一种压电谐振器结构及其制备方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种压电谐振器结构及其制备方法。

背景技术：

1、基于压电材料的压电谐振器被广泛应用于构建射频滤波器，是射频通信领域的重要器件之一；此外，压电谐振器还可被用于实现温度、化学传感器。压电谐振器一般采用压电陶瓷、压电晶体或压电薄膜材料制备而成，其中，基于压电薄膜材料的压电器件具有传统陶瓷体材料压电器件无可比拟的频率、功率容量、和集成化优势。压电器件的工作原理是由射频电信号通过电极在压电薄膜内激励起声波振荡从而实现特定频率和波长的谐振。氧化镓具有超宽禁带宽度，绝缘性好，防漏电能力强，适合用于制备电子器件；氧化镓具有α、β、γ、δ、ε五种相，目前最常使用的是β相氧化镓。但近年来，文献(advanced science,9,2203927,2022)研究表明ε相氧化镓(ε-ga2o3)压电系数大(d33＝11pm/v)，约为常规aln压电薄膜(d33<5pm/v)的两倍以上，适合于制备低损耗、高机电耦合系数的压电谐振器，在射频滤波器等领域具有良好的应用前景。

2、一般而言，为提升体声波谐振器的功能，如提高q值、增加机电耦合系数、改善温度漂移特性等，谐振器中往往含有不同的功能层材料。目前针对体声波谐振器提出了多种不同结构，如发明专利cn106233626a和cn101997512a中，提出在具有声波反射功能的介质材料层上生长压电薄膜，亦即所谓的固态装配结构谐振器(smr)，实现谐振器对声波的束缚作用，从而提升谐振器q值。但对于新型ε-ga2o3材料，由于ε-ga2o3薄膜制备技术不成熟，其生长条件较为严苛，无法直接在各种功能介质层上直接生长ε-ga2o3薄膜，而只能生长在少数特定种类(如aln、蓝宝石、碳化硅等)、特定晶向的基底上生长，这就大大提升了在声波反射功能结构上构筑高性能体声波谐振器结构的难度。此外，为抑制在上下电极间的横向杂波，上下电极往往还采用非对称结构，如专利cn202010374020.0采用多层顶电极来实现上下电极的非对称性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决高质量ε-ga2o3薄膜无法在常用的介质层或金属电极层上生长的问题，形成在声波反射叠层上的体声波谐振器结构，最终实现高性能体声波谐振器。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种压电谐振器，所述压电谐振器包括由下至上依次设置的：基底、反射叠层、底电极层、氧化镓压电层和顶电极层；

4、所述反射叠层由1-4对第一反射层和第二反射层重复堆叠而成；所述第一反射层和所述第二反射层的材料分别选自氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；且所述第一反射层和所述第二反射层的材料不同；

5、所述底电极层分布有开孔，开孔穿过底电极层向下贯通至暴露出反射叠层；

6、所述氧化镓层从暴露的开孔底部开始生长，经开孔向上生长，然后横向生长覆盖整个底电极层。

7、本发明中的开孔可以是贯通底电极层，然后暴露出反射叠层上表面；也可以是贯通底电极层并继续向下，开孔深入到反射叠层中，但没有贯通反射叠层。

8、本发明中，所述氧化镓及氧化镓合金均为ε相。

9、优选地，所述基底包括蓝宝石(0001)、4h碳化硅(001)、6h碳化硅(0001)、氮化铝(0001)中的一种。

10、优选地，所述第一反射层的厚度为谐振频率对应波长的20％-30％。

11、优选地，所述第二反射层的厚度为谐振频率对应波长的20％-30％。

12、优选地，所述氧化镓和氧化镓合金均为ε相。

13、优选地，所述氧化镓合金中的合金元素的组分＞10％，本发明的合金元素指的是镓以外的其他金属。

14、优选地，所述第一反射层和所述第二反射层的材料均为合金时，合成成分不同，或者合金成分相同但合金元素组分差异＞10％。

15、在本发明的一些具体实施例中，所述反射叠层从下自上可以是第一反射层、第二反射层为一对然后重复堆叠，也可以是从下自上第二反射层、第一反射层为一对然后重复堆叠；所述第一反射层为低声阻抗层，所述第二反射层为高声阻抗层。

16、优选地，所述开孔平均横向面积≤压电谐振器横向面积的5％。

17、优选地，所述开孔的平均间距≥压电谐振器结构横向尺寸的50％。

18、优选地，所述开孔的形状包括圆形、长方形、三角形、六边形中的至少一种。

19、优选地，所述氧化镓压电层厚度为100-6000nm。

20、本发明第二方面提供了一种体声波谐振器，所述体声波谐振器包括所述压电谐振器的结构。

21、本发明第三方面提供了一种所述的压电谐振器的制备方法，包括以下步骤：

22、(1)在基底上沉积反射叠层；

23、(2)在反射叠层上沉积底电极层；

24、(3)在底电极层表面开孔，开孔穿过底电极层向下贯通至暴露出反射叠层；从暴露的开孔底部开始生长氧化镓，经开孔向上生长，然后横向生长覆盖整个底电极层形成氧化镓压电层；

25、(4)在氧化镓压电层上沉积顶电极层。

26、优选地，所述步骤(2)-(3)可以替换为：通过涂胶、光刻、显影，在反射叠层形成光刻胶柱，然后沉积底电极层，移出光刻胶柱形成开孔；从暴露的开孔底部开始生长氧化镓，经开孔向上生长，然后横向生长覆盖整个底电极层形成氧化镓压电层；进一步优选地，所述光刻胶柱的高度＞底电极层。

27、优选地，所述制备方法中，可以采用mocvd沉积反射叠层，当采用mocvd沉积反射叠层时，生长温度为500-700℃。

28、优选地，所述制备方法步骤(3)中的开孔具体步骤为：通过涂胶、光刻、显影，在底电极层上形成周期或非周期分布图案，显影后图案底部暴露出底电极层，通过干法刻蚀，沿光刻后形成的图案，刻蚀形成开孔。

29、优选地，所述制备方法中，可以采用cvd沉积氧化镓，也可以采用mocvd沉积氧化镓；当采用cvd沉积氧化镓时，生长温度为550-650℃；当采用mocvd沉积氧化镓时，生长温度为500-650℃。

30、优选地，所述制备方法中，采用电子束蒸发法或磁控溅射沉积顶电极。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明一方面构筑了具有布拉格反射叠层的完整的体声波谐振器结构，另一方面由于布拉格反射叠层与压电层具有相似的晶体结构，可以保证压电层的高质量生长。此外，由于底电极的开孔，薄膜横向生长，可以实现表面平整的ε-ga2o3薄膜生长，同时可以破坏上下电极的对称性，抑制横向杂波。

技术特征：

1.一种压电谐振器，其特征在于，所述压电谐振器包括由下至上依次设置的：基底、反射叠层、底电极层、氧化镓压电层和顶电极层；

2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述基底包括蓝宝石(0001)、4h碳化硅(001)、6h碳化硅(0001)、氮化铝(0001)中的一种。

3.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述氧化镓合金中的合金元素的组分＞10％。

4.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一反射层和所述第二反射层的材料均为合金时，合成成分不同，或者合金成分相同但合金元素组分差异＞10％。

5.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述开孔平均横向面积≤压电谐振器横向面积的5％。

6.根据权利要求5所述的压电谐振器，其特征在于，所述开孔的平均间距≥压电谐振器结构横向尺寸的50％。

7.根据权利要求6所述的压电谐振器，其特征在于，所述开孔的形状包括圆形、长方形、三角形、六边形中的至少一种。

8.一种体声波谐振器，其特征在于，所述体声波谐振器包括权利要求1-7任意一项所述的压电谐振器的结构。

9.一种权利要求1-7任一项所述的压电谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的压电谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)-(3)可以替换为：通过涂胶、光刻、显影，在反射叠层形成光刻胶柱，然后沉积底电极层，移出光刻胶柱形成开孔；从暴露的开孔底部开始生长氧化镓，经开孔向上生长，然后横向生长覆盖整个底电极层形成氧化镓压电层。

技术总结
本发明公开了一种压电谐振器结构及其制备方法。一种压电谐振器，包括由下至上依次设置的：基底、反射叠层、底电极层、氧化镓压电层和顶电极层；所述反射叠层由1‑4对第一反射层和第二反射层重复堆叠而成；第一反射层和第二反射层的材料分别选自氧化镓，或镓与铟、铝、钪三种金属元素中的至少一种形成的氧化镓合金；第一反射层和第二反射层的材料不同；所述底电极层分布有开孔，开孔穿过底电极层向下贯通至暴露出反射叠层；所述氧化镓层从暴露的开孔底部开始生长，经开孔向上生长，然后横向生长覆盖整个底电极层。本发明由于底电极的开孔，薄膜横向生长，可以实现表面平整的ε‑Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;薄膜生长，同时可以破坏上下电极的对称性，抑制横向杂波。

技术研发人员：陈梓敏,王钢,卢星
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15