涉及一种压电材料，包括：AlN，其掺杂有选自下组的一种或多种元素的阳离子：Sb、Ta、Nb或Ge中的一种；Cr与B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，Tm或Yb中的一种或多种的组合；Nb和Ta中的一种与Li、Mg、Ca、Ni、Co、和Zn中的一种的组合；Ca与Si、Ge、Ti、Zr和Hf中的一种的组合；Mg与Si、Ge、和Ti中的一种的结合；以及Co、Sb、Ta、Nb、Si、或Ge中的一种或多种与Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种的组合；阳离子至少部分取代压电材料的晶体结构中的Al。
Substitution aluminum nitride for improved acoustic filter
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改进的声波滤波器的取代氮化铝相关申请的交叉引用本申请主张根据35U.S.C.§119(e)于2017年7月7日提交的题为“用于改进的声波滤波器的取代氮化铝”的美国临时专利申请No.62/529,742的优先权，就各方面而言将其全部内容通过引用合并于此。
技术介绍
氮化铝(AIN)是已用于在1-5GHz范围内工作的体声波(BAW)和薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器中的一种压电材料。较大的IIIA族氮化物(例如GaN和InN)显示出沿着该族系列而显著降低的压电系数。AlN的性质可以用诸如钪之类的铝的取代物来改性。然而，对于这些材料，仍然需要改进的机电耦合、更高的介电常数、更大的声速和更好的温度稳定性，这可以导致BAW滤波器的性质的改进。如本文所使用的，术语“BAW滤波器”包括FBAR滤波器。可以在声波滤波器中使用的压电材料的理想性质包括：·高声速，例如大于12,000m/sec·良好的耦合常数，例如大于5％·高介电常数，用以减小器件尺寸·用于沉积及集成的稳定的材料系统及晶体结构·宽带隙，其使材料成为具有低泄漏的良好绝缘体BAW滤波器的各种参数与这种滤波器中利用的压电材料的材料性质之间的关系包括：·增加的带宽＝增加的耦合因子k2·滤波器的陡峭边缘＝增加的品质因子Q·滤波器厚度小型化＝增加的声速v＝(c33/ρ)1/2；c33＝弹性模量，p＝材料密度。·x-y平面中的滤波器小型化＝增加的介电常数·低漏电流，更好的绝缘体＝宽带隙·滤波器温度稳定性＝压电响应的温度稳定性当在声波滤波器中使用压电材料时，与所述压电材料的性能相关的压电材料的材料性质包括：·kt2＝e332/(cD33ε33s)＝d332/(cE33ε33T)＝π2/4(1-(fs/fp))＝K2/(1+K2)：K＝e332εRε0cE33(kt2是耦合因子，e33和d33是压电系数，cD33和cE33是弹性模量，ε33是介电常数，且εR是相对介电常数。fs和fp分别是串联和并联谐振频率·信噪比(SNR)＝e312/(ε0ε33tanδ)1/2·fs，m(GHz)＝最小阻抗点的频率，其接近且理论上等于串联谐振频率·fp(GHz)＝并联谐振频率·纵向声速v1＝(c33/ρ)1/2·FOM(品质因数)＝k2eff，mxQ在图1中示出了声波滤波器的示例的阻抗相对于频率的图，其示出了串联谐振频率和并联谐振频率的位置。在微波频率下，材料的介电常数由离子极化率支配。在图2中示出了说明各种三价阳离子的介电极化率相对于晶体半径的图。介电常数的克劳修斯-莫索提(Clausius-Mossetti)关系如下：-αD＝3/4π[(Vm)(ε’-1)/(ε’+2)]·αD＝总离子极化率·Vm＝摩尔体积·ε’＝材料的介电常数-αD＝∑αi·αi表示单个离子极化率。-ε′＝(3Vm+8παD)/(3Vm-4παD)共价效应使离子模型“模糊”。取决于所使用的一种或多种掺杂剂，掺杂的AlN可以显示出离子键和共价键两者的特性。AlN基谐振器显示出在-25至-30ppm/℃范围内的频率温度系数(TCF)漂移。相比之下，GaN的TCF约为-18ppm/℃。谐振频率的TCF漂移主要由弹性模量中的热漂移支配。谐振频率的过度热漂移是有问题的，这是因为可能需要在谐振器上沉积一层二氧化硅(SiO2)以补偿谐振频率的TCF漂移，从而导致降低的耦合因子(k2)和寄生谐振。用诸如钪(Sc)之类的材料掺杂AlN对调整TCF几乎没什么作用。根据以下公式，材料的声速与材料的体积模量和密度相关：v＝(K/ρ)1/2·K＝材料的体积模量·p＝密度材料的纵向声速可以通过以下公式计算：v1＝(c33/ρ)1/2各种机电材料的声速和其他选择的材料参数在图3的表格中示出。4H型六边形层叠碳化硅(SiC)(纤锌矿)具有很高的声速(13,100m/s)。然而，含SiC的AlN的固溶体是不可行的。包括AlN、氮化镓(GaN)、和氮化铟((InN)在内的各种氮化物均假定具有空间群c46V的纤锌矿晶体结构。空间群是指周期性晶格中显示的三维对称特征。该结构的图示在图4中示出。纤锌矿结构包括呈AB型六边形结构中的四面体配位的阳离子和阴离子。纤锌矿结构展现出与自发极化相容的最高的对称性。纤锌矿晶体结构的关键晶体参数包括六方形c、六方形a和键长u。这些参数在图4中示出。在AlN中，c轴键相对于其他键是伸长的。用于AlN、GaN和InN的这些晶体参数如下表格1所示：表格1在上表中，u是键长。它通常是无量纲的，并表示为尺寸c参数的一部分。以度量的键长可以通过(c/a)乘以u来确定。纤锌矿结构氮化物更像II-VI材料(ZnO)，而不是其他III-V材料。纤锌矿结构氮化物具有相同的压电系数符号和高波尔(Born)有效电荷(象似性)。从GaN-＞InN-＞AlN，键长(u)变长，c/a变小。用于各种III-V纤锌矿氮化物AlN、GaN、以及InN和II-VI纤锌矿氧化物的各种材料参数，包括自发极化、Born有效电荷以及压电常数，在图5A的表格中示出。AlN、GaN和InN的其他性质在图5B的表格中示出。ZnO可以被认为是诸如AlN或GaN之类的纤锌矿结构的III-V氮化物(例如AlN或GaN)的模型。ZnO比AlN或GaN具有更大的压电系数，比GaN具有更高的有效电荷，并且比GaN具有更大的应变极化响应。已经观察到用较小的阳离子取代ZnO中的Zn2+增强了压电响应。不受特定理论的束缚，据信ZnO中的压电响应是由于非共线键绕c轴的旋转而发生的。用较小的高电荷离子取代ZnO中的Zn增强了这种旋转(例如，用V5+取代Zn2+)。尽管这种机制可以增强GaN中的压电性，但在AlN中没有多少离子比AlN中的Al小(例如Si4+)。V5+或Ta5+上的高电荷，可能用铝空位补偿的电荷，可以增强AlN中的这种旋转效应。不受特定理论的限制，还认为缺陷可以在掺杂的ZnO和AlN中起到增强压电性的作用，因为缺陷的存在违反了电荷平衡和Grimm-Summerfeld概念。可以通过掺杂的AlN中的反位缺陷(NA1)、氮间隙(Ni)或A1空位来完成电荷补偿。AlN具有各种特性，这使其在声波谐振器和滤波器中作为压电材料具有吸引力。这些性质包括：·宽带隙(6.2eV)·高导热率(2W/cm-K)·高电阻率(1x1016Ω-cm)·高击穿电压(5x105V/cm)·高品质因子(BAW在2GHz时为3,000)·中等耦合系数(BAW为6.5％)·中等压电系数(e33＝1.55C/m2)·高纵向声速(BAW为11,300m/s)·低传播损耗·易于制备c轴取向薄膜·化学稳定·兼容IC技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种压电材料，包括：/n掺杂有选自下组中的一种或多种元素的阳离子的AlN：/na)Sb、Ta、Nb或Ge中的一种；/nb)Cr与B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种的组合；/nc)Nb和Ta中的一种与Li、Mg、Ca、Ni、Co和Zn中的一种的组合；/nd)Ca与Si、Ge、Ti、Zr和Hf中的一种的组合；/ne)Mg与Si、Ge和Ti中的一种的组合；以及/nf)Co、Sb、Ta、Nb、Si或Ge中的一种或多种与Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种的组合；/n所述阳离子至少部分取代所述压电材料的晶体结构中的Al。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170707 US 62/529,7421.一种压电材料，包括：
掺杂有选自下组中的一种或多种元素的阳离子的AlN：
a)Sb、Ta、Nb或Ge中的一种；
b)Cr与B、Sc、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种的组合；
c)Nb和Ta中的一种与Li、Mg、Ca、Ni、Co和Zn中的一种的组合；
d)Ca与Si、Ge、Ti、Zr和Hf中的一种的组合；
e)Mg与Si、Ge和Ti中的一种的组合；以及
f)Co、Sb、Ta、Nb、Si或Ge中的一种或多种与Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或多种的组合；
所述阳离子至少部分取代所述压电材料的晶体结构中的Al。
2.如权利要求1所述的压电材料，其具有分子式Al1-xGe3/4x□1/4xN或者Al1-5/3xTa5+x□2/3xN中的一种，□表示所述压电材料的所述晶体结构中的在Al位点的空位。
3.如权利要求1所述的压电材料，其具有分子式Al1-2xBxCrxN，0＜x＜0.15。
4.如权利要求1所述的压电材料，其具有分子式Al1-5/3x-3yMg2yTax+y□2/3xN，...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·D·希尔，P·L·甘默尔，
申请(专利权)人：天工方案公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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