一种高声速高频高性能的窄带滤波器的制作方法

1.本发明涉及移动通信领域，尤其涉及手机射频前端中的一种高声速高频高性能的窄带滤波器。


背景技术：

2.手机的射频前端是智能手机的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，当前滤波器的三大主流技术是声表面波(saw)、体声波(baw)、以及薄膜体声波(fbar)滤波器。
4.其中，低频和中频段又以saw滤波器为主；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.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以其优异的温度补偿性能，以及较低的插入损耗，可比拟甚至超越部分baw、fbar滤波器，成为现阶段saw滤波器产业的一大发展趋势。
7.ihp
‑
saw的三大优点：
8.1、高q值，ihp
‑
saw器件，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(qmax～3000，而传统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≤
‑
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技术具有如下的问题：
13.一、ihp
‑
saw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功率35dbm，不满足5g通信高功率要求；
15.三、ihp
‑
saw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，目前尤其需要一种具有高工作频率、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.本发明高频高性能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.本发明高频高性能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。本发明的窄带宽滤波器的相对带宽≤5％(相对带宽＝2k
t2
)，机电耦合系数≤2.5％，本发明的滤波器实现了高频低机电耦合系数。
20.本发明涉及一种窄带滤波器，包括：高声速材料衬底层、低声速材料层、高声速材料压电层、以及设在压电层上的电极。
21.其中压电层的高声速材料为有c轴取向的单晶aln；
22.其中低声速材料层为lgs层，欧拉角为0
°
,138.5
°
,26.6
°
；
23.其中衬底层的高声速材料为si、sin、al2o3、3c
‑
sic、w、4h
‑
sic或6h
‑
sic；
24.其中电极为idt电极，全部埋入压电层或处于压电层之上，由ti、al、cu、au、pt、ag、pd、ni或者其层叠体构成；
25.衬底层厚度为5λ、低声速材料层厚度为0.1λ、压电层厚度为0.5λ、电极宽度和电极之间的间距均为0.25λ，其中λ为所述电极激发的声波波长。
26.所述衬底层和所述低声速材料层共同形成布拉格反射层，其通过采用pecvd、cvd、mocvd、mbe方式在所述衬底层上镀一层lgs层来实现。
27.本发明的窄带滤波器，可进一步包括更多层由所述衬底层和所述低声速材料层共同形成的布拉格反射层。布拉格反射层的层数可以为2－9层，由所述衬底层和所述低声速材料层交替叠加形成。
28.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
29.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。
30.图1是根据本发明一实施例的电极埋入压电层ihp谐振器的结构模型示意图；
31.图2是图1的电极埋入压电层ihp谐振器的结构示意图；
32.图3是根据本发明另一实施例的电极未埋入压电层ihp谐振器的结构示意图；
33.图4是根据本发明的布拉格反射层为2层ihp谐振器的结构示意图；
34.图5是根据本发明的布拉格反射层为n层ihp谐振器的结构示意图；
35.图6是根据本发明的布拉格反射层为1层ihp谐振器的导纳图；
36.图7是根据本发明的布拉格反射层为2层ihp谐振器的导纳图；
37.图8是根据本发明的布拉格反射层为3层ihp谐振器的导纳图。
具体实施方式
38.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。
39.本发明涉及一种高声速高频高性能的窄带滤波器，包括：高声速材料衬底层、低声速材料层、高声速材料压电层、以及设在压电层上的电极。
40.衬底层和低声速材料层共同形成布拉格反射层。压电层采用c轴单晶aln,大幅提高了器件功率耐受性，低声速层采用特殊切向的lgs，利用lgs的弱压电特性，可以获得高声速高频高q值窄带滤波器。同时单晶aln与lgs二者热膨胀系数匹配，会提高二者之间的薄膜接合强度，高温时二者不易剥离。
41.本发明实现了高工作频率、高功率、高q值、低插损的滤波器。
42.图1和图2是根据本发明的一个实施例电极埋入压电层的ihp谐振器结构模型示意图和ihp谐振器示意图。
43.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。
44.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，其可以为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)。
45.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。
46.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。
47.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，欧拉角为(0
°
,138.5
°
,26.6
°
)。lgs为低声阻抗材料，具有压电特性，压电层频率温度系数为负。上述lgs根据不同切向具有不同频率温度系数tcf，通过控制切向，获得正频率温度系数，与单晶aln频率温度系数叠加，可以降低器件的tcf值。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.图3是根据本发明另一实施例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。
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。从发明人的实验数据可知，相比传统ihp最大功率值为35dbm，本发明的最大功率值为38.4dbm，功率耐受性获得了大幅提高。
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，分别对应于布拉格反射层的层数n为1、2、3层的ihp谐振器的导纳图。从图中可知：
56.在n＝1时：声速v＝7594m/s,fs＝7.587ghz,fp＝7.601ghz,f0＝7.594ghz,相对带宽＝2xk2，k2＝0.46％，相对带宽为0.92％，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＝2688，具有高q值，器件插损较低。
57.在n＝2时：声速v＝6608m/s,fs＝6.6ghz,fp＝6.616ghz,f0＝6.608ghz,相对带宽＝2xk2，k2＝0.6％，相对带宽为1.2％。q＝3321.5,具有更高q值，器件插损较低。这对应于图4的情况。
58.在n＝3时：声速v＝7548m/s,fs＝7.544ghz,fp＝7.552ghz,f0＝7.548ghz,相对带宽＝2xk2，k2＝0.26％，相对带宽为0.54％。q＝10633,具有极高q值，器件插损非常低。
59.本发明的压电层采用c轴单晶aln，低声速层采用特殊切向的lgs，利用lgs的弱压电特性，可以获得高声速高频高q值窄带滤波器。
60.单晶aln与lgs二者热膨胀系数匹配，会提高二者之间的薄膜接合强度，高温时二者不易剥离。
61.采用c轴取向单晶aln作为压电层，可以大幅提高器件功率耐受性。
62.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。