Title:
BAW-Resonator mit reduzierten Störmoden, BAW-Filter und Verfahren zum Herstellen
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein BAW-Resonator mit reduzierten Störmoden umfasst eine untere Elektrode, eine obere Elektrode, eine untere piezoelektrische Schicht zwischen den Elektroden, eine obere piezoelektrische Schicht zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode und eine leitfähige Schicht zwischen den beiden piezoelektrischen Schichten.





Inventors:
Caruyer, Gregory, Dr. (80805, München, DE)
Application Number:
DE102016103959A
Publication Date:
09/07/2017
Filing Date:
03/04/2016
Assignee:
SnapTrack, Inc. (Calif., San Diego, US)
International Classes:
H03H9/15; H03H3/04
Domestic Patent References:
DE102006042010A1N/A2007-03-22
Foreign References:
68126192004-11-02
Other References:
Beitrag „Improved Modelling of Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters” (A. Hagelauer et al., in den Proceedings of 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium)
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. BAW-Resonator (BAWR) mit reduzierten Störmoden, umfassend
– eine untere Elektrode (BE) und eine obere Elektrode (TE),
– eine untere piezoelektrische Schicht (BPL), die zwischen der unteren Elektrode (BE) und der oberen Elektrode (TE) angeordnet ist,
– eine obere piezoelektrische Schicht (TPL), die zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) und der oberen Elektrode (TE) angeordnet ist, und
– eine leitfähige Schicht (CL), die zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) und der oberen piezoelektrischen Schicht (TPL) angeordnet ist, wobei
– die leitfähige Schicht (CL) elektrisch potentialfrei ist.

2. BAW-Resonator des vorhergehenden Anspruchs, der ferner n zusätzliche leitfähige Schichten (ACL) zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) und der oberen piezoelektrischen Schicht (TPL) und n zusätzliche piezoelektrische Schichten (APL) zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) und der oberen piezoelektrischen Schicht (TPL) in einer solchen Art und Weise umfasst, dass jede leitfähige Schicht (ACL, CL) von einer anderen leitfähigen Schicht (ACL, CL) durch wenigstens eine piezoelektrische Schicht (APL, BPL, TPL) getrennt ist, wobei n eine natürliche Zahl ≥ 1 ist.

3. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitfähige Schicht (CL) ein elektrisches Feld einer horizontalen Orientierung in einem Randbereich des Resonators (BAWR) reduziert.

4. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
– der Überlappungsbereich der unteren Elektrode (BE), der piezoelektrischen Schichten (BPL, APL, TPL) und der oberen Elektrode (TE) den Aktivbereich des Resonators bestimmt und
– die leitfähige Schicht (CL) eine homogene Materialzusammensetzung und homogene Dicke innerhalb des Aktivbereichs aufweist.

5. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
– sich eine Dickendehnungswellenmode mit einer halben Wellenlänge λ/2 in einer Richtung der Dicke des Resonators (BAWR) ausbreiten kann und
– die leitfähige Schicht (CL) eine Dicke zwischen 0,01 λ und 0,1 λ aufweist.

6. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
– das Material der piezoelektrischen Schichten (BPL, APL, TPL) aus LiTaO3, LiNbO3, Quarz, AlN, Sc-dotiertem AlN, PZT, ZnO ausgewählt ist,
– das Material der Elektrodenschichten (BE, TE) aus Al, Cu, Ag, Au, W, Ru, Mo, Ti, Ta, einer Legierung mit wenigstens zwei dieser Metalle, AlCu, ausgewählt ist und
– das Material der leitfähigen Schicht (CL, ACL) aus Al, Cu, Ag, Au, W, Ru, Mo, Ti, Ta, einer Legierung mit wenigstens zwei dieser Metalle, AlCu, ausgewählt ist.

7. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit 50 nm ≤ d ≤ 500 nm, wobei d die Dicke der leitfähigen Schicht (CL, ACL) ist.

8. BAW-Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator (BAWR) ein Resonator vom SMR-Typ oder ein Resonator vom TFBAR-Typ ist.

9. BAW-Filter, umfassend
– zwei oder mehrere BAW-Resonatoren (BAWR) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Träger (C), wobei
– die Resonatoren (BAWR) nebeneinander auf dem Träger (C) angeordnet sind,
– zwei Resonatoren (BAWR) eine jeweilige leitfähige Schicht (CL) an derselben vertikalen Position aufweisen und
– die beiden leitfähigen Schichten (CL) elektrisch voneinander getrennt sind.

10. Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators (BAWR) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte
– Erzeugen einer unteren Elektrode (BE),
– Erzeugen einer unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) auf der unteren Elektrode (BE),
– Erzeugen einer leitfähigen Schicht (CL) auf der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL),
– Erzeugen einer oberen piezoelektrischen Schicht (TPL) auf der leitfähigen Schicht (CL),
– Erzeugen einer oberen Elektrode (TE) auf der oberen piezoelektrischen Schicht (TPL).

11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend den Schritt
– abwechselndes Erzeugens zusätzlicher leitfähiger Schichten (ACL) und zusätzlicher piezoelektrischer Schichten (APL) zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht (BPL) und der oberen piezoelektrischen Schicht (TPL).

Description:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf BAW-Resonatoren (BAW = Volumenschallwelle), die reduzierte Störmoden aufweisen und die in HF-Filtern benutzt werden können.

BAW-Resonatoren weisen eine Sandwichkonstruktion mit zwei Elektroden und einem piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden auf. Wenn ein HF-Signal einer geeigneten Frequenz an die Elektroden angelegt wird, resoniert die Konstruktion während das piezoelektrische Material aufgrund des piezoelektrischen Effekts elektrische Oszillationen in akustische Oszillationen umwandelt und umgekehrt. Die Sandwichkonstruktion weist einen Schichtstapel auf und die Dicke der Schichten und die Materialien der Schichten bestimmen die charakteristische Frequenz des Stapels. Eine Resonanz wird erzielt, falls die charakteristische Frequenz mit der extern angelegten HF-Frequenz übereinstimmt. Wenn derartige Resonatoren elektrisch zusammengeschaltet sind, z. B. in einer leiterartigen Konfiguration, dann können HF-Filter, z. B. Bandpassfilter oder Bandsperrfilter, gebildet werden. HF-Filter, die BAW-Resonatoren umfassen, können eine gute Leistungsdauerhaftigkeit pro Grundfläche, die für die Resonatoren benötigt wird, aufweisen. Somit sind derartige HF-Filter für die Verwendung in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen gut geeignet.

Zusätzlich zu den für die Filterfunktionalität benötigten Resonanzen werden jedoch unerwünschte Oszillationsmoden (auch bekannt als Störmoden) in herkömmlichen BAW-Resonatoren angeregt. Störmoden verursachen Welligkeit im Passband bzw. Sperrband des Filters, die den Gütefaktor Q der Resonatoren reduziert, was zu Verlusten in den entsprechenden Filtern führt.

Ein Mittel zum Reduzieren der Störmoden ist eine rahmenartige Struktur, die auf der obersten Elektrode angeordnet ist, z. B. vom US-Patent US 6,812,619 oder vom Beitrag „Improved Modelling of Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters” (A. Hagelauer et al., in den Proceedings of 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium) bekannt. Des Weiteren brauchen derartige Resonatoren eine größere Grundfläche, was aufgrund der gegenwärtigen Entwicklung in Richtung Miniaturisierung unerwünscht ist.

Was somit gebraucht wird, ist ein Resonator, der verbesserte elektroakustische Eigenschaften, ohne den Bedarf nach einer zusätzlichen Fläche, aufweist.

Ein derartiger Resonator, ein entsprechendes Filter und ein Verfahren zum Herstellen derartiger Resonatoren sind durch die Ansprüche bereitgestellt. Abhängige Ansprüche bieten bevorzugte Ausführungsformen.

Ein Resonator mit reduzierten Störmoden umfasst eine untere Elektrode und eine obere Elektrode. Der Resonator umfasst ferner eine untere piezoelektrische Schicht, die zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode angeordnet ist. Der Resonator umfasst ferner eine obere piezoelektrische Schicht, die zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode angeordnet ist. Zusätzlich dazu weist der Resonator eine leitfähige Schicht auf, die zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Die leitfähige Schicht ist elektrisch potentialfrei. Die untere Elektrode und die obere Elektrode können benutzt werden, um den Resonator mit einer externen Schaltungsumgebung, z. B. eines HF-Filters, elektrisch zu verbinden. Die untere Elektrode und die obere Elektrode empfangen das externe elektrische Signal und das piezoelektrische Material zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode wandelt zwischen elektrischen und akustischen Signalen um. Somit wird das elektrische Potential der unteren Elektrode und der oberen Elektrode bestimmt.

Im Gegensatz dazu ist die leitfähige Schicht potentialfrei, was bedeutet, dass die leitfähige Schicht weder mit der unteren Elektrode noch mit der oberen Elektrode noch mit einem anderen externen elektrischen Potential elektrisch verbunden ist.

Die untere Elektrode, die obere Elektrode und die leitfähige Schicht umfassen ein elektrisch leitfähiges Material, was für die verschiedenen Elektrodenschichten oder leitfähigen Schichten verschieden sein kann.

Somit weist der Schichtstapel des vorliegenden Resonators ein leitfähiges Material zwischen den Elektroden auf, das hilft, die geometrische Ausrichtung des entsprechenden elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden zu bilden. Es wurde festgestellt, dass die Ausrichtung des elektrischen Feldes im Randbereich eines Resonators, insbesondere horizontal ausgerichtete elektrische Feldkomponenten, zur Anregung von Störmoden beitragen. Da das leitfähige Material der leitfähigen Schicht zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist, wird die Ausrichtung des elektrischen Feldes im Randbereich des Resonators verbessert, insbesondere werden horizontal ausgerichtete Feldkomponenten reduziert.

Vertikal ausgerichtete Komponenten des elektrischen Feldes, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Fläche einer Elektrode, tragen zur Bildung der gewünschten Oszillationsmode bei, was üblicherweise eine longitudinale Mode, bekannt als TE-Mode (Thickness Extensional Wave Mode, Dickendehnungsmode), ist. Elektrische Feldkomponenten, die horizontal angeordnet sind, d. h. innerhalb der durch die Elektroden definierten Ebene, können verursachen, dass sich das piezoelektrische Material in einer horizontalen Richtung deformiert, was zu Störmoden führt.

Die Anwesenheit des leitfähigen Materials der leitfähigen Schicht wenigstens im Randbereich des Resonators hilft, derartige unerwünschte Auslenkungen zu reduzieren, und somit werden Störmoden reduziert.

Der Aktivbereich eines Resonators ist als der Überlappungsbereich definiert, in dem die untere Elektrode und die obere Elektrode mit dem piezoelektrischen Material zwischen den Elektroden hauptsächlich überlappen. Der Randbereich des Resonators ist der Kantenbereich des Aktivbereichs und ist in den meisten Fällen durch die Ränder der entsprechenden Elektroden bestimmt.

Das leitfähige Material der leitfähigen Schicht wird im Randbereich des Resonators benötigt. Somit ist es möglich, dass sich das Material der leitfähigen Schicht nur im Kantenbereich des Resonators befindet. Eine derartige Konfiguration weist jedoch eine reduzierte Symmetrie auf und Beugungseffekte von Schallwellen, die sich im Resonator ausbreiten, können die elektroakustischen Eigenschaften des Resonators künstlich reduzieren. Somit kann es bevorzugt sein, wenn das Material der leitfähigen Schicht sowohl im Randbereich des Resonators als auch in den Innensektionen des Resonators homogen verteilt ist. Somit kann das Material der leitfähigen Schicht als eine homogene Metallisierung im gesamten Aktivbereich des Resonators bereitgestellt sein.

Die Größe der Elektroden bestimmt die Größe des Aktivbereichs. Die Größe der Elektroden ist auf die Lage des Resonators beschränkt. Falls mehrere Resonatoren, die zum Bilden eines HF-Filters gebraucht werden, nebeneinander angeordnet sind, dann dürfen die Elektroden der entsprechenden Resonatoren allgemein nicht direkt verbunden sein, um Kurzschlüsse zu verhindern.

Im Gegensatz dazu weist das piezoelektrische Material zwischen den Elektroden eine ausreichend geringe Leitfähigkeit auf und kann andere Resonatoren nicht kurzschließen. Um Herstellungsschritte zu vereinfachen, können sich mehrere Resonatoren dasselbe piezoelektrische Material teilen. Um jedoch das potentialfreie Verhalten der leitfähigen Schicht sicherzustellen, dürfen die leitfähigen Schichten verschiedener Resonatoren nicht elektrisch verbunden sein. Um jedoch die Homogenität der Schichtenkonstruktion im Aktivbereich zu erhöhen, kann das Material der leitfähigen Schicht über die Grundfläche des Resonators, z. B. den durch die Elektroden bestimmten Aktivbereich des Resonators, hinausreichen.

Dann ist die Akustik des Resonators weniger gestört und der elektrische Effekt der leitfähigen Schicht auf die elektrische Feldverteilung ist verbessert.

Insbesondere wenn die Grundfläche des Materials der leitfähigen Schicht größer als die Grundfläche der Elektroden ist, sind die elektrischen Effekte, die im Randbereich des Resonators stattfinden, von den akustischen Effekten, die im Randbereich stattfinden, entkoppelt, was zu verbesserten elektroakustischen Effekten führt. Ferner ermöglicht die Trennung zwischen den elektrischen Effekten und den akustischen Effekten, dass sich um die Effekte einzeln gekümmert werden kann. Somit kann eine zusätzliche Rahmenstruktur, die einen akustischen Einfluss aber keinen elektrischen Einfluss aufweist, über der oberen Elektrode wirkungsvoller zur Verbesserung des Verhaltens des Resonators beitragen.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator ferner eine Anzahl n zusätzlicher leitfähiger Schichten zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen piezoelektrischen Schicht umfasst. Dann kann der Resonator ferner eine zusätzliche piezoelektrische Schicht zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen piezoelektrischen Schicht auf die Art und Weise umfassen, dass jede leitfähige Schicht von einer anderen leitfähigen Schicht durch wenigstens eine piezoelektrische Schicht getrennt ist. n ist die natürliche Zahl größer oder gleich als 1.

Mit mehr als einer leitfähigen Schicht zwischen den Elektroden kann die Bildung und Ausrichtung des elektrischen Feldes im Randbereich des Resonators, im Vergleich zu einem Resonator mit nur einer einzigen leitfähigen Schicht zuzüglich der Elektrodenschichten, weiter verbessert werden.

Es ist möglich, dass die leitfähige Schicht ein elektrisches Feld mit einer horizontalen Orientierung in einem Randbereich des Resonators reduziert.

Wie oben beschrieben, hilft das Material der leitfähigen Schicht, die Form und Ausrichtung der elektrischen Feldverteilung im Randbereich des Resonators zu bilden. Es ist bevorzugt, wenn horizontale Komponenten des elektrischen Feldes eliminiert oder wenigstens reduziert werden.

Es ist möglich, dass der Überlappungsbereich der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schichten und der oberen Elektrode den Aktivbereich des Resonators wie oben beschrieben bestimmt. Des Weiteren besitzt die leitfähige Schicht eine homogene Materialzusammensetzung und eine homogene Dicke innerhalb des Aktivbereichs. Ferner kann die Homogenität der Materialzusammensetzung und Dicke über die Grundfläche des Resonators hinausreichen, um die Homogenität und die Symmetrie des Materials, wie von den sich im Resonator ausbreitenden Schallwellen gesehen, zu erhöhen.

Es ist möglich, dass sich eine Dickendehnungswellenmode in der Richtung der Dicke des Resonators ausbreitet. Die Dickendehnungswellenmode weist eine halbe Wellenlänge λ/2 auf, wobei λ/2 hauptsächlich die Entfernung zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ist. Die leitfähige Schicht weist eine Dicke zwischen 0,1 λ und 0,2 λ oder zwischen 0,2 λ und 0,4 λ oder zwischen 0,01 λ und 0,1 λ auf, z. B. zwischen 0,05 λ und 0,1 λ.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator ein Material der piezoelektrischen Schicht aufweist, das aus LiTaO3 (Lithiumtantalat), LiNbO3 (Lithiumniobat), Quarz, AlN (Aluminiumnitrid), Sc-dotiertem AlN (Scandium-dotiertem Aluminiumnitrid), PZT (Bleizirkonattitanat), ZnO (Zinkoxid) oder einem anderen piezoelektrischem Material ausgewählt ist. Insbesondere werden für die Verwendung in BAW-Resonatoren Materialien bevorzugt, die unter Verwendung von Dünnfilmabscheidungstechniken, wie etwa physikalische Gasphasenabscheidung, beispielsweise Sputtern, oder chemische Gasphasenabscheidung, in einer hochkristallographischen Qualität abgeschieden werden können.

Das Material der Elektrodenschichten kann aus Al (Aluminium), Cu (Kupfer), Ag (Silber), Au (Gold), W (Wolfram), Ru (Ruthenium), Mo (Molybdän), Ti (Titan), Ta (Tantal) oder anderen Metallen oder Legierungen, die wenigstens eines dieser Metalle umfassen, wie etwa AlCu, ausgewählt sein.

Gleichfalls kann das Material der leitfähigen Schicht oder einer zusätzlichen leitfähigen Schicht aus Al (Aluminium), Cu (Kupfer), Ag (Silber), Au (Gold), W (Wolfram), Ru (Ruthenium), Mo (Molybdän), Ti (Titan), Ta (Tantal) oder anderen Metallen oder Legierungen, die wenigstens eines dieser Metalle umfassen, wie etwa AlCu, ausgewählt sein.

Es ist möglich, dass der BAW-Resonator einen Abstand der unteren Elektrode und der oberen Elektrode von 400 nm oder größer und 600 nm oder kleiner aufweist.

Die Dicke des Materials zwischen den Elektroden und die Schallgeschwindigkeit des Materials zwischen den Elektroden bestimmen die Frequenz des Resonators. Herkömmliche Verfahren zum Berechnen der Frequenz des Resonators oder, für eine gegebene Frequenz, der Dicke des Resonators, sind nicht mehr gültig, falls eine zusätzliche leitfähige Schicht vorhanden ist, die die Ausbreitung von Schallwellen in dem Resonatorstapel ändert. Somit müssen Verfahren zum Berechnen der präzisen Abmessungen und Dicken der verschiedenen Schichten die Anwesenheit der einen oder der mehreren leitfähigen Schichten zwischen den Elektroden berücksichtigen.

Es ist möglich, dass die leitfähige Schicht eine Dicke d größer oder gleich als 50 nm und kleiner oder gleich als 500 nm aufweist. Eine bevorzugte Dicke d liegt zwischen 60 und 200 nm.

Es ist möglich, dass, falls der Resonator mehr als eine leitfähige Schicht umfasst, die Summe der Dicken der einzelnen leitfähigen Schichten zwischen 50 nm und 200 nm liegt.

Es ist möglich, dass der Resonator ein Resonator vom SMR-Typ (SMR = Solidly Mounted Resonator = Festinstallationsresonator) oder ein Resonator vom TFBAR-Typ (TFBAR = Thin-Film Bulk Acoustic Resonator = akustischer Dünnfilmvolumenresonator) ist.

Ein Resonator vom SMR-Typ weist einen akustischen Spiegel unter der unteren Elektrode auf. Somit beinhaltet der Resonatorstapel die beiden Elektroden und das Material zwischen den Elektroden und zusätzliche Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz unter der unteren Elektrode. Der akustische Spiegel reflektiert Schallwellen so, dass die akustische Energie für einen erhöhten Qualitätsfaktor auf das Schichtensystem begrenzt ist.

Ein Resonator vom TFBAR-Typ weist einen Hohlraum unter der unteren Elektrode auf eine solche Art und Weise auf, dass die akustische Energie auch auf den Resonator begrenzt ist, insbesondere auf den Bereich der Elektroden und das dazwischenliegende Material. Der Resonatorstapel eines Resonators der TFBAR-Art kann durch einem Träger gestützt sein, der einen Ausschnitt aufweist, der den Hohlraum unter dem Aktivbereich bestimmt.

Ein entsprechendes BAW-Filter umfasst zwei oder mehrere wie oben beschriebene BAW-Resonatoren und einen gemeinsamen Träger. Die Resonatoren sind nebeneinander auf dem Träger angeordnet. Die Resonatoren weisen eine entsprechende leitfähige Schicht an derselben vertikalen Position auf. Die leitfähigen Schichten sind elektrisch voneinander getrennt.

Durch das Anordnen der elektrisch getrennten leitfähigen Schichten der verschiedenen Resonatoren an derselben vertikalen Position können Herstellungsschritte vereinfacht werden, da das Material der jeweiligen leitfähigen Schichten gleichzeitig abgeschieden werden kann. Jedoch werden Strukturierungsschritte benötigt, um die leitfähigen Schichten der verschiedenen Resonatoren elektrisch zu trennen.

Ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators umfasst die Schritte:

  • – Erzeugen einer unteren Elektrode,
  • – Erzeugen einer unteren piezoelektrischen Schicht auf der unteren Elektrode,
  • – Erzeugen einer leitfähigen Schicht auf der unteren piezoelektrischen Schicht,
  • – Erzeugen einer oberen piezoelektrischen Schicht auf der leitfähigen Schicht,
  • – Erzeugen einer oberen Elektrode auf der oberen piezoelektrischen Schicht.

Es ist möglich, dass ein Resonator mit mehreren leitfähigen Schichten zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode durch abwechselndes Erzeugen der zusätzlichen leitfähigen Schichten und zusätzlicher piezoelektrischer Schichten zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht und der oberen piezoelektrischen Schicht aufgebaut wird.

Grundsätzliche Arbeitsprinzipien und veranschaulichende Ausführungsformen sind für ein besseres Verständnis durch die begleitenden schematischen Zeichnungen bereitgestellt.

In den Zeichnungen zeigen:

1 die Basiskonstruktion eines BAW-Resonators,

2 den Effekt der leitfähigen Schicht auf das elektrische Feld,

3 die elektrische Feldverteilung eines herkömmlichen Resonators,

4 eine Ausführungsform mit einer zusätzlichen Rahmenstruktur auf der oberen Elektrode,

5 eine Ausführungsform mit zwei leitfähigen Schichten zwischen den Elektroden,

6 eine als ein Resonator der SMR-Art umgesetzte Ausführungsform,

7 ein elektroakustisches Filter, das zwei BAW-Resonatoren auf einem gemeinsamen Träger umfasst,

8 einen Resonator der TFBAR-Art.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines BAW-Resonators BAWR, der eine untere Elektrode BE und eine obere Elektrode TE aufweist. Zwischen der unteren Elektrode BE und der oberen Elektrode TE ist piezoelektrisches Material in der Form einer unteren piezoelektrischen Schicht BPL und einer oberen piezoelektrischen Schicht TPL angeordnet. Eine zusätzliche leitfähige Schicht CL bestehend aus einem leitfähigen Material ist zwischen der unteren Elektrode BE und der oberen Elektrode TE, insbesondere zwischen der unteren piezoelektrischen Schicht BPL und der oberen piezoelektrischen Schicht TPL, eingefügt.

2 zeigt den Effekt der leitfähigen Schicht CL auf das durch die Pfeile veranschaulichte elektrische Feld, falls ein externes HF-Signal an den Resonator BAWR angelegt ist. Die untere Elektrode und die obere Elektrode bestimmen die Elektroden eines Kondensators mit einer piezoelektrischen Schicht BPL, TPL als das Dielektrikum, das die Elektroden des Kondensators trennt. In den inneren Sektionen des Aktivbereichs weist das elektrische Feld eine hauptsächlich vertikale Ausrichtung auf. Die Symmetrie der Anordnung und somit die Symmetrie des elektrischen Feldes ist im Randbereich des Resonators gestört. Im Randbereich des Resonators weist das elektrische Feld eine Orientierung auf, die von der vertikalen Richtung abweichen kann. Jedoch mit der Anwesenheit der leitfähigen Schicht CL – da das elektrische Feld eine Orientierung senkrecht zu einer leitfähigen Schicht aufweist, falls die Elektronen im leitfähigen Material genügend Zeit haben, sich umzuordnen. Somit hilft die horizontale Ausrichtung der leitfähigen Schicht CL, eine vertikale Ausrichtung des elektrischen Feldes sogar im Randbereich des Resonators beizubehalten. Dieser Effekt wird verstärkt, falls das Material der leitfähigen Schicht CL über den Aktivbereich des Resonators BAWR hinausreicht.

Im Gegensatz dazu zeigt 3 die elektrische Feldverteilung eines herkömmlichen BAW-Resonators BAWR, in dem das elektrische Feld EF viel stärker ausgeprägte Komponenten mit einer horizontalen Orientierung aufweist, was zur Anregung von Störmoden führt.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform, die einen auf der oberen Elektrode TE angeordneten Rahmen FR aufweist, um die Akustik im Randbereich des Resonators zu verbessern. Da die leitfähige Schicht CL hilft, elektrische Effekte von akustischen Effekten in BAW-Resonatoren zu entkoppeln, kann die Rahmenstruktur FR die Akustik des Resonators effizienter verbessern.

5 zeigt einen Querschnitt eines BAW-Resonators BAWR, der zwei leitfähige Schichten aufweist, die leitfähige Schicht CL und die zusätzliche leitfähige Schicht ACL. Somit ist auch eine zusätzliche piezoelektrische Schicht APL zwischen der leitfähigen Schicht CL und der zusätzlichen leitfähigen Schicht ACL angeordnet. In der Schichtenkonstruktion kann sich eine TE-Mode mit einer halben Wellenlänge λ/2 ausbreiten.

6 zeigt schematisch einen Resonator gemäß den oben genannten Prinzipien mit einer leitfähigen Schicht, der als ein Resonator der SMR-Art bestimmt ist. Der Resonator BAWR weist einen akustischen Spiegel M auf, der eine Schicht mit einer niedrigeren akustischen Impedanz LI und eine Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz HI umfasst. Der Spiegel M kann weitere Schichten mit abwechselnder akustischer Impedanz umfassen, wobei die Anzahl der Schichten den Gütefaktor bestimmt, da der Spiegel hilft, die akustische Energie zu begrenzen, und er verhindert, dass sich die akustische Energie zerstreut.

7 zeigt eine schematische Anordnung eines elektroakustischen Filters EAF, das zwei Volumenschallwellenresonatoren BAWR umfasst, die nebeneinander auf einem gemeinsamen Träger C angeordnet sind. Zwei oder mehrere Resonatoren können in einer leiterartigen Konfiguration mit einem Serienresonator, der in einem Signalpfad in Reihe angeordnet ist, und Nebenschlussresonatoren, die den Signalpfad mit Masse verbinden, angeordnet und elektrisch verbunden sein. Abhängig von der präzisen Konfiguration kann eine derartige leiterartige Konfiguration ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter bestimmen.

Die Elektroden und die leitfähigen Schichten verschiedener Resonatoren müssen elektrisch getrennt sein. Die gewöhnlich nicht-leitfähigen piezoelektrischen Materialien der zwei oder mehreren piezoelektrischen Schichten können sich jedoch durchgehend über den Bereich aller Resonatoren erstrecken. Somit sind keine weiteren Schritte zum Strukturieren des piezoelektrischen Materials nötig.

8 zeigt schematisch einen BAW-Resonator BAWR der TFBAR-Art, in dem die akustische Energie durch Anordnen der Sandwichkonstruktion über dem Hohlraum CAV begrenzt ist. Die Schichtenkonstruktion kann im Randbereich durch einen Träger C gestützt sein, in dem der Hohlraum als ein Ausschnitt oder als ein Loch bestimmt ist.

Bezugszeichenliste

  • ACL:
    zusätzliche leitfähige Schicht
    APL:
    zusätzliche piezoelektrische Schicht
    BAWR:
    BAW-Resonator
    BE:
    untere Elektrode
    BPL:
    untere piezoelektrische Schicht
    C:
    Träger
    CAV:
    Hohlraum
    CL:
    leitfähige Schicht
    EAF:
    elektroakustisches Filter
    EF:
    elektrisches Feld
    FR:
    Rahmen
    HI:
    Schicht mit hoher akustischer Impedanz
    LI:
    Schicht mit niedriger akustischer Impedanz
    M:
    akustischer Spiegel
    TE:
    obere Elektrode
    TPL:
    obere piezoelektrische Schicht
    V:
    externes HF-Signal (Spannung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 6812619 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Beitrag „Improved Modelling of Bulk Acoustic Wave Resonators and Filters” (A. Hagelauer et al., in den Proceedings of 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium) [0004]