声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器技术

本发明专利技术提供一种声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器，具有高品质因素Q、高机电耦合系数、良好的TCF特性和耐功率性。本发明专利技术的声表面波谐振器，包括：复合压电衬底，该复合压电衬底具有：LGS基底层，该LGS基底层由单晶LGS形成，及形成在LGS基底层之上的GaN压电层，该GaN压电层的厚度不超过在声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍；以及形成在GaN压电层上的叉指电极。压电层上的叉指电极。压电层上的叉指电极。

【技术实现步骤摘要】
声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器


[0001]本专利技术涉及声表面波器件
更具体地，涉及一种使用复合衬底的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器

技术介绍

[0002]随着信息技术的高速发展，尤其是在无线通信领域，广泛应用于各类通讯设备、数据传输设备、视听设备和定位导航设备等的射频前端显得愈发重要。射频前端是指射频收发器和天线之间的功能区域，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。而为了适应通信领域的飞速发展，对于射频前端的各种性能提出了更高要求。
[0003]声表面波(SAW：surface acoustic wave)滤波器作为射频前端的关键器件，基于压电材料的压电效应并通过声表面波来进行工作，其利用形成于压电材料表面的叉指换能器(IDT：interdigital transducer，一种周期性的金属电极的结构，形状如同双手交叉，故又称之为叉指电极)，将输入的电信号转换为声波信号或将声波信号转换为电信号，以此来提取和处理信号，具有尺寸小、成本低、轻量化、一致性好以及兼容半导体工艺而适于大批量生产的优势。
[0004]其中，压电材料的种类、机电耦合系数、温度系数、高温电阻率、声表面波波速等等都决定了声表面波滤波器的性能优劣。目前常用的压电材料有单片石英、铌酸锂或钽酸锂晶体制成的晶片、氮化铝薄膜等。其中，石英在温度达到573℃时会丧失压电特性，无法用于高温环境；铌酸锂晶体的居里温度为1210℃，但在600℃以上的温度下，其低电阻率也限制了其在高温环境下的应用；氮化铝是非铁电材料，其薄膜在1150℃以下具有良好的压电特性，但难以制备高质量和大尺寸的氮化铝薄膜。此外，也有选用硅酸镓镧(LGS)的压电单晶材料。硅酸镓镧具有良好的温度特性，机电耦合系数是石英的2至3倍，声表面波波速小于石英，有利于降低损耗，提高声表面波器件的工作带宽并减小器件尺寸。并且，硅酸镓镧在室温到熔点1470℃之间不会发生相变，温度稳定性好，十分适合在高温环境下工作。
[0005]在使用上述的压电材料时，由于其对温度的高敏感性、以及弱机电耦合，导致所制备的声表面波滤波器的通带特性不佳。而随着通信技术的发展，尤其是5G通信技术的进步，对于声表面波滤波器的性能及相应的结构、材料提出了更高的要求，例如品质因素Q、有效机电耦合系数、插入损耗、带宽、TCF、耐功率性等指标均需要改善和提升。

技术实现思路

[0006]提供本
技术实现思路
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
技术实现思路
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。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种使用复合压电衬底的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器，其中利用LGS(硅酸镓镧)与GaN(氮化镓)构成复合压电衬底，从而结合LGS的低温度系数、高电阻率、低声速、优良压电性能以及GaN的优良
散热性、高电子迁移率、低介电常数的特性，得到一种高品质高性能的声表面波滤波器，能够在高频高温高功率下稳定地工作且具有良好的散热性。
[0008]本专利技术的声表面波谐振器作为构成声表面波滤波器的基本单元，包括：复合压电衬底，该复合压电衬底具有：LGS基底层，该LGS基底层由单晶LGS形成，及形成在所述LGS基底层之上的GaN压电层，该GaN压电层的厚度不超过在声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍；以及形成在所述GaN压电层上的叉指电极。
[0009]在本专利技术中，利用由硅酸镓镧(LGS)和氮化镓(GaN)结合而成的复合压电衬底来制备声表面波谐振器。其中，将单晶压电材料LGS用作为复合压电衬底的基底层。单晶LGS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，而且，LGS在特定切向(如声波传播方向欧拉角(0
°
，138.5
°
，26.5
°
)的晶体切片)下具有0温度系数。通过在单晶LGS基底层上生长GaN压电层，从而形成本专利技术的声表面波谐振器的复合压电衬底。GaN材料的晶体结构为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构，晶格对称性比较低，从而具有很强的压电性和铁电性。GaN材料在稳定性方面也表现突出，并且具有高硬度和高熔点，熔点约为1700℃。此外，GaN材料的散热性十分优异，导热系数为1.3W/(cm
·
K)，GaN材料还具有很高的击穿电场，因此是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料之一。GaN的高饱和电子迁移率和低介电常数，使其非常适合在高频下工作，而良好的绝缘性和散热性能，又使其适合在高温、高功率下工作。因此，本专利技术人选择GaN材料作为复合压电衬底中的压电层，使其与作为基底层的单晶LGS结合，来实现适合高频高温高功率的声表面波谐振器。另一方面，GaN压电层的厚度取决于由此制备得到的声表面波器件的工作频率。在本专利技术中，GaN压电层的厚度不超过在声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍，能够有效减少杂波而提升器件性能。
[0010]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，所述LGS基底层在声波传播方向欧拉角(0
°
,138.5
°
,26.5
°
)下具有0温度系数。
[0011]利用该单晶LGS在欧拉角(0
°
,138.5
°
,26.5
°
)下的0温度系数，能够制备出温度特性接近于0ppm/℃的声表面波谐振器和滤波器，从而能够满足5G通信技术的要求。
[0012]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，所述GaN压电层是外延生长在所述LGS基底层上的外延单晶薄膜。GaN的生长需要一定的温度以及一定的NH3分压，而外延生长的方式可以得到高质量且稳定的GaN单晶薄膜已经在半导体等相关领域得到充分的证明。
[0013]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，所述GaN压电层通过MOCVD、MBE、HVPE中的任一种方式形成在所述LGS基底层上。
[0014]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，在所述GaN压电层与所述LGS基底层之间还形成有用于制备所述GaN压电层的种子层，且该种子层的厚度在以内。
[0015]种子层的设置能够使后续制备的GaN压电层的晶体结构更加均匀。种子层的材料可通过考虑半导体工艺的兼容性以及与GaN晶格的匹配度来选择，例如可以使用AlN来作为种子层。
[0016]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，所述叉指电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd中的任一种金属、或它们的合金、或它们的层叠体构成。
[0017]为了增强叉指电极与GaN压电层之间的结合力以提高声表面波谐振器的耐功率性，并获得优良的导电性，叉指电极优选采用上述层叠体的结构，例如自下而上第一层为
Ti/Ni,第二层为Al/pt。
[0018]优选地，本专利技术的声表面波谐振器中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：复合压电衬底，该复合压电衬底具有：LGS基底层，该LGS基底层由单晶LGS形成，及形成在所述LGS基底层之上的GaN压电层，该GaN压电层的厚度不超过在所述声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍；以及形成在所述GaN压电层上的叉指电极。2.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述LGS基底层在声波传播方向欧拉角(0
°
,138.5
°
,26.5
°
)下具有0温度系数。3.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述GaN压电层是外延生长在所述LGS基底层上的外延单晶薄膜。4.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述GaN压电层通过MOCVD、MBE、HVPE中的任一种方式形成在所述LGS基底层上。5.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，在所述GaN压电层与所述LGS基底层之间还形成有用于制备所述GaN压电层的种子层，且该种子层的厚度在以内。6.如权利要求5所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述种子层为AlN。7.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述叉指电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd中的任一种金属、或它们的合金、或它们的层叠体构成。8.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，还包括形成于所述叉指电极表面的保护层。9.如权利要求8所述的声表面波谐振器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：许欣，
申请(专利权)人：广东广纳芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：