[发明专利]基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器，该声波谐振器包括：衬底；种子层，设置在衬底上，衬底与种子层形成布拉格反射结构；掺杂层，设置在种子层上；金属电极，设置在掺杂层上；其中，种子层用于增加掺杂层与衬底之间的晶格匹配度，以及用于反射掺杂层发射的声波。本发明还提供一种上述声波谐振器的制备方法。

技术领域

本发明涉及压电薄膜谐振器制备领域，尤其涉及一种基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器及其制备方法。

背景技术

为了满足5G和6G的应用需求，市场要求实现高结晶度压电材料和高谐振频率、高Q值(品质因素)、高机电耦合系数(高带宽)的声波谐振器，而当前市场应用广泛的声表面波(SAW)滤波器很难满足高频率的要求。传统的基于AlN薄膜的谐振器制备技术中，如果不进行元素掺杂，SAW模态(叉指电极模态)的机电耦合系数非常低，其带宽无法用于5G或者6G；如果进行元素掺杂，利用传统的磁控溅射技术在硅衬底上生长，又得不到高结晶度的高掺杂薄膜。相关研究中的IHP SAW(超级叉指电极模态)都是用铌酸锂或者钽酸锂单晶薄膜制备的，制备得到的谐振器具有较高的机电耦合系数，但是目前还没发现高质量高结晶度的薄膜生长方式，只能通过Layer Transfer(层转移法)或者研磨方式实现，成本很高，薄膜的一致性很难控制。相关研究中有学者基于Al_0.77Sc_0.23N(掺钪氮化铝)薄膜在硅衬底上制备出工作在2.3GHz的压电谐振器，但是其机电耦合系数(k²)只有1.03％，还不能满足4G或5G高带宽滤波器的设计需求。

发明内容

有鉴于此，为了得到具有高机电耦合系数的声波谐振器，本发明提供一种基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器及其制备方法。

本发明提供一种基于高结晶度掺杂压电薄膜的声波谐振器，该声波谐振器包括：衬底；种子层，设置在衬底上，衬底与种子层形成布拉格反射结构；掺杂层，设置在种子层上；金属电极，设置在掺杂层上；其中，种子层用于增加掺杂层与衬底之间的晶格匹配度，以及用于反射掺杂层发射的声波。

在一些实施例中，种子层包括一层或多层，每层的材料包括以下之一：氮化铝、二氧化硅、氮化镓、碳化硅、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂。

在一些实施例中，种子层包括多组叠层，每组叠层至少包括N层，N≥2；不同组叠层包括相同的层数；不同组叠层中的第i层材料相同，其中，1≤i≤N。

在一些实施例中，掺杂层上包括刻蚀区域和未刻蚀区域，刻蚀区域为凹槽。

在一些实施例中，金属电极设置在掺杂层的未刻蚀区域上。

在一些实施例中，金属电极设置在掺杂层的凹槽上。

在一些实施例中，掺杂层为包含掺杂元素的压电材料。

在一些实施例中，掺杂层为Al_1-xSc_xN，其中x的取值范围在0.05至0.8之间。

在一些实施例中，种子层和掺杂层的形成方式包括以下之一：层转移法、磁控溅射法、外延生长法、金属有机化学气相沉积法。

在一些实施例中，掺杂层的刻蚀区域的深度为10～500nm。

在一些实施例中，掺杂层的刻蚀区域的深度与掺杂层的未刻蚀区域的厚度的归一化比值在0～1之间。

在一些实施例中，金属电极包括以下一种：铝、金、钼、铂、钨或由铝、金、钼、铂、钨中的至少两个组成的合金。

在一些实施例中，金属电极的厚度为10～2000nm。

在一些实施例中，上述的声波谐振器还包括温度补偿层，温度补偿层设置在金属电极上。