,GaAs,玻璃,蓝宝石,A1N,Al2〇3,只要它们具有足 够高的电阻率和热导率,以及平坦的表面。
[0045] 所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声 波谐振器TFBAR,由于所述下电极和上电极的存在,所述上电极的材料,下电极的材料,上电 极的厚度,下电极的厚度可以被选择和控制以调整负载效应。
[0046] 所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声 波谐振器TFBAR,还包括了具有第二压电层厚度的第二压电层、具有第四压电层厚度的第四 压电层、具有第五压电层厚度的第五压电层;所述第二压电层和第五压电层是本征的和不 导电的,而所述第四压电层掺杂到第四掺杂浓度并与第四压电层接点相连;所述第二压电 层相邻的是所述第一压电层,所述第五压电层相邻的是所述第三压电层,所述第四压电层 被夹在所述第二压电层和所述第五压电层间;所述第一压电层耗尽区和所述第二压电层形 成第一合并压电活性层;所述第三压电层耗尽区和所述第五压电层形成的第二合并压电活 性层;第一直流电压被施加在所述下电极和第四压电层接点之间以控制所述第一合并压电 活性层的厚度,第二直流电压被施加在上电极和第四压电层接点之间以控制所述第二合并 压电活性层的厚度,因此实现了 TFBAR的谐振频率的控制和调节。
[0047] 本发明的目的之七是提供一种可调滤波器,具有多个可调串联谐振器,多个可调 并联谐振器,多个耦合电容器,多个隔离电感器,通过第一直流电压源来控制和选择谐振器 的谐振频率,并控制微波传输的中心频率的可调滤波器。
[0048] 发明的目的之八是提供一种可调滤波器,具有多个可调串联谐振器,多个可调并 联谐振器,多个耦合电容器,多个隔离电感器,通过第一直流电压源和第二直流电压源来控 制和选择所述谐振器和调谐谐振频率,并控制微波传输的中心频率的可调滤波器。
[0049] 实现上述本发明目的七和目的八的技术方案如下所述: 一种可调的微波薄膜体声波滤波器,其特征是包括了: 至少一个第一串联可调谐振器; 至少一个第二并联可调谐振器,各对在第一接点连接; 至少一个第一耦合电容和至少一个第二耦合电容,用于阻断直流电压; 至少一个第一隔离电感器,用于阻止RF信号; 至少一个具有电压值V1S的第一直流电压源VDC1,施加在所述第一隔离电感器和整个组 合的所述第一串联谐振器和第二并联谐振器上,以建立所述第一串联谐振器和第二并联谐 振器的偏压,从而控制和调整谐振中心频率以及施加到第一射频输入接点的RF信号的传 输,从而使在所述谐振中心频率及附近的微波信号被允许传播通过第一谐振器,以达到RF 输出接点,使得通过所述第一直流电压源的电压可以选择和控制所述可调微波体声波滤波 器的微波传输的中心频率。
[0050] 所述的可调的微波薄膜体声波滤波器,其特征是还包括: 至少一个第二隔离电感器,以隔离RF信号; 第二直流电压源,以连接所述第二隔离电感器, 所述第一直流电压VDC1和所述第二直流电压VDC2被调节,使所述薄膜体声波滤波器传输 微波的中心频率被选择和控制到一个期望值。
【附图说明】
[0051] 图1A:现有技术的在压电基片上的声表面波(SAW)滤波器100a。
[0052] 图1B:现有技术的薄膜体声波谐振器(FBAR)lOOb截面图,具有空气隙,上电极,下 电极,压电层。谐振频率主要由压电层厚度和声波速度来确定。
[0053]图1C:现有技术的声波谐振器(SMBAR)lOOc截面图。具有薄膜反射堆叠,上电极,下 电极,压电层。谐振频率是压电层厚度和声波速度来确定。
[0054]图1D:用于无线通信发送和接收微波的窄传输频带图。在实际通信系统中,每个发 送窄频带时使用具有曲线1(d)所示特性的滤波器来实现。
[0055] 图1E:FBAR类似于具有两个金属电极之间的压电层的平行板电容器,FBAR的响应 由压电层的材料特性和物理尺寸决定。
[0056] 图IF:FBAR的无损输入阻抗与频率关系的示意图,示出在两个谐振频率:fP和fs。
[0057] 图2A:具有MDM结构的TFBAR(200a)的示意剖面图,在第一中心频率f。!实现谐振,该 频率是由直流偏压V DC1调谐得到。
[0058] 图2B:具有MDIM结构的TFBAR(200b)的示意剖面图,在第一中心频率fca实现谐振, 该频率是由直流偏压VDC1调谐得到。
[0059] 图2C:具有MD頂结构TFBAR(200b)在不同直流偏压V'DC1作用下的示意剖面图,以展 示所述第一直流电压的效果。
[0060] 图2D:压电半导体基片的导电率σ与变量Δv/v。的关系图。基片导电性的声波速度 ν (〇 )的变化是由偏置直流电压控制。
[0061] 图2Ε示出声波衰减与压电半导体的导电率的变化关系。在低导电区、高导电区域 衰减小,在过渡区域衰减大。
[0062]图2F示出了具有多个TFBARs(200a或200b)形成的可调微波滤波器的传输特性,当 第一直流电压从VDC1改为V ' DQ时,微波传输的中心频率从f ca偏移至f。2。
[0063] 图3A示出了具有可调的微波滤波器的直流偏压(曲线3A)与中心谐振频率f。的关 系,没有考虑第一压电层中立区厚度和声波速度的差异变化导致的的负载效应变化。因此 df〇(VDC)/ dVDC为正。
[0064] 图3B示出可调微波滤波器的谐振频率与直流偏压的变化,仅考虑声波速度在中立 区和耗尽区以及负载变化的差异效应,谐振频率与直流偏压关系与图3A是相反的。因此 df0(VDC)/ cIVdc 为负。
[0065] 图3C:可调微波滤波器的谐振中心频率与直流偏压变化关系的示意图。曲线3C是 综合考虑了直流偏压(曲线3A)导致的压电活性层厚度降低效应,中等的声波速度差异影 响,以及通过曲线3B-1表示的弱负载效应而得到。
[0066]图3D:可调微波滤波器的谐振中心频率与直流偏压变化关系的示意图。曲线3D是 综合考虑了直流偏压(曲线3A)导致的压电活性层厚度增加效应,大的声波速度差异影响, 以及通过曲线3B-2表示的强负载效应而得到。
[0067] 图4A是表示一个具有MIDM结构的TFBAR(400a)示意性横截面图,在第一中心频率 fed实现谐振,该频率是由直流偏压VDQ调谐得到。
[0068] 图4B是表示一个具有MDIDM结构的TFBAR(400b)示意性横截面图,在第一中心频率 fed实现谐振,该频率是由直流偏压VDQ调谐得到。
[0069] 图4C是表示一个具有MDDM结构的TFBAR(400c)示意性横截面图,在第一中心频率 fed实现谐振,该频率是由直流偏压VDQ调谐得到。
[0070] 图4D是表示一个具有MDIDIDM结构的TFBAR(400d)示意性横截面图,在第一中心频 率fed实现谐振,该频率是由直流偏压VDQ调谐得到。
[0071] 图4E示出在整个具有MDIDM结构的TFBAR中,电场ξ(χ)随距离X的变化而变化的示 意图,其中在第一和第三压电层的掺杂水平(DjPD 3)是高的。当具有VDCla%压值的直流电 压施加时电场分布由实线表不。当具有VDClb电压值的直流电压施加时的电场分布由虚线表 示,其中在所述第一合并压电活性层厚度的总增加量a w= △ WL+ Δ Wr。
[0072] 图4F示出了在整个具有MDIDM结构的TFBAR中,电场ξ(χ)随距离x的变化而变化的 示意图,其中第一和第三压电层(Di'和D 2')的掺杂水平是低的。当具有VDClai压值的直流电 压施加时电场分布由实线表不。当具有VDClb电压值的直流电压施加时的电场分布由虚线 表示,其中在所述第一合并压电活性层厚度的总增加量aw' = aw'l+aw'r。
[0073] 图4G是一个改进的MBVD模型,用于描述理想的FBAR等效电路。
[0074]图4H是本发明TFBAR的等效电路。通过第一直流偏压VDC对其中的静态电容Co,动 态元件Lm,Cm和Rm实现调谐和调节。
[0075]图5A示出了通过连接根据本发明的TFBAR谐振器(340,350)形成一个可调的微波 滤波器电路(500a)的一个不意图。
[0076]图5B示出了通过连接根据本发明的2个TFBAR谐振器(340,350)形成一个可调的微 波滤波器电路(500b)的示意图。
[0077]图5C示出了根据本发明一个3.5级阶梯可调微波声滤波器(500c)的示意图。
[0078]图f5D示出根据本发明的一个3.5级可调阶梯微波声滤波器(500d)的示意图。
[0079]附图标记说明 110S压电基片 120S IDT1叉指换能器1 130S电源 140S声波 150S IDT2叉指换能器2 160S输出 图1B l〇〇b薄膜体声波谐振器FBAR 110压电基片110t压电基片厚度 115空气隙115t空气隙深度 140下电极140t下电极厚度 150压电层150t压电层厚度 160上电极160t上电极厚度 图1C 100c固态装配型体声波谐振器SMBAR或者SMR 120薄膜反射堆叠 120-L1, 120-L2, 120-L3低电阻层120-Lt低电阻层厚度 120-H1,120-H2高电阻层,120-Ht高电阻层厚度 185声波 图1E 140下电极 150压电层150t压电层厚度 160上电极 图2A 200a TFBAR 基片210,基片厚度210t 隔离区215,隔离区厚度215t 支撑膜230,支撑膜厚度230t 下电极240,下电极厚度240t,下电极触点240C 第一压电层250,第一压电层厚度250t,第一压电层掺杂边缘250B, 第一压电层耗尽区2501,第一压电层耗尽区厚度250It,第一压电层中立区厚度250Nt, 第一压电层中立区250N 上电极290,上电极厚度290t,上电极触点290C 图2B 第一合并压电层厚度250Tt,第一合并压电活性层厚度250T't, 第二压电层255,第二压电层厚度255t 图4A 400a 基片210,基片厚度210t 隔离区215,隔离区厚度215t 支撑膜230,支撑膜厚度230t 下电极240,下电极厚度240t,240C 第一压电层250,第一压电层厚度250t,第一压电层掺杂边缘250B, 第一压电层耗尽区2501,第一压电层耗尽区厚度250It,第一压电层中立区厚度250Nt, 第一压电层中立区250N 第一合并压电层厚度250Tt,第一合并压电活性层厚度250T't, 第二压电层255,第二压电层厚度255t 上电极290,上电极厚度290t,上电极触点290C 400b 第三压电层270,第三压电层中立区270N,第三压电层中立区厚度270Nt,第三压电层掺 杂区2701,第三压电层掺杂区厚度270It 400d 第四压电层260,第四压电层厚度260t 第五压电层275,第五压电层厚度275t,第二合并压电层270TTt, 图5A 310第一RF输入触点 320 RF输出触点 330公共接地点 340第一串联谐振器 340C第一耦合电容器 340L第一隔离电感器 340ST第一电源点350ST第二电源点 350第二并联谐振器 350T第一触点 350C第二耦合电容器 360 RF信号 图? 分级阶梯滤波器(500D)包括: 第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3 ); 第二并联谐振器(350-1,350-2,350-3,350-4); 用于阻断直流电压的第一耦合电容(340-0(:,340-1(:,340-2(:,340-3〇和第二耦合电容 器(350-4C); 用于RF信号隔离的第一隔离电感(340-11^,340-21^,340-31〇和第二隔离电感(350-11^, 350-2L,350-3L,350-4L); 具有电压值VlS,V2S,V3S的第一直流电压源Vdci, 具有电压值^,\^,\^,^^的第二直流电压源^^2。
【具体实施方式】
[0080] 这里将对影响本发明压电固体声学特性的几种材料与器件效应进行说明。这些效 应被有利地用于本发明,通过改变直流偏压的方式提供了具有可调谐振特性和频率的谐振 器和滤波器。另外,术语"直流电压"与术语"直流偏压"本质上是一回事,只是基于不同的表 达习惯而被应用在不同的描述中。
[0081] 活性压电层厚度效应: 由于传统的薄膜体声波谐振器(FBAR)没有调谐能力,谐振频率由材料特性来确定。当 电极的负载效应和厚度影响被忽略时,谐振频率f。由声波在压电层的传播速度v和压电层 的厚度t决定,艮P : f 〇=v/(2t) 〇在论文 "Design of Computer Experiments : a powerful tool for the numerical design of BAff fi1ters"(2008 IEEE International Ultrasonic Symposium Proceedings,p · 2185-p · 2188) "计算机实验设计:一个强大的工 具,可用于BAW滤波器的数值设计"(2008年IEEE国际研讨会超声波论文集,2185 -2188页) 中,莱因哈特等人提出了 Mo/AIN/Mo压电叠堆的谐振频率与A1N压电层厚度的变化关系。压 电叠堆的41~厚度为1以111,谐振频率1为2.2 6他。当41_勺厚度从1以111增加至2以111,压电叠堆 的谐振频率则从2.2 GHz线性地减小到1.61 GHz。值得注意的是,上述的结果来自单独制造 的具有不同A1N厚度的FBARs,以便获得不同的谐振频率。
[0082] 根据本发明,薄膜体声波谐振器(FBAR)或固态装配型声波谐振器(SMRs或SMBARs) 的谐振特性可以被调谐的,其原理是通过改变施加的直流电压,进而改变了具有受控掺杂 浓度(Nd)的半导体压电层耗尽区的厚度。根据本实施方式,中立区和耗尽区在掺杂的半导 体压电层中形成。压电层的中立区是导电的,电导近似正比于Nd,而压电层的耗尽区本征的 和电绝缘的,因其具有低的自由载流子密度。压电层耗尽区的厚度通过改变直流电压来调 节,耗尽区构成整个或部分压电活性层,以允许RF信号与声波信号之间发生相互作用。由于 RF信号与声波信号之间的相互作用主要发生在压电活性层,它们受压电活性层厚度的影 响。因此,根据本发明,基于所述半导体压电层的FBARs和SMRS或SMBARs)和任何滤波器,开 关或其它装置谐振特性和频率可以通过改变直流电压的大小被调谐和调整。
[0083]电极负载效应: 对于传统的FBAR,谐振频率也受加载到上电极的附加材料影响。当某材料的规定量加 入到上电极,所述附加材料的质量引起了负载效应,并导致从没有附加材料的原始谐振频 率f。的降低或改变了谐振频率A f,因负载效应导致了FBAR谐振频率△ f的改变这一现象已 被用于监测如添加到上电极的蛋白质材料的质量变化。见论文"A 1 N-bas ed BAW resonators with CNT electrodes for gravimetric biosensing''(2011 Sensors and Actuators B,volume 160,p. 1386-p. 1393),"基于AIN的BAW谐振器与CNT电极对重力生物 传感"(2011年传感器和执行器杂志B,V. 160,第1386-1393页)。应当指出,引起传统FBARs的 谐振频率的变化的负载效应是由于将不同质量的物理材料添加到FBARs的上电极。添加到 下电极也可能出现的谐振频率改变的负载效应,但未见报道。
[0084]根据本发明的另一实施方案中,当FBARs,SMRs,SMBARs谐振特性通过施加在电极 上直流电压而被调谐时,压电层中形成了耗尽区和中立区。耗尽区厚度由掺杂水平和直流 电压来确定,而中立区的厚度是由半导体压电层总厚度、掺杂水平和直流电压值所确定。耗 尽区是本征的和电绝缘的,自由载流子密度很低,且构成活性压电层,它是确定FBARs, SMRs,SMBARs的谐振频率的第一贡献。当所述偏压直流电压的变化引起了中立区厚度的变 化,电极,特别是上电极会有关联的负载效应。这将是影响谐振频率的第二贡献。因此, FBARs,SMRs,SMBARs和滤波器,开关和根据本发明的其它微波器件(微波声学滤波器或滤波 器)的谐振频率可通过改变直流电压来调谐。为了简化说明,术语FBAR将用于还表示在本发 明的后续描述的SMR和SMBARs。
[0085] 基片导电性对声波传播速度的影响: 涉及本发明的另一个影响是基片的导电性。基片的导电性对声波速度的影响已报道在 "Anomalous increase of SAW velocity due to conducting film on piezoelectric structure^by B.D.Zaitsev et al(2000 IEEE Ultrasonics Symposium p.449-p.452) "因具有压电结构的导电薄膜而异常增加的SAW速度》一文(2000年的IEEE超声波研讨会 P449-452)。文中表明,声波在压电基片的传播速度受一个放在附近的半导体薄膜的导电性 影响。用于具有低导电性的半导体层时,声波速度保持不变,并在半导体层的影响是最小 的。对于具有适中导电性的半导体层时,声波速度减小到一个新值。当具有高导电性的半导 体层被置于邻近所述压电基片,所述声波速度下降到一个较低的恒定值。
[0086] 在本发明中,半导体压电层被采用形成谐振器及微波滤波器。因此,如果半导体层 的导电性变化,声学谐振器或滤波器的谐振中心频率也将发生变化。值得注意的是,频率的 变化可以从1%到超过25%,这取决于压电层的材料。应该指出,正如上面文献引用导电性的 变化发生在压电层相邻的半导体薄膜层。因此耦合效应不太强,可以通过更换一个新的半 导体薄层而获得的导电性的变化。在本发明中,半导体压电层作为压电活性层和非活性导 电层,以实现声波速度的减少。
[0087]根据本发明的另一个实施例,当FBARs的谐振特性被调谐是通过施加和改变直流 电压来改变具有受控掺杂的半导体压电层的耗尽区厚度时,相关的中立区的厚度也会变 化。由于声波在电绝缘的耗尽区的传播速度高,在导电的中立区的传播速度低,因此耗尽 区形成了部分压电活性层,而中立区形成了部分负载。因此通过直流偏压控制压电耗尽区 的厚度和压电中立区的厚度,使声波在包含压电耗尽区和压电中立区的合并压电区的平均 传播速度得到调整。最终,包含了半导体压电层的FBARs的谐振频率被进一步调谐和调整。 [0088]从上面的说明中,本发明的可调中心频率的FBAR结构涉及到与半导体压电结构相 关的结特性(junction properties)。在压电谐振器,振荡器或滤波器中,由于压电效应,压 电活性层中电能和机械能发生交换,由于电压的施加,压电活性层建立了强电场。在构成结 器件的半导体压电材料,它可以是一个P-N结,P-I-N结,M-I-N结,或M-I-P结。P是p-型掺杂 压电半导体材料,N是η型掺杂的压电半导体材料,I是本征的未掺杂的压电半导体材料,Μ是 金属。当施加电压时,电场主要产生在未掺杂的I层,η型和/或ρ型掺杂的压电材料的耗尽 区。在η型掺杂或ρ型掺杂压电半导体的耗尽区,由于电荷载流子复合,电阻率是非常大的, 并可能会超过1〇 6欧姆-厘米。而在中立区,电阻率低,可能是在1〇_4欧姆-厘米至1〇2欧姆-厘 米范围,取决于杂质的掺杂浓度。
[0089] 由于低电阻或高导电性,中立区表现为金属。它们与具有较高的电阻率值的耗尽 区串联连接。当一个电压施加在半导体压电材料的耗尽区和中立区,中立区的电场百分比 是很小的,而在耗尽区电场百分比是非常大的。因此,根据本发明,当FBAR或滤波器采用ρ型 掺杂或η型掺杂的半导体压电材料时,施加的电能和所产生的机械能或声波之间的相互作 用将发生在耗尽区,而不是在中立区。本发明提供的可调FBARs有利地通过一个偏压直流电 压施加在采用P型或η型掺杂半导体压电材料上来实现频率调谐和调整。
[0090] 可调ΜΛΜ2或MDM谐振器和微波滤波器: 本发明的一些实施例将使用特定的可调谐振器结构进行说明。可调薄膜体声波谐振器 (TFBAR)具有iWhMs或MDM结构用于形成用于微波通信的可调微波声学滤波器。除了微波声 学滤波器,例如MDM TFBARs也适合于微波声学开关等微波器件。
[0091] 图2A示出了根据本发明的的结构的可调薄膜体声谐振器TFBAR(200a)的示 意性剖面图。这里,Mi是第一金属,DiSp型掺杂或η型掺杂的第一压电半导体,112是第二金 属。所述TFBAR(200a)包括具有基片厚度210t的基片210;声波隔离区厚度215t的声波隔离 区215 ;具有底部支撑膜厚度230t和底部支撑膜材料的底部支撑膜230 ;具有下电极厚度 240t和下电极材料的下电极240(M2);具有第一压电层厚度250t的第一压电层250(00;和具 有上电极材料和上电极厚度290t的上电极290(10。
[0092] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si (硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3(氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。
[0093]其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射 层堆叠,各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。
[0094]同时,声波隔离区215也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。
[0095]声波隔离区的作用是尽量减少声波进入基片所产生的能量损失。
[0096]所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜230的 材料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现 所述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率^勺不必要 的偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图2A中示出)可以被采用,以进一步稳定 TFBAR的谐振频率(200a)。
[0097]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极240材料和上电极290材料选自以下材料组:钨 (¥),铂(?0,钼(1〇),铝(41),钽(了 &),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它 们的组合。 所述第一压电层250(00是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导体,优 选为η型半导体。所述第一压电层250包含了具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电 层耗尽区2501和具有第一压电层中立区厚度250Nt的第一压电层中立区250N,这两个区域 由第一压电耗尽区边缘250B分割(图中由虚线示出)。第一压电层耗尽区2501是本征的和电 绝缘的。第一压电耗尽区边缘250B的位置是由施加到下电极240(通过下电极接点240C)和 上电极290(通过上电极接点290C)之间的具有第一电压值的第一直流电压V DC1所控制。
[0098] 第一直流电压Vdci成为所述第一压电层250的偏压,并使第一压电层耗尽区厚度 250It和第一压电层中立区厚度250Nt得到控制,从而控制了 TFBAR(200a)的谐振频率,因而 能促使加到上电极290的第一 RF信号RF1的传输或阻断。
[0099] 第一直流电压VDC1的电压值可增加或减少,以产生一个新的谐振频率 能是同一频带的发送频率或接收频率,或其他频带的发送频率或接收频率。
[0100] 应该提到的是,第一压电层耗尽区2501的形成与第一压电中立区250N的相似,如 Si和GaAs半导体微电子芯片用的原理和理论已在各种文本书籍和文献被描述,在此将不再 重复。在压电半导体的耗尽区,电荷载流子密度小,低于10 1<3Cnf3的,所以导电率非常低,耗 尽区表现为绝缘体,而在中立区中的载流子密度大和通常的范围为l〇 14cnf3至1021cnf3的这 样的导电率大,中立区表现为导体。
[0101] 所述第一压电层250的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压(VDC1)控制第一压电层耗 尽区厚度250It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。在TFBAR(200a)中,所述第一压电 层耗尽区2501形成了第一压电活性层。当具有第一频率fca的第一 RF信号RF1加到上电极290 时,第一压电层耗尽区2501和第一压电中立区250N可以实现TFBAR(200a)在第一频率匕!的 谐振。
[0102] 第一压电层厚度250t的选择范围为50纳米到20微米,这取决于在所述第一压电层 250中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。对于给定的工作频率,所述第一压电层 厚度250t被选择,以致于当施加最大的第一直流电压V DC1时,能获得最大的第一压电层耗尽 区厚度250It和最小的第一压电层中立区厚度250Nt,最好接近为零,使得声波进入第一压 电层中立区造成的能量损失最小。
[0103] 第一压电层250的材料选自以下化合物材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs, AlGaAs,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且可以被掺杂为p型和/或η型半 导体。
[0104] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(200a)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第一 RF信号RF1以具有 第一带宽BW1的第一频率fca传输,这可能是一个为给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于LjPBWl以外其它RF信号不允许通过。
[0105] 因此,根据本发明,具有施0通2或MDM结构的TFBAR(200a)的谐振特性是可通过改变 第一直流电压Vdq来调谐。当第一直流偏压Vdq改变,所述第一压电层耗尽区厚度25011和第 一压电层中立区厚度250Nt将发生变化。在第一压电层耗尽区厚度250It的变化改变了第一 压电活性层(在200a中即是第一压电层耗尽区2501)2501,并在谐振频率中产生了第一变化 分量。另一方面,在第一压电层中立区厚度250Nt的变化,改变负载效应和速度效应,并在谐 振频率中产生了第二变化分量。因此,在具有MDM的TFBAR(200a)的谐振频率和性能因第一 直流电压Vdq的变化而变化。
[0106] 通过改变第一直流电压VDC1从而改变所述第一压电层耗尽区厚度250It来控制具 有MDM结构的TFBAR( 200a)的谐振频率将用于本发明。在应用中,多个具有MDM结构的TFBARs (200a)的连接成梯形滤波器或网格滤波器,且具有窄带通特性,以允许射频信号以频率fQl 传输,多个第一直流电压值:Vdci-1,Vdci-2,---Vdci-N,可被应用于一次一个,以产生多个 谐振频率fca-Ufca-2,一一fca-N用于发射频率或接收频率。第一压电层耗尽区的形成是由 于多数载流子的疏散(evacuation),因此可以快速的从一个谐振频率切换到另一个频率, 仅由TFBAR的RC时间常数所限制。
[0107] 可调MiDihife或MDIM谐振器和滤波器: 本发明的目的之三是提供一种射频谐振器,具有金属-掺杂压电半导体-本征压电层-金属结构,即MD頂结构,用于形成振荡器或微波声滤波器,并通过调整第一直流偏压使谐振 器的中心频率或带宽可调。
[0108] 根据一个本发明另一个实施例,一个可调或MDIM结构的薄膜体声波谐振 器TFBAR,用于微波通信单元的,形成可调微波声学滤波器。除了微波声学滤波器,例如MDIM TFBARs也适合于微波声学开关等微波器件。
[0109] 如图2B所示,一个有或MD頂结构的可调薄膜体声谐振器TFBAR(200b)的示 意性横截面图。
[0110] 这里,Mi是第一金属,DiSp型掺杂或η型掺杂的第一压电半导体,h是未掺杂的第 二压电层,M2是第二金属。所述TFBAR(200b)包括具有基片厚度210t的基片210;声波隔离区 厚度215t的声波隔离区215;具有底部支撑膜厚度230t和底部支撑膜材料的底部支撑膜 230;具有下电极厚度240t和下电极材料的下电极240(M 2);未掺杂的具有第二压电层厚度 255t的第二压电层255(1!),且与下电极240接触;部分导电的具有第一压电层厚度250t的 第一压电层250(0!);具有上电极材料和上电极厚度290t的上电极290(M 2),第一压电层250 和第二压电层255形成了具有第一合并压电层厚度250Tt的第一合并压电层(255 + 250)。 所述TFBAR( 200b),形成了MiDiI通2或MDIM结构的RF谐振器。
[0111] 该MDIM结构的TFBAR(200b)与MDM结构的TFBAR(200a)的不同之处增加的第二压电 层255是未掺杂的本征半导体,而且是电绝缘的。
[0112] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si (硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3(氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。
[0113] 其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射 层堆叠,各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。
[0114] 同时,声波隔离区215也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。
[0115] 声波隔离区的作用是尽量减少声波进入基片所产生的能量损失。
[0116] 所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜230的 材料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si 3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现 所述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率^勺不必要 的偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图2B中示出)可以被采用,以进一步稳定 TFBAR的谐振频率(200b)。
[0117]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极240材料和上电极290材料选自以下材料组:钨 (¥),铂(?0,钼(1〇),铝(41),钽(了 &),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它 们的组合。 所述第一压电层250(00是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导体,优 选为η型半导体。第二压电层255是未掺杂的本征半导体,而且是电绝缘的。所述第一压电层 250包含了具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电层耗尽区2501和具有第一压电中 立区厚度250Nt的第一压电中立区250N,这两个区域由第一压电耗尽区边缘250B分割(图中 由虚线示出)。第一压电层耗尽区2501是本征的和电绝缘的。第一压电耗尽区边缘250B的位 置是由施加到下电极240(通过下电极接点240C)和上电极290(通过上电极接点290C)之间 的具有第一电压值的第一直流电压V DC1所控制。
[0118]第一压电层耗尽区2501和第二压电层255形成了具有第一合并压电活性层厚度 250T't的第一合并压电活性层(255+2501),当具有第一频率匕:的第一射频信号RF1加到上 电极290时,以实现TFBAR(200b)在第一频率匕:或者其它频率的谐振。
[0119]施加到上、下电极间的第一直流电压Vdci成为所述第一合并压电层(250+255)的偏 压,并使第一压电层耗尽区厚度250It和第一压电层中立区厚度250Nt得到控制,从而控制 了第一合并压电活性层厚度250T't,因此TFBAR(200b)的谐振频率也得到了控制,因而能促 使加到上电极290的第一射频信号RF1的传输或阻断。
[0120]所述第一压电层250的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压(VDC1)控制第一压电层耗 尽区厚度250It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。
[0121]第一压电层厚度250t的选择范围为50纳米到20微米,这取决于在所述第一压电层 250中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。第二压电层厚度255t的选择范围为50 纳米到20微米,这取决于在所述第二压电层255中声波速度和应用中所需的谐振的第一频 率fca,和其它多个需要的谐振频率。对于给定的工作频率,所述第一压电层厚度250t被选 择,以致于当施加最大的第一直流电压V DC1时,能获得最大的第一压电层耗尽区厚度250It 和最小的第一压电层中立区厚度250Nt,最好接近为零,使得声波进入第一压电层中立区造 成的能量损失最小。
[0122] 第一压电层250的材料选自以下化合物材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs, AlGaAs,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且可以被掺杂为p型和/或η型半 导体。第二压电层255的材料选自以下材料组:AIN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs, LiNb03,LiTa03,PZT,BaTi03,Knb0和石英,只要它们是有足够高的声-电耦合系数的压电材 料,同时需与第一压电层250兼容。 因此,根据本发明,MDIM的谐振特性是可通过改变第一直流偏压VDC1实现调谐。当第一 直流偏压发生变化,所述第一压电层耗尽区厚度250It和第一压电层中立区厚度250Nt将发 生变化。在第一压电层耗尽区厚度250It的变化改变了第一合并压电活性层厚度(255t+ 250It)或250T't,在谐振频率中产生第一变化分量。另一方面,在第一压电层中立区厚度 250Nt的变化改变了负载效应和速度效应,并在谐振频率中产生了第二变化分量。因此,具 有MD頂结构的TFBAR的谐振频率和性能因第一直流偏压Vdq的变化而变化。
[0123]第一直流电压VDC1的电压值可增加或减少,以产生一个新的谐振频率 能是同一频带的发送频率或接收频率,或其他频带的发送频率或接收频率。
[0?24] 因此,很明显该多个第一直流电压为:Vdci-1,Vdci-2,---Vdci -N,可被依次分另lj施 加,以产生多个谐振频率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一个或者多个频带的发射频率或接收 频率。第一压电层耗尽区的形成是由于多数载流子的疏散(evacuation),因此可以快速的 从一个谐振频率切换到另一个频率,仅由TFBAR的RC时间常数所限制。可调MDIM TFBAR可使 用在微波应用中的可调滤波器和振荡器。
[0125] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(200b)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第一射频信号RF1以具 有第一带宽BW1的第一频率fca传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于fca和频带BW1以外其它RF信号不允许通过。
[0126] 通过改变第一直流偏压使第一压电层耗尽区厚度250It和相关的第一压电层中立 区厚度250Nt发生改变,因此使MD頂结构的TFBAR的谐振频率得到控制。
[0127] 为了解释第一直流电压的影响,图2C示出了新的偏置直流电压V'DC1施加在图2B中 的TFBAR(200b)时,TFBAR(200b')示意剖面图。
[0128] 当施加在上电极290和下电极240之间的第一直流电压V'DC1比图2B中的第一电压 值 Vdci具有更多的正值。使第一合并压电层(255+250)偏置,改变所述第一压电层耗尽区厚 度为新的值250I't和第一压电层中立区厚度为新的值250N't,两者边界由新的第一压电耗 尽区边缘250B'。新的第一压电层耗尽区250Γ和第二压电层255形成一个新的第一合并压 电活性层(255+250Γ),具有第一合并压电活性层厚度250T''t。第一合并压电活性层厚度 250T ' ' t的变化导致了TFBAR(200b ')的谐振频率变化到了第二频率f。2,以促进被施加到上 电极290第二射频信号RF2的传输或阻断。
[0129] 因此,根据本发明,MD頂结构TFBAR的谐振特性是可通过改变第一直流偏压V'DC1实 现调谐。当第一直流偏压发生变化,所述第一压电层耗尽区厚度2501't和第一压电层中立 区厚度250N' t将发生变化。在第一压电层耗尽区厚度2501' t的变化改变了第一合并压电活 性层厚度(255t+250I't)或250T''t,在谐振频率中产生第一变化分量。另一方面,在第一压 电层中立区厚度250N't的变化改变了负载效应和速度效应,并在谐振频率中产生了第二变 化分量。因此,具有MD頂结构的TFBAR的谐振频率和性能因第一直流偏压V' DC1的变化而变 化。
[0130] 根据本发明,多个第一直流电压值:V ' dci-1,V ' dci-2,......V ' dci-N,可被依次施加, 以产生多个谐振频率数匕2-1,匕2-2,……f〇2-N,用于发射频率或接收带或其他频段的频率。 第一压电层耗尽区的形成是由于多数载流子的疏散,快速的从一个谐振频率切换到频率, 仅受TFBAR的RC时间常数的限制。
[0131] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(200b')连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第二射频信号RF2以具 有第二带宽BW2的第二频率f〇 2传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于匕2和频带BW2以外其它RF信号不允许通过。
[0132] 图2D示出了压电半导体基片的导电率σ与Δν/ν。的变化关系。在这里,八¥=奴 〇)-VmvO)表示在声波在导电率为σ的基片中的传播速度,ν。表示声波在σ=〇的基片中的传播速 度。当基片具有在低导电率区域,Av/ Vci= 0,声波的衰减为最小(如图2Ε所示)。当基片具有 在高导电率区域,基片表现为金属,ν(σ)小于v。,即ν(σ)-ν〇〈〇,使得Δ v/v。为负。图2D中间是 低导电率区域和高导电率区域之间的过渡区域。声波速度ν(σ)与导电率σ的变化关系被用 于在本发明,通过施加第一直流电压部分地控制或调整TFBARs的中心谐振频率。
[0133] 图2E示出了声波衰减与第一压电半导体基片的导电率σ的变化关系。在低导电率 区域,电荷载流子密度小,声波的衰减最小。在高导电率区域,基片表现为金属,由于大的载 流子密度,声波的衰减又是最小的。在过渡区中,A ν/ν。从0减小到负值。由于电子的存在和 在过渡区中相对低的导电率,在过渡区声波有能量的损失,所以,相对于低导电率区域和高 导电率区域,过渡区的声波衰减是最大的。声波能量的最大衰减值出现在Ρ点。
[0134] 当多个TFBAR(图2Α的200a,图2Β的200b,图2C的200b ')被采用而形成一个可调的 微波滤波器时(如图5C和图5D),微波的传输特性将由第一中心频率f。!和第一通带带宽BW1 表示,见图2F的实线曲线。当在上电极290和下电极240施加第一直流偏压V DC1,如图2B所示, 第一压电层耗尽区厚度250It和第一合并压电活性层厚度(255t+250It)形成。当一个新的 第一直流电压V' DC1施加时(参照图20,所述第一压电层耗尽区厚度会加宽,形成了一个新 的本征的第一压电层耗尽区250Γ,其新的厚度是250I't,该新厚度大于原来的第一压电层 耗尽区厚度250It。因此,第一合并压电活性层厚度也相应增加,引起了微波传输的中心频 率从fca偏移到f〇 2,如图由虚线曲线与通带宽BW2在左侧,形成一个微波滤波器可调或可调 的第一直流偏压:Vdci,V ' DC1。
[0135] 当只考虑第一压电层耗尽区厚度(250It或2501't)对中心谐振频率f。的影响时, 由多个TFBARs形成的可调微波滤波器的f。的变化与第一直流电压V DC的关系见图3A(曲线 3A)〇
[0136] 当没有考虑由于第一压电层中立区厚度的变化(250Nt或250N't)引起负载效应变 化以及没有考虑声波在所述第一压电层中立区和所述第一压电层耗尽区的传播速度差异 时,当大幅度的反向电压V DC施加时,所述第一压电层耗尽区厚度(250It或250I't)大,中心 频率f。或谐振频率是低的。由于在第一合并压电活性层厚度的减小(255t+250It或255t+ 2501' t),中心频率f。随着直流电压VDC的增加而增加。因此,由多个TFBARs构成的微波滤波 器的中心频率f。得以调谐。在曲线3A中,f。随着V DC的增加而增加,同时,df。(VDC)/dVDC是正 的。
[0137] 当只考虑负载效应的结果时,由于第一压电层中立区厚度的变化,以及与第一压 电层中立区厚度变化相关联的声波速度影响,f。与第一直流电压V DC的变化关系由图3B的曲 线3B-1和曲线3B-2表示。如果忽略由于第一压电层耗尽区厚度变化以及第一合并压电活性 层厚度变化引起谐振频率变化的第一变化分量,f。随着Vdc变化的趋势与曲线3A(图3A)是相 反的,并在前面的段落中描述。图3B中,当V DC增加时,所述第一压电层中立区厚度的增加会 导致与上电极相关联的负载效应的增加和声波平均速度的下降(参照图2D)。因此,中心频 率f。会随着Vdc增加而减小。中心频率f。随着第一直流偏压VDC的减小速率是由上述效应的影 响程度来确定。当某些压电材料的负载效应不太强和以及声波速度差不是太大,随着直流 偏压Vdc的增大,中心频率f。的逐渐减小,如曲线3B-1,它示出了随着Vdc的增大,由于不太强 的负载效应逐渐增加和声波平均速度逐渐降低,中心频率f。逐渐减少。曲线3B-2示出了另 一种压电材料,随着Vdc的增加,第一压电层中立区厚度的增加引起了更快的负载效应以及 声波平均速度更快的下降,中心频率f。更快下降。在曲线3B-1和SBjjfcXVDcVdVDc为负。
[0138] 更接近现实的是,同时考虑如在前面段落所述的两者影响,即a)由VDC引起的第一 压电层耗尽区厚度的变化对中心谐振频率f。的影响,b)由Vdc引起的第一压电层中立区厚度 的变化导致的相关的负载效应和声波速度的变化对中心谐振频率f。的影响。
[0139] 图3C和图3D的曲线3A表示了如前所述的由Vdc引起的第一压电层耗尽区厚度的变 化对中心谐振频率f。的影响,图3C的曲线3B-1表示的由V DC引起的第一压电层中立区厚度的 变化,导致的相关联的负载效应和声波速度的变化对中心谐振频率f。的影响。那么对于较 弱的负载效应和中等声波速度差异的影响时,中心频率f。与第一直流电压Vdc引起的总体 影响关系见曲线3C。此处中,f Q(VDC)随着Vdc的增加而增加,和dfc^Vd/dVDc是正的。
[0140] 图3D的曲线3B-2表示的另一个由Vdc引起的第一压电层中立区厚度的变化,导致的 相关联的负载效应和声波速度的变化对中心谐振频率f。的影响。那么对于较强的负载效应 和较大声波速度差异的影响时,中心频率f。与第一直流电压Vdc引起的总体影响关系见曲线 3D,此处f〇(V Dc)随着Vdc增加而减少,df^VDcVdVDc是负的。
[0141] 6.可调沁1山通2或MIDM谐振器和滤波器: 根据本发明的另一个实施例,通过切换图2B的TFBAR(200b)中第一压电层250和第二压 电层255得到TFBAR(400a),即具有或MIDM结构的可调薄膜体声波谐振器(TFBAR), 用于形成用于微波通信的可调微波声学滤波器。这里,Mi是第一金属,h是未掺杂的第二压 电层,DiSp型掺杂或η型掺杂的第一压电半导体,M 2是第二金属。除了微波声学滤波器,例 如MIDM TFBARs也适合于微波声学开关等微波器件。
[0142] 图4A给出了一个MIDM形式的TFBAR(400a)的示意性横截面图。TFBAR(400a)包括具 有基片厚度210t的基片210;具有声波隔离区厚度215t的声波隔离区215;具有底部支撑膜 厚度230t的底部支撑膜230;具有下电极厚度240t的下电极240(M 2);掺杂和部分导电的具 有第一压电层厚度250t的第一压电层(250,Di),与下电极240接触;在第一压电层250之上 的未掺杂的具有第二压电层厚度255t的第二压电层(255,1!);具有具有上电极厚度290t的 上电极(290,1^)。第一压电层250和第二压电层255合并形成了具有第一合并压电层厚度 250Tt的第一合并压电层250T(图中未示出)。这样TFBAR(400a)形成了一个在基片上的 Μ! I山通2或MI DM结构的RF谐振器。
[0143] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si(硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3(氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。
[0144] 其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射 层堆叠,各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。
[0145] 同时,声波隔离区215也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。
[0146] 声波隔离区的作用是尽量减少声波进入基片所产生的能量损失。
[0147]所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜230的 材料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现 所述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率^勺不必要 的偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图4A中示出)可以被采用,以进一步稳定 TFBAR的谐振频率(400a)。
[0148]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极材料和上电极材料选自以下材料组:妈(W),钼 (卩0,钼(1〇),铝(41),钽打 &),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它们的组 合。
[0149]所述第一压电层250(00是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导 体,优选为η型半导体。第二压电层255是未掺杂的本征半导体,而且是电绝缘的。所述第一 压电层250包含了具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电层耗尽区2501和具有第一 压电中立区厚度250Nt的第一压电中立区250N,这两个区域由第一压电耗尽区边缘250B分 害J(图中由虚线示出)。第一压电层耗尽区2501是本征的和电绝缘的。第一压电耗尽区边缘 250B的位置是由施加到下电极240(通过下电极接点240C)和上电极290(通过上电极接点 290C)之间的具有第一电压值的第一直流电压Vdci所控制。
[0150]第一压电层耗尽区2501和第二压电层255形成了具有第一合并压电活性层厚度 250T't的第一合并压电活性层(255+2501),当具有第一频率匕:的第一射频信号RF1加到上 电极290时,以实现TFBAR(400a)在第一频率匕:或者其它频率的谐振。
[0151 ]施加到上、下电极间的第一直流电压Vdci成为所述第一合并压电层250+255的偏 压,并使第一压电层耗尽区厚度250It和第一压电层中立区厚度250Nt得到控制,从而控制 了第一合并压电活性层厚度250T't,因此TFBAR(400a)的谐振频率也得到了控制,因而能促 使加到上电极290的第一射频信号RF1的传输或阻断。
[0152]所述第一压电层250的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压(VDC1)控制第一压电层耗 尽区厚度(250It)的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。
[0153]第一压电层厚度250t的选择范围为50纳米到20微米,这取决于在所述第一压电层 250中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。第二压电层厚度255t的选择范围为50 纳米到20微米,这取决于在所述第二压电层255中声波速度和应用中所需的谐振的第一频 率fca,和其它多个需要的谐振频率。对于给定的工作频率,所述第一压电层厚度250t被选 择,以致于当施加最大的第一直流电压V DC1时,能获得最大的第一压电层耗尽区厚度250It 和最小的第一压电层中立区厚度250Nt,最好接近为零,使得声波进入第一压电层中立区造 成的能量损失最小。
[0154] 第一压电层250的材料选自以下化合物材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs, AlGaAs,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且可以被掺杂为p型和/或η型半 导体。第二压电层255的材料选自以下材料组:AIN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs, LiNb03,LiTa03,PZT,BaTi03,Knb0和石英,只要它们是有足够高的声-电耦合系数的压电材 料,同时需与第一压电层250兼容。 当施加在上下电极的正向第一直流电压Vdci成为第一合并压电层250+255的偏压,第一 压电耗尽区厚度250It增加,第一压电中立区厚度250Nt减小,这将导致具有第一压电活性 区厚度250Tt的第一压电活性区(2501+255)的建立,和在中心频率1!产生谐振。因此,允许 第一RF信号RF1以具有第一带宽BW1的第一频率"传输,在频率高于fca和811以外其它RF 信号不允许通过。
[0155] 第一直流电压VDC1的电压值可增加或减少,以产生一个新的谐振频率f ' ca,f ' ^可 能是同一频带的发送频率或接收频率,或其他频带的发送频率或接收频率。因此,很明显该 多个第一直流电压为:Vdci_1,Vdci_2, Vdq-N,可被依次分别施加,以产生多个谐振频率 f 〇1-1, f 〇1-2,――fca-N用于一个或者多个频带的发射频率或接收频率。第一压电层耗尽区 的形成是由于多数载流子的疏散(evacuation),因此可以快速的从一个谐振频率切换到另 一个频率,仅由TFBAR的RC时间常数所限制。可调MIDM TFBAR可使用在微波应用中的可调滤 波器和振荡器。
[0156] 因此,根据本发明,MIDM结构TFBAR(400a)的谐振特性是可通过改变第一直流偏压 Vdci实现调谐。当第一直流偏压发生变化,所述第一压电层耗尽区厚度250It和第一压电层 中立区厚度250Nt将发生变化。在第一压电层耗尽区厚度250It的变化改变了第一合并压 电活性层厚度(255t+250I t)或250T ' t,在谐振频率中产生第一变化分量。另一方面,在第一 压电层中立区厚度(250Nt)的变化改变了负载效应和速度效应,并在谐振频率中产生了第 二变化分量。因此,具有MIDM结构的TFBAR的谐振频率和性能因第一直流偏压变化而 变化。
[0157] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(400a)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第二射频信号RF2以具 有第二带宽BW2的第二频率f〇 2传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于匕2和频带BW2以外其它RF信号不允许通过。
[0158] 可调或MDIDM谐振器和滤波器: 根据又一本发明的实施方式,可调薄膜体声波谐振器具有MiDdiDiifeSMDIDM结构,用 于形成用于微波通信的可调微波声学滤波器。除了微波声学滤波器,例如MDIDM TFBARs也 适合于微波声学开关等微波器件。
[0159]根据本发明的又一个实施例,图4B示出了一个MDIDM结构的可调薄膜体声谐振 TFBAR(400B)的示意剖面图。所述TFBAR(400B)包括具有基片厚度210t的基片210;具有声波 隔离区厚度215t的声波隔离区215;具有底部支撑膜厚度230t的底部支撑膜230;具有下电 极厚度240t的下电极240(M 2);具有第一压电层的厚度250t的第一压电层250(00;未掺杂的 具有第二压电层厚度255t的第二压电层255(h);掺杂的具有第三压电层的厚度270t的第 三压电层270(D 2);具有上电极的厚度290t的上电极290(1^)。第一压电层、第二压电层和第 三压电层(250、255、270)形成第一合并压电层(250+255+270),具有第一合并压电层厚度 (250Tt)。所述TFBAR(400b)从而在基片上形成一个具有或MDIDM结构的RF谐振器。
[0160] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si(硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。
[0161] 其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射 层堆叠,各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。
[0162] 同时,声波隔离区215也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。
[0163] 声波隔离区的作用是尽量减少声波进入基片所产生的能量损失。
[0164] 所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜230的 材料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si 3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现 所述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率^勺不必要 的偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图4B中示出)可以被采用,以进一步稳定 TFBAR的谐振频率(400b )。
[0165]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极240材料和上电极290材料选自以下材料组:钨 (¥),铂(?0,钼(1〇),铝(41),钽(了 &),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它 们的组合。
[0166] 所述第一压电层250是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导体,优 选为η型半导体。第二压电层255是未掺杂的本征半导体,而且是电绝缘的。所述第三压电层 270是掺杂的半导体,并且部分地导电的,第三压电层的导电类型与第一压电层导电类型是 相反的。所述第一压电层250包含了具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电层耗尽区 2501和具有第一压电中立区厚度250Nt的第一压电中立区250N,这两个区域由第一压电耗 尽区边缘250B分割(图中由虚线示出)。第一压电层耗尽区2501是本征的和电绝缘的。第一 压电耗尽区边缘250B的位置是由施加到下电极240(通过下电极接点240C)和上电极290(通 过上电极接点290C)之间的具有第一电压值的第一直流电压V DC1所控制。
[0167] 所述第三压电层270包含了具有第三压电层耗尽区厚度270IT的第三压电层耗尽 区2701和具有第三压电层中立区厚度270Nt的第三压电层中立区270N,这两个区域又第三 压电耗尽区边缘270B分割(图中虚线示出)。第一压电层耗尽区2501和第三压电层耗尽区 2701是本征的和电绝缘的。所述第三压电耗尽区边缘270B的位置由施加的下电极240(通过 下电极接点240C)和上电极290(通过上电极接点290C)之间的具有第一电压值的第一直流 电压Vdci控制。
[0168] 当具有第一直流电压值Vdq第一直流电压施加在上电极接点290C的上电极290和 下电极接点240C的下电极240之间,第一直流电压成为具有第一合并压电层厚度250Tt的第 一合并压电层(250+255+270 )的偏压,形成了具有第一压电层耗尽区厚度25011的第一压电 层耗尽区2501,具有第一压电中立区厚度250Nt的第一压电层中立区250N,具有第三压电层 耗尽区厚度270It的第三压电层耗尽区2701,具有第三压电中立区厚度270Nt的第三压电层 的中立区270N。这将产生具有第一合并压电活性层厚度250T't的第一合并压电活性层 (2501+255+2701),以实现在第一频率f 〇1的谐振,以使施加到上电极290的第一RF信号RF1 的传输或阻挡。
[0169] 所述第一压电层250的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 10 22cm_3,更优选范围在1013cm_3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压VDC1控制第一压电层耗 尽区厚度250It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。
[0170]所述第三压电层270的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压VDC1控制第一压电层耗尽 区厚度270It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度,形成具有第一合并压电层厚度 250Tt的第一合并压电层(250+255+270)。
[0171] 第一压电层厚度250t和第三压电层厚度270t的选择范围为50纳米到20微米,这取 决于在所述第一压电层250中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。对于给定的工 作频率,所述第一压电层厚度250t和第三压电层厚度270t被选择,以致于当施加最大的第 一直流电压,能获得最大的第一压电层耗尽区厚度250It和第三压电层耗尽区厚度 270It,以及最小的第一压电层中立区厚度250Nt和第三压电层中立区厚度270Nt,最好接近 为零,使得声波进入第一压电层中立区造成的能量损失最小。
[0172] 第一压电层和第三压电层的材料选自以下化合物材料组:AlN,GaN,AlGaN,ZnO, GaAs,AlAs,AlGaAs,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且可以被掺杂为p型 和/或η型半导体。 第二压电层厚度255t选择范围为50纳米到20微米,这取决于在所述第二压电层255中 声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。第二压电层255的材料选自以下材料组:A1N, GaN,AlGaN,Zn0,GaAs,AlAs,AlGaAs,LiNb03,LiTa03,PZT,BaTi03,Knb0 和石英,只要它们是 有足够高的声-电耦合系数的压电材料,同时需与第一压电层250和第三压电层270兼容。 第一直流电压电压值可增加或减少,以产生一个新的谐振频率f'c^f'ca可能是 同一频带的发送频率或接收频率,或其他频带的发送频率或接收频率。因此,根据本发明, MDIDM的谐振特性可通过改变直流偏压而被调谐。当第一直流电压变化时,所述第一压电层 耗尽区厚度250It,所述第三压电层耗尽区厚度270It,第一压电层中立区厚度250Nt和第三 压电层中立区厚度270Nt将全部改变。在第一压电层耗尽区厚度250It和第三压电层耗尽区 厚度270It的变化将改变的第一合并压电活性层厚度(270It+255t+250It)或(250T't),这 在MDIDM TFBAR(400b)是在谐振频率产生第一变化分量。同时,在第一压电层中立区厚度 250Nt和第三压电层中立区厚度270Nt的变化将改变负载效应和速度效应。因此,MDIDM TFBAR(400b)的谐振频率和性能可通过直流偏压的变化而被调谐。
[0173] 因此,很明显该多个第一直流电压为:Vdci-1,Vdci-2, Vdci-N,可被依次分另lj施 加,以产生多个谐振频率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一个或者多个频带的发射频率或接收 频率。第一压电层耗尽区和第三压电层耗尽区的形成是由于多数载流子的疏散 (evacuation),因此可以快速的从一个谐振频率切换到另一个频率,仅由TFBAR的RC时间常 数所限制。可调MDIDM TFBAR可使用在微波应用中的可调滤波器和振荡器。
[0174] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(400b)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第一射频信号RF1以具 有第一带宽BW1的第二频率fca传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于fca和频带BW1以外其它RF信号不允许通过。
[0175] 可调關山通2或MDDM谐振器和微波滤波器: 根据又一本发明的实施方式,具有MDDM结构的可调薄膜体声波谐振器,用于微波通信 的可调微波声学滤波器。除了微波声学滤波器,MDDM TFBARs也适合于微波声学开关等微 波器件。
[0176] 图4C示出了根据本发明在一个MDDM形式的可调薄膜体声谐振TFBAR(400c)的示意 性剖面图。TFBAR(400c中)包括具有基片厚度210t的基片210;具有声波隔离区厚度215t的 声波隔离区215;具有底部支撑膜厚度230t的底部支撑膜230;具有下电极厚度240t的下电 极(240,M 2);掺杂的具有第一压电层的厚度的第一压电层(250 AD;掺杂的具有第三压电层 厚度270t的第三压电层(270,D2);具有上电极厚度290t的上电极290。在第一压电层和第三 压电层(250,270)形成了第一合并压电层(250+270),其具有第一合并压电层厚度250Tt。 TFBAR(400c)在基片上形成MhD2M2或MDDM结构的RF谐振器。
[0177] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si(硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3(氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。 其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射层堆叠, 各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。同时,声波隔离区 215也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。声波隔离区的作用是尽量减少声波进入 基片所产生的能量损失。
[0178]所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜的材 料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现所 述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率f Ql的不必要的 偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图4c中示出)可以被采用,以进一步稳定TFBAR 的谐振频率(400c)。
[0179]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极240材料和上电极290材料选自以下材料组:钨 (¥),铂(?0,钼(1〇),铝(41),钽(了 &),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它 们的组合。 所述第一压电层250是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导体,优选为 η型半导体。所述第三压电层270是掺杂的半导体,并且部分地导电的,可以是ρ型或η型,第 三压电层的导电类型与第一压电层导电类型是相反的。
[0180] 当具有第一直流电压值Vdq第一直流电压施加在上电极接点290C的上电极290和 下电极接点240C的下电极240之间,第一直流电压成为具有第一合并压电层厚度250Tt的第 一合并压电层(250+270)的偏压,形成了具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电层耗 尽区2501,具有第一压电中立区厚度250Nt的第一压电层中立区250N,具有第三压电层耗尽 区厚度270It的第三压电层耗尽区2701,具有第三压电中立区厚度270Nt的第三压电层的中 立区270N。这将产生具有第一合并压电活性层厚度250T't的第一合并压电活性层(2501 + 2701),以实现在第一频率f〇1的谐振,以利于使施加到上电极290的第一RF信号RF1的传输 或阻挡。
[0181] 根据本发明,MDDM TFBAR的谐振特性可通过改变第一直流偏压¥^进行调谐。当直 流偏压是变化,所述第一压电层耗尽区厚度250It,所述第三压电层耗尽区厚度270It,第一 压电层中立区厚度250Nt和第三压电层中立区厚度270Nt会改变。第一压电层耗尽区厚度 250It和第三压电层耗尽区厚度270It的变化将改变MDDM TFBAR第一合并压电活性层厚度 250T ' t,成为影响谐振频率的第一变化分量。在第一压电层的中立区厚度250Nt和第三压电 层中立区厚度270Nt的变化将改变负载效应和速度效应,成为影响谐振频率变化的第二变 化分量。因此,具有MDDM结构的TFBAR( 400c )的谐振频率和性能因第一直流偏压VDC1的变化 而变化。
[0182] 当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(400c)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第一射频信号RF1以具 有第一带宽BW1的第一频率fca传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于fca和频带BW1以外其它RF信号不允许通过。
[0183] 所述第一压电层250和第三压电层270的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范 围为1014cm_ 3到1022cm_3,更优选范围在1013cm_ 3至102Qcm_3,以增强由第一直流电压VDC1控制 第一压电层耗尽区厚度250It和第三压电层耗尽区厚度270It的灵敏度,因此控制了谐振频 率的灵敏度。
[0184] 在第一压电层厚度250t和第三压电层厚度270t的选择范围为50纳米到10微米,这 取决于在所述第一压电层250和第三压电层270中声波速度和应用中所需的谐振的第一频 率fca。对于给定的工作频率,所述第一压电层厚度250t和第三压电层厚度270t被选择,以致 于当施加最大的第一直流电压V DC1时,能获得最大的第一压电层耗尽区厚度250It和最大 的第三压电层耗尽区厚度270It,以及最小的第一压电层中立区厚度250Nt和最小的第三压 电层中立区厚度270Nt,最好接近为零,使得声波进入第一压电层中立区造成的能量损失最 小。
[0185] 第一压电层250和第三压电层270的材料选自以下化合物材料组:AlN,GaN,AlGaN, ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且可以被掺杂 为p型和/或η型半导体。
[0186]第一直流电压Vdq的电压值可增加或减少,引起了第一合并压电活性层厚度250Τ' t增加或者减少,以产生一个新的谐振频率f'ca,f'。:可能是同一频带的发送频率或接收频 率,或其他频带的发送频率或接收频率。
[0187] 因此多个第一直流电压为:Vdci-1,Vdci-2,---Vdci-N,可被依次分另lj施加,以产生多 个谐振频率fca-Ufca-2,--fca-N用于一个或者多个频带的发射频率或接收频率。第一压 电层耗尽区的形成是由于多数载流子的疏散,快速的从一个谐振频率切换到频率,仅由 TFBAR的RC时间常数所限制。可调MDDM TFBAR可使用在微波应用中的可调滤波器和振荡器。
[0188] 可调MDIDIDM谐振器和微波滤波器: 根据又一本发明实施例,具有MDIDIDM结构的可调薄膜体声波谐振器,用于微波通信的 可调微波声学滤波器。除了微波声学滤波器,例如MDIDIDM TFBARs也适合于微波声学开关 等微波器件。
[0189] 图4D示出了根据又一本发明实施方式的可调薄膜体声谐振TFBAR(400D)的示意剖 面图。所述TFBAR(400c)包括具有基片厚度210t的基片210;具有声波隔离区厚度215t的声 波隔离区215;具有底部支撑膜厚度230t的底部支撑膜230;具有下电极厚度240t的下电极 (240,M 2);掺杂的具有第一压电层的厚度的第一压电层(250 AD;未掺杂的具有第二压电层 厚度255t的第二压电层(255JD;掺杂的具有第四压电层厚度260t的第四压电层(260,D 2), 与第四压电层接点260C相连;未掺杂的具有第五压电层厚度275t的第五压电层(275,1 2); 掺杂的具有第三压电层厚度270t的第三压电层(270,D3);具有上电极厚度290t的上电极 (290,1 1)。第一,第二,第三,第四和第五压电层(250,255,270,260,275)形成第一合并压电 层(250+255+270+260+275),其具有第一合并压电层厚度(250t+255t+260t+270t+275t)。所 述TFBAR( 400d)形成了 MDIDIDM结构的RF谐振器。
[0190] 其中所述基片210的材料选自以下材料组:Si(硅),GaAs(砷化镓),玻璃,蓝宝石, A1N(氮化铝),Al2〇3(氧化铝),只要它们具有足够高的电阻率,足够的热导率和平坦的表面。 其中所述声波隔离区215是具有多个交替的高阻抗层和低阻抗层组成的薄膜反射层堆叠, 各反射层厚度为波长的四分之一,即λ/4,λ为声波在各反射层里的波长。同时,声波隔离区 也可以是具有声波隔离区厚度215t的空气隙。声波隔离区的作用是尽量减少声波进入基片 所产生的能量损失。
[0191]所述底部支撑膜厚度230t的值优选的范围为50纳米至500纳米,底部支撑膜的材 料选择自以下材料组:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它们的组合,以实现所 述第一压电层250的温度补偿,从而减少工作时由于温度变化引起谐振频率f Ql的不必要的 偏移。根据另一本发明实施例,保护层(未在图4C中示出)可以被采用,以进一步稳定TFBAR 的谐振频率(400c)。
[0192]上电极厚度290t和下电极厚度240t的值优选范围为50纳米至2微米,取决于谐振 所需的频率和可接受的负载效应。下电极材料和上电极材料选自以下材料组:妈(W),钼 (卩0,钼(1〇),铝(41),钽打&),钛(11),铜((:11),铬(0),金(411),钌(1?11),铱(1〇和它们的组 合。 所述第一压电层250是掺杂的和部分导电的半导体,其可以是η型或p型半导体,优选为 η型半导体。第二压电层255是未掺杂的,不导电的;所述第一压电层250和所述第二压电层 255形成具有第一合并压电层厚度250Tt的第一合并压电层(250+255);所述第三压电层270 是掺杂的半导体,并且部分地导电的,可以是P型或η型,第三压电层的导电类型与第一压电 层导电类型是相反的。第四压电层260是一个重掺杂的、导电的半导体,与第四压电层接点 260C连接。第五压电层275和第三压电层270形成具有第二合并压电层厚度270Tt的第二合 并压电层(275+270)。
[0193] 当具有第一电压值Vdq的第一直流电压施加经过下电极接点240C的下电极240和, 经过第四压电层接点260C的第四压电层260之间,成为第一合并压电层(250+255)的偏压, 以产生具有第一压电层耗尽区厚度250It的第一压电层耗尽区2501和第一压电层中立区厚 度250Nt的第一压电层中立区250N,两者由第一压电耗尽区边缘250B分割,并形成具有第一 合并压电活性层厚度(250It+255t)或250TTt的第一合并压电活性层(2501+255)。
[0194] 当具有第二电压值VDC2的第二直流电压施加在经过上电极接点290C的上电极290 和经过第四压电层接点260C的第四压电层260的之间,成为第二合并压电层(275+270)的偏 压,以产生具有第三压电层耗尽区厚度270It的第三压电层耗尽区2701,具有第三压电层中 立区厚度270Nt的第三压电层中立区270N,两者由第三压电耗尽区边缘270B分割,并形成具 有第二合并压电活性层厚度(275+270It)或270TTt的第二合并压电活性层(275+2701)。
[0195] 第一合并压电活性层(2501+255),第二合并压电活性层(2701+275)和第四压电层 260,形成一个整体的合并压电活性层(2501+255+260+275+2701),以在第一中心频率匕!实 现谐振。第一直流电压值Vdq的变化和第二直流电压值V DC2的变化会引起在整个合并压电活 性层厚度(250It+255t+260t+275t+270It)或(250TTt+260t+270TTt)或 250T't 的增加或减 少,因此TFBAR(400d)的谐振频率也得到了控制,因而能促使加到上电极290的第一射频信 号RF1的传输或阻断。
[0196] 所述第一压电层250的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压VDC1控制第一压电层耗尽 区厚度250It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。
[0197] 所述第三压电层270的掺杂水平被优选控制为具有杂质浓度范围为1014cnf3到 1022cnf3,更优选范围在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增强由第一直流电压VDC1控制三压电层耗尽区 厚度270It的灵敏度,因此控制了谐振频率的灵敏度。
[0198] 所述第一压电层,第三压电层和第四压电层的材料选自以下化合物材料组:A1N, 6&1^16 &\211〇,6&48,4148,416&48,只要它们是具有足够的声耦合系数的压电材料,而且 可以被掺杂为P型和/或η型半导体。第二压电层和第五压电层的材料选自以下材料组:A1N, GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs,LiNb03,LiTa03,ΡΖΤ,BaTi03,KnbO和石英,只要它们 是有足够高的声-电耦合系数的压电材料。
[0199] 在第一和第三压电层的厚度(250t,270t)的选择范围为50纳米到10微米,这取决 于在所述第一压电层250和第三压电层270中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。 第二和第五压电层厚度(255t,275t)的选择范围为50纳米到10微米,这取决于在所述第二 压电层255和第五压电层275中声波速度和应用中所需的谐振的第一频率fca。第四压电层厚 度260t选择范围为50纳米到1微米。
[0200] 对于给定的工作频率,所述第一压电层厚度250t被选择,以致于当施加最大的第 一直流电压Vdq时,能获得最大的第一压电层耗尽区厚度250It和最小的第一压电层中立区 厚度250Nt,最好接近为零,使得声波进入第一压电层中立区造成的能量损失最小。
[0201] 类似地,所述第三压电层厚度270t被选择,以致于当施加最大的第二直流电压VDC2 时,能获得最大的第三压电层耗尽区厚度270It和最小的第三压电层中立区厚度270Nt,最 好接近为零,使得声波进入第三压电层中立区造成的能量损失最小。
[0202] 第一直流电压VDC1的电压值可增加或减少,以产生一个新的谐振频率 能是同一频带的发送频率或接收频率,或其他频带的发送频率或接收频率。因此,根据本发 明,MDIDIDM TFBAR的谐振特性是可通过改变第一直流偏压VDC1实现调谐。当第一直流偏压 发生变化,所述第一压电层耗尽区厚度250It、第三压电层耗尽区厚度270It和第一压电层 中立区厚度250Nt、第三压电层中立区厚度270Nt将发生变化。在第一压电层耗尽区厚度 250It第三压电层耗尽区厚度270It的变化改变了整体合并压电活性层厚度(270It+255t+ 260t+275t+250It)或250T't,在谐振频率中产生第一变化分量。另一方面,在第一压电层中 立区厚度250Nt和第三压电层的中立区厚度270Nt的变化改变了负载效应和速度效应,并在 谐振频率中产生了第二变化分量。因此,具有MDIDM结构的TFBAR的谐振频率和性能因第一 直流偏压Vdq和第二直流偏压V De2的变化而变化。
[0203] 因此,多个第一直流电压为:Vdci-1,Vdci-2,---Vdci-N,可被依次分别施加,以产生 多个谐振频率?·〇ι-1,?·〇ι_2,--fca-N用于一个或者多个频带的发射频率或接收频率。第一 压电层耗尽区的形成是由于多数载流子的疏散,快速的从一个谐振频率切换到频率,仅由 TFBAR的RC时间常数所限制。可调MDIDIDM TFBAR可使用在微波应用中的可调滤波器和振荡 器。
[0204]当多个薄膜体声波谐振器TFBAR(400d)连接成梯形滤波器或网格滤波器,以及与 其它无源器件,如电容器和电感器相连,窄带通特性被实现,以允许第一射频信号RF1以具 有第一带宽BW1的第一频率fca传输,这可能是一个给定的通信频带的接收频率或发射频率。 在频率高于fca和频带BW1以外其它RF信号不允许通过。
[0205] 图4E示出了在具有的结构(400b,图4B)的TFBAR整个按距离X变化的电场 ξ(χ)的示意图。施021山道2结构具有第一合并压电层(D2+Ii+ Di):高掺杂浓度的第一压电层 (D D、第三压电层(D2)和无掺杂第二本征压电层(ID。当具有第一偏压值的第一直流电压 VDCla被施加,电场分布由实曲线给出。当具有第二偏压值的第二直流电压VDClb被施加,电场 分布由虚线给出。在这里,| VDClb | > | VDCla |,Δ VDC1= | VDClb M VDCla |。值得注意的是,在第一压电 层(DD耗尽区厚度增加了 AWl和第三压电层(D2)耗尽区厚度增加了 AW'r,以使第一合并压 电活性层厚度增加了W2-WF △ WL+ △ WR= △ W。耗尽区厚度的变化△ W是由于在第一直流电压 的变化Δ Vdq和调谐灵敏度的变化可以通过Δ W/ Δ Vdq来表示。
[0206]应当指出的是,调谐灵敏度△ W/ △ VDC1可受掺杂的第一压电层和第三压电层的掺 杂浓度的影响。图4F示出了具有MDIDM结构的TFBAR整个电场ξ(χ)随距离X的变化而变化的 示意图。MDIDM结构具有第一合并压电层(Di+Id D2):低掺杂浓度的第一压电层(D D、第三 压电层(D2)和无掺杂第二压电层(ID。当具有第一偏压值的第一直流电压V'DCla被施加,电 场分布由实曲线给出。当具有第二偏压值的第二直流电压V' DClb被施加,电场分布由虚线给 出。在这里,| V'DClb I > I V'DCla I,Δ VDQ= | VDQb I - I VDCla I。值得注意的是,在第一压电层(Dl)耗尽 区厚度增加了 A W'L和第三压电层(D2)耗尽区厚度增加了 AW'r,以使第一合并压电活性层 厚度增加了1'2-1'1=八1\+八1' [?=八1'。耗尽区厚度的变化八1'是由于第一直流电压的变 化Δ V ' dci和调谐灵敏度的变化可以通过Δ W7 Δ V ' dci来表示。Δ W 7 Δ V ' dci明显比图4E的Δ W/AVDC1大,其中的第一半导体压电层与所述第三半导体压电层的掺杂浓度都很高。因此, 很显然的是,调谐灵敏度与在掺杂压电层的掺杂浓度有关。
[0207] 图4G是理想的FBAR的等效电路,出自J.Larson等人论文"Modified Butterworth-Van Dyke Circuit for FBAR Resonators and Automated Measurement System"(2000 IEEE Ultrasonic Symposium pp.863-868)</'FBAR谐振器和自动测量系统 的被修改的巴特沃思-范戴克电路"(2000年的IEEE超声波研讨会第863-868页)。其中,Co是 通过压电层厚度定义的静态板电容器,L m,Cm,Rm,分别是动态电感,电容和电阻,2^是输入阻 抗。串联谐振频率为fWi/^Ki/uCm] 1/2和并联谐振频率fWi/^Hi/amCda+cVc。)]1/2 (k2eff ) = (V2)2[(fP-fs)/fP]。当几个谐振器连接成梯形滤波器,发射频率的频带和带宽是 由并联谐振器的串联谐振频率fsjP串联谐振器的并联谐振频率f PS确定。根据本发明一个 可调FBAR或TFBAR,静态电容0),动态元件1^,(^和心可由第一直流偏压来调谐和调节。在阶 梯或网格滤波器的设计中,对于调整带宽的给定的第一直流偏压值,并联谐振器的尺寸选 择与串联谐振器的稍有不同。当第一直流电压变化,第一合并压电活性层厚度 Wl,W2(图4E), 或250IT(图2A)或250T't(图2B)或250T' 't(图2C)会增加或减少,导致静态电容C〇,动态元 件Lm,C4PRm的值的变化。因此,并联谐振器的串联谐振频率f sp和串联谐振器的并联谐振频 率fPS被调整为新的值。这导致使用TFBAR构造的滤波器的传输频率被调谐和调整。此外,当 第一直流电压施加时,第一压电层中立区的形成导致了上电极负载效应,这是谐振频率变 化的第二分量。
[0208]图4H是根据本发明含有掺杂压电半导体层的TFBAR的等效电路,其中的静态电容 静态电容G),动态元件Lm,Cm和Rm的值由第一直流偏压VDC调谐和调整。当第一直流电压变化, 压电层耗尽区厚度变化。这导致第一合并压电活性层厚度WhWA图4E),或250IT(图2A)或 250T ' t(图2B)或250T ' ' t(图2C)会增加或减少,导致静态电容C〇,动态元件Lm,Cm和1的值 的变化。因为合并的第一压电活性层负责的电能和机械能或声波之间的相互作用,在静态 电容Co,动态元件Lm,Cm和Rm值会相应的变化。因此,并联谐振器的串联谐振频率fsp和串联 谐振器的并联谐振频率fPS被调整为新的值。这导致使用TFBAR构造的滤波器的传输频率被 调谐和调整。此外,当第一直流电压施加时,第一压电层中立区的形成导致了上电极负载效 应,这是谐振频率变化的第二分量。
[0209]可调TFBAR微波滤波器电路: 根据本发明的实施方式,多个可调的谐振器TFBARs连接,并通过可调直流偏压来实现 调谐或调节谐振频率,用于形成微波通信应用的薄膜体声波谐振滤波器TFBAR。
[0210]图5A是含有两个可调TFBAR谐振器(340,350)的微波滤波器电路(500a)的示意图。 微波滤波器电路(500a)包括在第一接点350T连接的第一串联谐振器340和第二并联谐振器 350;用于阻断直流电压的第一耦合电容器340C和第二耦合电容器350C;用于阻断RF信号的 第一隔离电感器340L和第一直流电压源V DC1在第一电源点340 ST连接。当具有电压值V1S的第 一直流电压源VDC1在第一电源点340ST和公共点330之间施加,第一直流电压V 1S通过第一隔 离电感器340L施加到第一串联谐振器340和第二并联谐振器350,以建立所述第一串联谐振 器340和第二并联谐振器350的偏压。
[0211] 第二谐振器350的偏压记为Vis',第一谐振器340的偏压记为Vis-Vis'。偏压控制谐 振的中心频率fca并影响施加到第一RF输入接点310的RF信号360的传输,使在中心频率fol 及附近的微波信号以及带宽BW1内微波信号被允许通过第一谐振器340,并传播到达到RF输 出接点3 20。根据本发明,微波传输的中心频率fed由所述第一直流电压VDC1的值选择或控 制。微波滤波器电路(500a)采用了单个第一直流电压源V DC1,以维持第一谐振器340和第二 谐振器350的偏压。
[0212]图5B是显示了两个连接的可调TFBAR谐振器(340,350),以形成根据本发明的微波 滤波器电路(500b)的示意图。微波滤波器电路(500b)包括在第一接点350T连接的第一串联 谐振器340和第二并联谐振器350;用于阻断直流电压的第一耦合电容器340C和第二耦合电 容器350C;用于RF信号的隔离的第一隔离电感器340L和第二隔离电感器350L;在第一电源 点340ST连接的第一直流电压源V DC1和在第二源点350ST连接的第二直流电压源VDC2。根据本 发明,微波滤波器电路(500b)采用该两个电压源以维持第一串联谐振器和第二并联谐振器 的偏压。
[0213]当具有第一电压值V1S的第一直流电压VDC1施加在第一电源点340ST和公共接地点 330之间,所述第一直流电压V1S通过第一隔离电感器340L施加在第一串联谐振器340和第二 并联谐振器350,来建立所述第一串联谐振器340和第二并联谐振器350的偏压。当具有第二 电压值V 1P的第二直流电压源VDC2施加在第二电源点350ST和公共接地点330之间,所述第二 直流电压V 2S通过第二隔离电感器350L施加在第二并联谐振器350,以建立所述第二并联谐 振器350的偏压。
[0214] 第二谐振器350的偏压记为V1P,第一谐振器340的偏压记为Vls_Vlp。偏压控制谐振 的中心频率fed并影响施加到第一RF输入接点310的RF信号360的传输,使在中心频率匕丄及 附近的微波信号以及带宽BW1内微波信号被允许通过第一谐振器340,并传播到达到RF输出 接点320。根据本发明,微波传输的中心频率fed由所述第一直流电压V DC1和第二直流电压VDC2 的值选择或控制。通过改变第一直流电压值V1S和所述第二直流电压值¥^,第一串联谐振 器340和第二并联谐振器350上的偏压可被控制为不同的值。
[0215] 图5C示出了根据本发明一个3?级梯形滤波器(500c)示意图。这个3?级梯形滤波器 (500c)包括第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3);第二并联谐振器(350-1,350-2,350-3, 350-4),用于阻断直流电压的第一耦合电容(340-0(:,340-1(:,340-2(:,340-3〇和第二耦合 电容器(350-4C );用于RF信号的隔离的第一隔离电感器(340-lL,340-2L,340-3L)和第二 隔离电感器(350-1L);具有第一电压值¥ 15,¥25,¥35的第一直流电压¥此1与第一电源点34(^ 连接,具有第二电压值乂如的第二直流电压V DC2与第二电源点350ST连接。所述第一直流电压 Vdq可以为三个分离的电压源提供不同的电压值%5,V2S,V3S或具有相同的电压值。所述第 一直流电压源V DC1也可以是单个直流电压源VDC1具有V1S或V2S或V 3S的某个电压值。在3V2级 梯形滤波器(500c)中,每对串联谐振器和并联谐振器在第一接点(340-1Τ,340-2Τ,340-3Τ) 连接,第二并联谐振器(350-1)在第二接点(350-1Τ)被连接到第一耦合电容(340-0C)和第 二隔离电感器(350-1L)。具有第一电压值¥ 15,V2S,V3S的第一直流电压¥^通过第一隔离电 感器(340-1L,340-2L,340-3L),施加到第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3)和第二并联 谐振器(350-2,350-3,350-4),以建立第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3)和第二偏置并 联谐振器(350-2,350-3,350-4)的偏压。所述具有第二电压值V QP的第二直流电压VDC2通过第 二隔离电感器(350-1L)施加到第二并联谐振器(350-1),以建立偏压至第二并联谐振器 (350-1)的偏压。
[0216] 偏压控制谐振的中心频率fQl并影响施加到第一RF输入接点310的RF信号360的传 输,使在中心频率fca及附近的微波信号以及带宽BW1内微波信号被允许通过第一谐振器 (340-1,340-2,340-3),并传播到达到RF输出接点320。根据本发明,微波传输的中心频率f ol 由所述第一直流电压Vdq和第二直流电压VDC2的值选择或控制。每个第二并联谐振器和接地 (公用)之间可加入附加的电感器。
[0217] 图f5D是级阶梯滤波器的示意图。该分级阶梯滤波器(500d)包括: 第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3);第二并联谐振器(350-1,350-2,350-3,350-4);用于阻断直流电压的第一耦合电容(340-0(:,340-1(:,340-2(:,340-3〇和第二耦合电容 器(350-4C);用于RF信号隔离的第一隔离电感(340-lL,340-2L,340-3L)和第二隔离电感 (350-11^,350-21^,350-31^,350-乩) ;具有电压值¥15,¥25,¥35的第一直流电压源¥此1,具有电压 值V〇P,VlP,V2P,V3P|^]第二直流电压源VdC2。
[0218] 在该分级阶梯滤波器(500d),每对串联谐振器和并联谐振器在第一接点(340-1T, 340-2T,340-3T)连接,第二并联谐振器(350-1)在第二接点(350-1T)连接第一耦合电容 (340-0C)和第二隔离电感器(350-1L)。
[0219] 所述具有电压值¥15,¥25,¥35的第一直流电压源¥^通过第一隔离电感器(340-11^, 340-2L,340-3L)施加在第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3 )和第二并联谐振器(350-2, 350-3,350-4),以建立第一串联谐振器(340-1,340-2,340-3)和第二并联谐振器(350-2, 35〇-3,35〇-4)的偏压。所述具有电压值¥〇 [^1[^2?的第二直流电压源¥此2通过第二隔离电 感器(350-1L,350-2L,350-3L,350-4L)施加到所述第二并联谐振器(350-1,350-2,350-3, 350-4),以建立每个并联谐振器(350-1,350-2,350-3,350-4)的偏压。偏压将控制中心频率 和影响施加到第一 RF输入接点310的RF信号360的传输,使得在中心频率fca及附近的微 波以及在所述第一带宽BW1内的信号被允许传播通过第一串联谐振器(340-l,340-2,340-3),达到RF输出接点320。根据本发明,通过调整所述第一直流电压源V DC1和第二直流电压源 VDC2的值,微波传输的中心频率匕:的被选择或控制。每个第二并联谐振器和接地(公用)之间 可加入附加的电感器。
【主权项】
1. 一种用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波谐 振器TFBAR,其特征是包括了: -至少一个具有基片厚度的基片; -具有声波隔离区域厚度的声波隔离区; -具有底部支撑膜厚度的底部支撑膜; -具有下电极材料和下电极厚度的下电极; -至少一个具有第一压电层厚度的第一压电层,所述第一压电层是具有第一导电类型 和掺杂到第一掺杂浓度的压电半导体; -具有上电极材料和上电极厚度的上电极, 其中,所述第一压电层包含了具有第一压电层耗尽区厚度的第一压电层耗尽区和具有 第一压电层中立区厚度的第一压电层中立区,第一压电层耗尽区形成了第一压电活性层, 其厚度可通过施加在所述上、下电极之间的第一直流电压来控制和调整,以影响施加在上 电极和下电极之间的RF电信号与机械振动之间的相互作用,从而激励声波来达到控制、选 择和调整所述TFBAR的谐振频率的目的。2. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述声波隔离区是具有多个交替的高阻抗层和 低阻抗层组成薄膜反射层堆叠,每层厚度是四分之一波长λ/4,λ为声波在各反射层中的波 长,以尽量减少声波进入基片的能量损失。3. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述声波隔离区是具有声波隔离区厚度的空气 隙,以尽量减少声波进入基片所产生的能量损失。4. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述底部支撑膜的材料和底部支撑膜的厚度可被选 择以实现温度补偿,从而减少工作时谐振频率不必要的偏移。5. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述第一压电层的第一掺杂浓度的范围是 10 14cm_3到1022cm_3,更优选的范围为10 13 cnf3到102<3cnf3,以控制所述第一直流电压的灵敏 度,因而控制所述第一压电层耗尽区的厚度,因此控制了所述谐振频率的灵敏度。6. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述第一压电层的材料选自如下材料组:AlN,GaN, AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs 〇7. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述基片的材料选自如下材料组:Si, GaAs, A1N, Al2〇3,玻璃,蓝宝石,只要具有足够高的电阻率和热导率,以及平坦的表面。8. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:还包括未掺杂的具有第二压电层厚度的第二压电 层,其位于所述下电极和所述第一压电层之间,所述第二压电层和所述第一压电层耗尽区 形成具有第一合并压电活性层厚度的第一合并压电活性层,其中所述第一合并压电活性层 厚度是由第一直流电压控制和调整,从而实现TFBAR谐振频率的控制和调整。9. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调 薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:还包括未掺杂的具有第二压电层厚度的第二压电 层,所述上电极和所述第一压电层之间,所述第二压电层和所述第一压电层耗尽区形成具 有第一合并压电活性层厚度的第一合并压电活性层,其中所述第一合并压电活性层厚度是 由第一直流电压控制和调整,从而实现TFBAR谐振频率的控制和调整。10. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:还包括对所述第一压电层厚度和第一压电层中立 区厚度的控制,以控制所述第一压电层中立区所引起的负载效应,从而进一步通过第一直 流电压来控制和调整所述谐振频率。11. 如权利要求1所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中选择所述上电极材料,下电极材料,上电极厚 度,下电极厚度,以控制和调整由于下电极和上电极的存在而产生的负载效应。12. -种用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可调薄膜体声波谐 振器TFBAR,其特征是包括了: -至少一个具有基片厚度的基片; -具有声波隔离区域厚度的声波隔离区; -具有底部支撑膜厚度的底部支撑膜; -具有下电极材料和下电极厚度的下电极; -至少一个具有第一压电层厚度的第一压电层,所述第一压电层是具有第一导电类型 和掺杂到第一掺杂浓度的压电半导体,所述第一压电层包含了具有第一压电耗尽区厚度的 第一压电层耗尽区,以及具有第一压电中立区厚度的第一压电层中立区; -具有第三压电层厚度的第三压电层,所述第三压电层是具有第三导电类型和掺杂到 第三掺杂浓度的压电半导体,所述第三导电类型与所述第一导电类型相反,其中,所述第三 压电层包含了具有第三压电耗尽区厚度的第三压电层耗尽区和具有第三压电中立区厚度 的第三压电层中立区; -具有上电极材料和上电极的厚度的上电极, 所述第一压电层耗尽区和所述第三压电层耗尽区形成了具有第一合并压电活性层厚 度的第一合并压电活性层,所述第一合并压电活性层厚度可通过施加在所述上、下电极之 间的第一直流电压来控制和调整,以影响施加在上电极和下电极之间的RF电信号与机械振 动之间的相互作用,从而激励声波来达到控制、选择和调整所述TFBAR的谐振频率的目的。13. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:还包括本征和非导电的具有第二压电层厚度的第 二压电层,其夹在所述第一压电层和第三压电层之间;所述第一压电层耗尽区,所述第二压 电层和所述第三压电层耗尽区形成一个具有第一合并压电活性层厚度的第一合并压电活 性层,所述第一合并压电活性层厚度被施加在上电极和下电极之间的第一直流电压所控 制,以实现TFBAR的谐振频率的控制和调节。14. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述声波隔离区是具有多个交替的高阻抗层 和低阻抗层组成薄膜反射层堆叠,每层厚度是四分之一波长,即λ/4,λ为声波在各反射层中 的波长,以尽量减少声波进入基片的能量损失。15. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述声波隔离区是具有声波隔离区厚度的空 气隙,以尽量减少声波进入基片产生的能量损耗。16. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:其中所述第一压电层的第一掺杂浓度优选范围是 10 14cnf3到1022cnf3,更优选范围是10 13cnf3到102Qcnf3,其中所述第三压电层的第三掺杂浓 度优选范围是l〇 14cnf3到1022cnf3,更优选范围是l〇 13cnf3到ΙΟ'πΓ3,以控制和调节所述第 一直流电压的灵敏度来控制和调节第一压电层耗尽区厚度和第三压电层耗尽区厚度,因此 可以控制和调节所述TFBAR谐振频率的灵敏度。17. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:选择所述底部支撑膜的材料和底部支撑膜的厚度 来实现温度补偿,以在工作时减少不期望的谐振频率偏移。18. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述第一压电层和所述第三压电层的材料选择自 材料组:AIN,GaN,AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs。19. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述第二压电层的材料选择自材料组:AlN,GaN, AlGaN,ZnO,GaAs,AlAs,AlGaAs,LiNb03,LiTa03,PZT,BaTi03,石英和KnbO,只要它们是有足 够高的声电耦合系数的压电材料。20. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:所述基片的材料选自材料组:Si,GaAs,玻璃,蓝宝 石,AlN,Al 2〇3,只要它们具有足够高的电阻率和热导率,以及平坦的表面。21. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:由于所述下电极和上电极的存在,所述上电极的 材料,下电极的材料,上电极的厚度,下电极的厚度可以被选择和控制以调整负载效应。22. 如权利要求12所述的用于形成微波应用中可调微波声学滤波器和可调振荡器的可 调薄膜体声波谐振器TFBAR,其特征在于:还包括了具有第二压电层厚度的第二压电层、具 有第四压电层厚度的第四压电层、具有第五压电层厚度的第五压电层;所述第二压电层和 第五压电层是本征的和不导电的,而所述第四压电层掺杂到第四掺杂浓度并与第四压电层 接点相连;所述第二压电层相邻的是所述第一压电层,所述第五压电层相邻的是所述第三 压电层,所述第四压电层被夹在所述第二压电层和所述第五压电层间;所述第一压电层耗 尽区和所述第二压电层形成第一合并压电活性层;所述第三压电层耗尽区和所述第五压电 层形成的第二合并压电活性层;第一直流电压被施加在所述下电极和第四压电层接点之间 以控制所述第一合并压电活性层的厚度,第二直流电压被施加在上电极和第四压电层接点 之间以控制所述第二合并压电活性层的厚度,因此实现了 TFBAR的谐振频率的控制和调节。23. -种可调的微波薄膜体声波滤波器,其特征是包括了: 至少一个第一串联可调谐振器; 至少一个第二并联可调谐振器,各对在第一接点连接; 至少一个第一耦合电容和至少一个第二耦合电容,用于阻断直流电压; 至少一个第一隔离电感器,用于阻止RF信号; 至少一个具有电压值V1S的第一直流电压源VDC1,施加在所述第一隔离电感器和整个组 合的所述第一串联谐振器和第二并联谐振器上,以建立所述第一串联谐振器和第二并联谐 振器的偏压,从而控制和调整谐振中心频率以及施加到第一射频输入接点的RF信号的传 输,从而使在所述谐振中心频率及附近的微波信号被允许传播通过第一谐振器,以达到RF 输出接点,使得通过所述第一直流电压源的电压可以选择和控制所述可调微波体声波滤波 器的微波传输的中心频率。24.如权利要求23所述的可调的微波薄膜体声波滤波器,其特征是还包括: 至少一个第二隔离电感器,以隔离RF信号; 第二直流电压源,以连接所述第二隔离电感器, 所述第一直流电压VDC1和所述第二直流电压VDC2被调节,使所述薄膜体声波滤波器传输 微波的中心频率被选择和控制到一个期望值。
【文档编号】H03H9/54GK106026964SQ201610361145
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月29日
【发明人】邱星星, 石以瑄, 邱树农, 石恩地, 邱书涯, 石宇琦, 韩露
【申请人】邱星星, 石以瑄, 邱树农, 石恩地, 邱书涯, 石宇琦, 韩露
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