Title:
Resonator und Verfahren zum Bereitstellen eines Resonators
Kind Code:
B3


Abstract:

Ein Resonator wird beschrieben, der ein piezoelektrisches Material (10) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (11, 12), die auf dem piezoelektrischen Material (10) bereitgestellt sind, beinhaltet. Ein akustisches Metamaterial (14) umgibt einen aktiven Bereich (13) des Resonators zumindest teilweise. embedded image




Inventors:
Binder, Jonathan (81543, München, DE)
Bauder, Rüdiger (83620, Feldkirchen-Westerham, DE)
Timme, Hans-Jörg, Dr. (85521, Ottobrunn, DE)
Application Number:
DE102017105432A
Publication Date:
08/23/2018
Filing Date:
03/14/2017
Assignee:
Friedrich-Alexander-Universtität Erlangen-Nürnberg, 91058 (DE)
Infineon Technologies AG, 85579 (DE)
International Classes:



Foreign References:
201302148792013-08-22
Other References:
Rottenberg, u.a.: Meta-materials approach to sensitivity enhancement of MEMS BAW resonant sensors. In IEEE Sensors 2013, Seiten 1- 4
Rottenberg, u.a.: Phononic Bandgap coupled Bulk Acoustic Wave Resonators. In MEMS 2012, Paris, France, 29.01. - 02.02.2012, Seiten 725 - 728
Attorney, Agent or Firm:
Kraus & Weisert Patentanwälte PartGmbB, 80539, München, DE
Claims:
Resonator, umfassend:
ein piezoelektrisches Material (10; 52; 62; 72),
eine erste Elektrode (11; 50; 60; 70), bereitgestellt auf einer ersten Seite des piezoelektrischen Materials (10; 52; 62; 72),
eine zweite Elektrode (12; 53), angeordnet auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des piezoelektrischen Materials (10; 52; 62; 72), wobei die erste und die zweite Elektrode einen aktiven Resonatorbereich (13) in dem piezoelektrischen Material definieren, und
ein akustisches Metamaterial (14; 51; 61; 71), welches den aktiven Resonatorbereich zumindest teilweise umgibt.

Resonator nach Anspruch 1, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) einen durch mehrere Wiederholungen einer Einheitszelle (20; 30) eines phononischen Kristalls ausgebildeten phononischen Kristall umfasst.

Resonator nach Anspruch 2, wobei die Einheitszelle mindestens einen Bereich eines in einem ersten Material (m1) bereitgestellten zweiten Materials (m2) umfasst.

Resonator nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Bereich des zweiten Materials (m2) eine in dem ersten Material (m1) bereitgestellte Säule des zweiten Materials (m2) umfasst.

Resonator nach Anspruch 3 oder 4, wobei der mindestens eine Bereich des zweiten Materials (m2) mindestens zwei Säulen mit verschiedenen Abmessungen und/oder Formen umfasst.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) eine Struktur aus mindestens einem weiteren, in dem piezoelektrischen Material (10; 52; 62; 72) eingebetteten Material umfasst.

Resonator nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine weitere Material ein Material umfasst, das in der ersten (11; 50; 60; 70) und/oder der zweiten Elektrode (12; 53) enthalten ist.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) direkt an den aktiven Resonatorbereich (13) angrenzend bereitgestellt ist.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) von dem aktiven Resonatorbereich (13) beabstandet bereitgestellt ist.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) eine akustische Bandlücke in einem Frequenzbereich aufweist, der eine Resonanzfrequenz des Resonators umfasst.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das akustische Metamaterial (14; 51; 61; 71) den aktiven Resonatorbereich (13) vollständig umgibt.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-11, wobei ein Randbereich der ersten (11; 50; 60; 70) und/oder der zweiten Elektrode (12; 53) gegenüber einem übrigen Bereich der ersten (11; 50; 60; 70) und/oder der zweiten Elektrode (12; 53) eine Modifikation (11') umfasst.

Resonator nach Anspruch 12, wobei die Modifikation (11') des Randbereichs der ersten (11; 50; 60; 70) und/oder der zweiten (12; 53) Elektrode eine Dickenvariation und/oder ein zusätzliches auf der Elektrode bereitgestelltes Material umfasst.

Resonator nach einem der Ansprüche 1-13, wobei ein Randbereich (13') des aktiven Resonatorbereichs (13) gegenüber einem übrigen Bereich des aktiven Resonatorbereichs (13) eine Modifikation umfasst.

Resonator nach Anspruch 1-14, wobei die Modifikation (11') des Randbereichs des aktiven Resonatorbereichs einen Graben umfasst.

Filter, umfassend einen Resonator nach einem der Ansprüche 1-15.

Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines piezoelektrischen Materials, Bereitstellen (110) einer ersten (11; 50; 60; 70) und einer zweiten (12; 53) Elektrode an gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Materials (10; 52; 62; 72), wobei die erste (11; 50; 60; 70) und die zweite (12; 53) Elektrode einen aktiven Resonatorbereich (13) definieren, und Ausbilden eines akustischen Metamaterials (14; 51; 61; 71), welches den aktiven Resonatorbereich (13) zumindest teilweise umgibt.

Verfahren nach Anspruch 17, wobei Ausbilden des akustischen Metamaterials (14; 51; 61; 71) Ausbilden einer periodischen Struktur aus mindestens einem weiteren Material in dem piezoelektrischen Material (10; 52; 62; 72) umfasst.

Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Verfahren ausgelegt ist zum Herstellen des Resonators nach einem der Ansprüche 1-15.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Resonatoren und Verfahren zum Bereitstellen solcher Resonatoren.

HINTERGRUND

Filter werden in einer Vielzahl von elektronischen Schaltkreisen verwendet, um bestimmte Frequenzkomponenten eines Signals herauszufiltern, während andere Frequenzkomponenten hindurchgelassen werden. Zum Beispiel können Filter in Kommunikationsschaltkreisen verwendet werden, um Frequenzkomponenten außerhalb eines Frequenzbandes oder eines Teils eines Frequenzbandes, der zur Kommunikation verwendet wird und durch weitere Schaltkreise zu verarbeiten ist, zu blockieren.

Akustische-Oberflächenwellen(SAW: Surface Acoustic Wave)- oder Akustische-Volumenwellen(BAW: Bulk Acoustic Wave)-Technologien werden in Kommunikationsschaltkreisen und -vorrichtungen häufig als hochselektive Bandpassfilter verwendet. Herkömmliche Filter solcher Arten verwenden akustische Resonatoren, ,die aus einem piezoelektrischen Material und Elektroden bestehen. In BAW-Resonatoren ist das piezoelektrische Material zwischen zwei Elektroden (beispielsweise eine obere und eine untere Elektrode) eingebettet und akustische Wellen breiten sich durch das Volumen des piezoelektrischen Materials zwischen den Elektroden (beispielsweise in einer vertikalen Richtung, welche als asz-Richtung bezeichnet werden kann) aus. SAW-Resonatoren verwenden fingerartig ineinandergreifende Elektrodenstrukturen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials und akustische Wellen breiten sich entlang der Oberfläche des Piezoelektrischen aus (z. B. innerhalb der x-y-Ebene) .

Lecken von akustischen Wellen in akustischen Resonatoren begrenzt die Güte des Resonators, welche als ein Verhältnis von in dem Resonator gespeicherter Energie und während eines Resonatorzyklus verlorener Energie definiert ist. Minimieren von akustischen Verlusten ist daher ein wichtiger Faktor bei Technologie und Design akustischer Resonatoren. Akustische Lecks können z. B. in BAW-Resonatoren vertikale und laterale Komponenten aufweisen. Diese Verlustkomponenten können in einem Gebiet zwischen den Elektroden zu dem umgebenden Substrat lokalisiert sein. Ein Filter, welches aus solchen Resonatoren erstellt wird, wird daher solche leckbasierten Verlustmechanismen erfahren.

Darüber hinaus verursachen, in manchen Implementationen von Resonatoren, Randbedingungen an Resonatorkanten das Auftreten von sogenannten Störmodenwellen in einem BAW-Resonator, welche zu Passbandwelligkeiten in einer entsprechenden Filterkurve eines unter Verwendung von BAW-Resonatoren implementierten Filters führen. Solche Störmodenwellen können auch Energielecks verursachen.

Wenn Energie aus dem Resonator herausleckt, können die herausleckenden akustischen Wellen auch angrenzende Resonatoren beinträchtigen und mit diesen auf unerwünschte Weise wechselwirken. Dies kann unkontrollierte akustische Kopplung zwischen Resonatoren verursachen und kann zu verringerter Leistungsfähigkeit von Filtern führen. Im Allgemeinen kann Lecken akustischer Energie aus dem Resonator andere akustische Resonatorvorrichtungen beeinträchtigen, die sich in der Nähe des Resonators befinden.

Die US 2013/0214879 A1 sowie Rottenberg u.a.: Phononic Bandgap coupled Bulk Acoustic Wave Resonators, in MEMS 2012, Paris, France, 29.01.-02.02.2012, S. 725-728, offenbaren BAW-Resonatoren, bei welchen zwei Resonatoren mittels eines Metamaterials gekoppelt werden.

Rottenberg u.a.: Meta-materials approach to sensitivity enhancement of MEMS BAW resonant sensors, in IEEE Sensors 2013, S. 1-4, offenbart einen BAW-Resonator, bei welchem ein aktiver Resonatorbereich mittels eines Metamaterials ausgestaltet ist.

KURZDARSTELLUNG

Ein wie in Anspruch 1 definierter Resonator wird bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein wie in Anspruch 17 definiertes Verfahren zum Bereitstellen eines Resonators bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein Resonator bereitgestellt, der Folgendes umfasst:

  • ein piezoelektrisches Material,
  • eine erste Elektrode, bereitgestellt auf einer ersten Seite des piezoelektrischen Materials,
  • eine zweite Elektrode, angeordnet auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des piezoelektrischen Materials, wobei die erste und die zweite Elektrode einen aktiven Resonatorbereich in dem piezoelektrischen Material definieren, beispielsweise einen Bereich, in dem sich beide Elektroden, aus einer Richtung senkrecht zu den Elektroden gesehen, überlappen, und
  • ein akustisches Metamaterial, bereitgestellt an dem piezoelektrischen Material, wobei das akustische Metamaterial den aktiven Resonatorbereich zumindest teilweise umgibt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

  • Bereitstellen eines piezoelektrischen Materials,
  • Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Elektrode an gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Materials, wobei die erste und die zweite Elektrode einen aktiven Resonatorbereich definieren, und
  • Ausbilden eines akustischen Metamaterials, welches den aktiven Resonatorbereich zumindest teilweise umgibt.

Die obige Kurzdarstellung ist lediglich dazu vorgesehen, eine knappe Übersicht über manche Merkmale mancher Ausführungsformen zu geben, und ist nicht als beschränkend aufzufassen.

Figurenliste

  • 1A und 1B sind Querschnittsansichten von Resonatoren gemäß Ausführungsformen.
  • 2 ist ein Diagramm, das eine Einheitszelle eines in manchen Ausführungsformen verwendbaren Metamaterials veranschaulicht.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Einheitszelle eines in manchen Ausführungsformen verwendbaren Metamaterials veranschaulicht.
  • 4 ist eine phononische Bandstruktur eines in manchen Ausführungsformen verwendbaren Metamaterials.
  • 5A ist eine Perspektivansicht eines Resonators gemäß einer Ausführungsform.
  • 5B veranschaulicht eine vergrößerte Teilansicht von 5A.
  • 5C veranschaulicht eine Querschnittsansicht im Wesentlichen entlang einer Linie A-A' von 5B.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine alternative Implementation eines Resonators gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine alternative Implementation eines Resonators gemäß manchen Ausführungsformen veranschaulicht.
  • 8 bis 10 zeigen Simulationsergebnisse zum Veranschaulichen von Auswirkungen mancher Ausführungsformen.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsformen lediglich Veranschaulichungszwecken dienen und nicht als beschränkend aufzufassen sind. Während Ausführungsformen als mehrere Merkmale, Elemente oder Einzelheiten umfassend beschrieben sind, können zum Beispiel bei anderen Ausführungsformen manche dieser Merkmale, Elemente oder Einzelheiten weggelassen und/oder durch alternative Merkmale, Elemente oder Einzelheiten ersetzt werden. Zusätzlich zu den explizit beschriebenen Merkmalen, Elementen oder Einzelheiten können andere Merkmale, Elemente oder Einzelheiten, zum Beispiel Komponenten, die üblicherweise in auf akustischen Volumenwellen(BAW) basierenden Filtern und Resonatoren verwendet werden, bereitgestellt werden.

Sofern nicht Gegenteiliges angegeben wird, können Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Varianten und Modifikationen, die im Hinblick auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, können ebenso auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, sofern nichts anderes angegeben wird.

Im Folgenden besprochene Ausführungsformen betreffen Akustische-Volumenwellen(BAW)-Resonatoren, die verwendet werden können, um BAW-basierte Filter zu bauen. Zum Bilden von BAW-Resonatoren wird allgemein ein piezoelektrisches Material zwischen zwei Elektroden bereitgestellt. Das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den zwei Elektroden erzeugt eine mechanische Spannung, die als eine akustische Welle weiter durch das Volumen der Struktur propagiert wird. Eine Resonanzbedingung wird hergestellt, wenn der akustische Pfad und die Dickenrichtung der Struktur ganzzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge innerhalb des piezoelektrischen Materials entsprechen. Diese Resonanzbedingung gilt, wenn die akustische Auswirkung der Elektroden vernachlässigt wird, d. h. für einen idealen Resonator, bei dem nur die piezoelektrische Schicht berücksichtigt wird. Berücksichtigt man die akustische Auswirkung der Elektroden, so weicht die Resonanzbedingung von diesem Idealfall ab. Auf diesem Wege kann eine Filterfunktion für Signale mit einer gewissen an die Elektroden angelegten Frequenz implementiert werden.

Ein aktiver Bereich des Resonators kann einem Bereich des piezoelektrischen Materials zwischen den zwei Elektroden entsprechen. Beispielsweise kann der aktive Bereich des Resonators ein Bereich des piezoelektrischen Materials sein, wo ein durch eine erste Elektrode definiertes Gebiet mit einem durch eine zweite Elektrode definierten Gebiet überlappt. Bei Ausführungsformen ist der aktive Bereich, welcher auch einige Kantenstrukturen in einem peripheren Bereich davon beinhalten kann, von einem akustischen Metamaterial umgeben, das eine akustische Bandlücke aufweist, die zumindest teilweise einem Frequenzbereich des Resonators entspricht, z. B. eine Resonanzfrequenz des Resonators umfassend. Solche akustischen Metamaterialien können als phononische Kristalle implementiert sein, die periodische Strukturen von zwei oder mehr Materialien umfassen können. Bei Ausführungsformen ist eines der Materialien das piezoelektrische Material. Bei Ausführungsformen kann das Metamaterial auf dem piezoelektrischen Material basieren, mit Modifikationen durch mindestens ein anderes Material in einem Volumen und/oder auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials. Ein akustisches Metamaterial ist im Allgemeinen ein Material, das designt wurde zum Steuern, Richten und Manipulieren von Schallwellen, da diese in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern auftreten können, wobei die vorliegende Anmeldung Schallwellen in Festkörpern betrifft, d. h. akustische Volumenwellen oder akustische Oberflächenwellen. Beispielstrukturen von Metamaterialien werden später ausführlicher erklärt werden.

Manipulation, Steuern und Richten von akustischen Wellen in akustisch aktiven Bereichen eines Resonators oder Filters können zum Beispiel absichtlich verwendet werden, um akustische Wellen in andere aktive Bereiche eines Resonators oder Filters zu koppeln, um eine Kerbcharakteristik einer Filterantwort zu schaffen. Zu Veranschaulichungszwecken werden wir die Verringerung und Elimination von Leckwellen aus einem Resonator und Filter erörtern. Nichtsdestotrotz können, wie hier in anderen Ausführungsformen erörterte zumindest teilweise einen aktiven Bereich eines Resonators umgebende Metamaterialien auch wie oben beschriebene Schallwellen steuern, richten und manipulieren.

Die wie oben genannten phononischen Kristalle verwenden typischerweise Strukturen von der Größe der halben akustischen Wellenlänge von zu manipulierenden akustischen Wellen. Andere akustische Metamaterialien können kleinere Strukturen verwenden, beispielsweise zehnmal kleinere Muster als die akustische Wellenlänge von zu manipulierenden akustischen Wellen.

Wenden wir uns nun den Figuren zu, wo 1A eine schematische Querschnittsansicht eines Resonators gemäß einer Ausführungsform ist.

Der Resonator der Ausführungsform von 1A ist auf einer Basis eines piezoelektrischen Volumenmaterials 10 gebaut, beispielsweise einem dünnen Film für Hochfrequenzanwendungen. Beispiele für geeignete piezoelektrische Materialien beinhalten Aluminumnitrid (A1N), Lithiumniobat (LiNbO3) , Kaliumniobat (KNbO3), mit Scandium (Sc) dotiertes Aluminumnitrid oder Aluminum-Scandiumnitrid (AlScN). Allerdings können auch andere piezoelektrische Materialien verwendet werden.

Eine erste Elektrode 11 und eine zweite Elektrode 12 sind auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Materials 10 bereitgestellt. Wie in 1A angegeben, müssen die erste und die zweite Elektrode 11, 12 nicht dieselbe Größe aufweisen, obgleich dies in manchen Ausführungsformen der Fall sein kann. Beispielsweise deckt die zweite Elektrode 12 bei der in 1A gezeigten Ausführungsform ein größeres Gebiet als die erste Elektrode 11 ab. Bei anderen Ausführungsformen können die Elektroden ein selbes Gebiet abdecken, d. h. eine selbe Größe aufweisen, oder die erste Elektrode 11 kann ein größeres Gebiet als die zweite Elektrode 12 abdecken. Ein Bereich 13 des piezoelektrischen Materials 10 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 11, 12 bildet einen aktiven Resonatorbereich. Wie in 1 veranschaulicht ist, wird die Größe des aktiven Resonatorbereichs 13 im Wesentlichen durch die kleinere Elektrode bestimmt, im Falle von 1A die erste Elektrode 11. Allgemeiner ist der aktive Resonatorbereich als der Überlappbereich der zwei Elektroden und der piezoelektrischen Schicht definiert.

Die erste und die zweite Elektrode 11, 12 können aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material hergestellt sein, können beispielsweise eine oder mehrere Metallschichten oder hochdotierte Halbleiterschichten, wie etwa hochdotiertes polykristallines Silicium, umfassen.

Die in 1A gezeigte Struktur kann als Teil eines Bandpassfilters wirken, bei dem ein Signal an eine oder beide Elektroden 11, 12 angelegt wird. Abhängig von einer Dicke des Resonators, die einem Abstand zwischen Elektroden 11, 12 entspricht, werden Frequenzen außerhalb eines Bandpassbereichs durch den in 1 gezeigten Resonator abgeschwächt. Jegliche herkömmliche Filterimplementation unter Verwendung von Resonatoren kann verwendet werden.

Um Energielecks aus dem Resonator zu vermeiden oder zu verringern, ist in der Ausführungsform von 1A ein zumindest teilweise den aktiven Bereich 13 umgebendes akustisches Metamaterial 14 angeordnet. Obgleich in 1A das akustische Metamaterial 14 als direkt an den aktiven Bereich 13 angrenzend vorgesehen dargestellt ist, kann das Metamaterial 14 bei anderen Ausführungsformen von dem aktiven Bereich 13 beabstandet angeordnet sein, wie später ausführlicher erläutert werden wird. Es sei angemerkt, dass 1A nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist und dass beispielsweise eine Breite 16 des Metamaterials 14 in einer zum Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 senkrechten Richtung signifikant kleiner als die Breite 17 des aktiven Bereichs 13 sein kann. Beispielsweise kann die Breite 16 ungefähr ein- bis zehnmal die Wellenlänge der akustischen Wellen in dem Bandpassbereich sein, abhängig von den verwendeten Metamaterialien.

Das Metamaterial 14 kann zwei oder mehr auf periodische Weise angeordnete Materialien umfassen. Bei Ausführungsformen ist eines der Materialien der zwei oder mehr Materialien das Material des piezoelektrischen Materials 10, so dass das Metamaterial durch Einbringen von mindestens einem der Materialien in das piezoelektrische Material 10 ausgebildet werden kann, wie unten ausführlicher beschrieben werden wird. Das Metamaterial 14 kann zum Aufweisen einer akustischen Bandlücke designt sein, die dem oben erwähnten Bandpassbereich entspricht, so dass sich die Frequenzen innerhalb dieses Bereichs nicht durch das Metamaterial 14 hindurch ausbreiten können. Bei Ausführungsformen kann das Metamaterial 14 ein phononischer Kristall sein. Das Metamaterial 14 befindet sich außerhalb des aktiven Resonatorbereichs 13.

Es sei darauf hingewiesen, dass das Metamaterial 14 bei manchen Ausführungsformen den aktiven Bereich 13 vollständig umgeben kann. Bei anderen Ausführungsformen kann das Umgeben teilweise sein, beispielsweise aus herstellungstechnischen Gründen oder um absichtlich Lücken im Metamaterial 14 zu hinterlassen, um eine kontrollierte Leckage von Energie zu ermöglichen, um beispielsweise etwas akustische Kopplung zu weiteren in der Nähe des Resonators von 1A bereitgestellten Resonatoren bereitzustellen.

1B veranschaulicht eine Variante der Ausführungsform von Figur 1A, und entsprechende Elemente tragen die selben Bezugsziffern und werden nicht nochmal ausführlich beschrieben. Im Vergleich mit Figur 1A beinhaltet die Ausführungsform von 1B einen Bereich 15, welcher aus piezoelektrischem Material 10 erstellt sein kann, zwischen dem aktiven Bereich 13 und dem den aktiven Bereich 13 zumindest teilweise umgebenden Metamaterial 14.

Darüber hinaus ist die erste Elektrode 11 in der Ausführungsform von 1B in einem peripheren Bereich 11' davon modifiziert, entlang mindestens eines Teils von dessen Umfangslinie, im Vergleich zu einem verbliebenen Bereich der Elektrode 11, d. h. Elektrode 11 bis auf den peripheren Bereich 11'. Beispielsweise kann eine Dicke der Elektrode 11 in dem peripheren Bereich 11' anders sein, d. h. größer als oder kleiner als gegenüber dem verbliebenen Bereich, oder zusätzliches Material kann in dem peripheren Bereich 11' auf der Elektrode 11 bereitgestellt sein. Solches zusätzliches Material kann elektrisch leitend sein, z. B. ein Metall oder nichtleitend, z. B. ein Oxid. Ziffer 13' bezeichnet einen entsprechenden peripheren Bereich des aktiven Bereichs 13 unter dem peripheren Bereich 11'. Der periphere Bereich 13' ist weiter Teil des aktiven Bereichs 13. Aufgrund der Modifikation der Elektrode 11 in dem peripheren Bereich 11' können sich allerdings die akustischen Eigenschaften, wie die Dispersionsrelation und die exakte Resonanzbedingung, in dem peripheren Bereich 13' von denen im verbliebenen aktiven Bereich 13 unterscheiden. Auf diese Weise kann der periphere Bereich 13' verwendet werden zum Unterdrücken von Störmoden mittels eines geeignet designten Dispersionsverhaltens, währenddessen der Metamaterialbereich 14 die Energie innerhalb des Resonators einschließt, indem die Ausbreitung von lateralen akustischen Wellen von dem aktiven Bereich 13 in das piezoelektrische Material 10 außerhalb des aktiven Bereichs 13 und des Bereichs 15 verhindert wird.

Bei anderen Ausführungsformen wird anstelle von oder zusätzlich zu dem Modifizieren der Elektrode 11 in dem peripheren Bereich 11' der periphere Bereich 13' modifiziert. Beispielsweise kann ein optional mit einem von dem piezoelektrischen Material 10 verschiedenen Material gefüllter Graben in dem Bereich 13' bereitgestellt sein.

Obgleich in 1B die erste Elektrode 11 in einem peripheren Bereich davon modifiziert ist, kann bei anderen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ die zweite Elektrode 12 modifiziert sein. Darüber hinaus können die in 1B im Vergleich mit 1A gezeigten zwei Varianten, nämlich der Bereich 15 einerseits und die peripheren Bereiche 11', 13' andererseits unabhängig voneinander implementiert sein.

Obgleich sich das Metamaterial 14 in Figur 1 gänzlich oder fast gänzlich in z-Richtung durch die piezoelektrischen Materialien erstreckt, kann ein Metamaterial bei anderen Ausführungsformen nur an oder nahe den Oberflächen des piezoelektrischen Materials 10 angeordnet sein, beispielsweise an die Elektroden 11, 12 angrenzend oder von diesen beabstandet. Dies kann verwendet werden, um das Lecken von Oberflächenwellen aus dem Resonator zu verhindern und kann leichtes Herstellen des Resonators ermöglichen.

Bei Ausführungsformen kann/können (ein) Metamaterialbereich(e) wie das Metamaterial 14 als/aus 2D- oder 2,5D- oder 3D-Strukturen ausgebildet sein. Eine 2D-Struktur an oder nahe der Oberfläche oder Grenzfläche zu einem anderen Material allein wird die Ausbreitung von Oberflächen- oder Grenzflächenwellen auf demselben Niveau wie die Struktur eliminieren. Die weiter unten erörterten 2 und 3 veranschaulichen 2,5D-Strukturen, welche effizient beim Blockieren von Ausbreitung von lateralen Moden in jeglicher Tiefe des piezoelektrischen Materials sind.

Solch eine 2,5-D-Anordnung kann, wie unten weiter erläutert wird, z. B. durch sich durch das piezoelektrische Material erstreckende Säulen ausgebildet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann eine allgemeine 3D-Metamaterialstruktur bereitgestellt sein. Eine 3D-Metamaterialstruktur kann beispielsweise durch Einbetten kleiner Kugeln oder Würfel oder anderer Bereiche aus einem Material in dem piezoelektrischen Material realisiert werden, um eine Bandlücke für allgemeinere Richtungen zu schaffen.

Eine Untermenge dieser Erfindung soll sogenannte Gitterstrukturen für SAW-Resonatoren/Filter mittels solcher 2D-Metamaterialien realisieren. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik entsprechenden Gitterstrukturen können solche Metamaterialien eine breitere Frequenzbandlücke schaffen, die eine breitere Frequenzreflexionsebene bereitstellt.

Durch Bereitstellen von Metamaterial 14 in dem piezoelektrischen Material 10, bleibt der Resonator ein vollständiger Festkörper, beispielsweise sind keine Spielräume oder andere elastische Anteile vorgesehen, welche bei Ausführungsformen mechanische Robustheit des Resonators bereitstellen. Bei manchen Ausführungsformen ermöglicht Verwendung von Metamaterialstrukturen, wie der Bereich 14 in Figur 1A oder Figur 1B, das piezoelektrische Material oder die piezoelektrische Schicht, beispielsweise das piezoelektrische Material 10, außerhalb der Resonatorstruktur zu halten, was bei manchen Ausführungsformen die Oberflächentopographie beim Verarbeiten entsprechender Vorrichtungen in einer integrierten Technologie minimiert. Dieses Merkmal kann beispielsweise bei gekoppelten Resonatortechnologien verwendet werden, beispielsweise da, wo zwei oder mehr BAW-Resonatoren aufeinander aufgebaut und akustisch gekoppelt werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass, obgleich in 1 ein einziger Resonator veranschaulicht ist, mehr als ein Resonator in dem piezoelektrischen Material 10 bereitgestellt sein kann. Das Metamaterial 14 liefert dann auch Entkoppeln der Resonatoren, so dass sie im Wesentlichen unabhängig voneinander sein können. Darüber hinaus kann das piezoelektrische Material 10 mit anderen Strukturen integriert sein, beispielsweise mit elektronischen Halbleiterstrukturen. Beispielsweise kann dies im Falle, dass Aluminiumnitrid als piezoelektrisches Material verwendet wird, beispielsweise mit Silicium- oder III-V-Halbleiterstrukturen und -bauelementen integriert sein. Beispielsweise können die beschriebenen mit Metamaterial umgebenen/in Metamaterial eingebetteten Resonatoren mit anderen Vorrichtungen bzw. Bauelementen kombiniert werden, wie LNAs (Low-Noise Amplifiers - rauscharmen Verstärkern), PAs (power amplifiers - Leistungsverstärkern), Hochfrequenz(HF)-Schaltern, passiven HF-Komponenten wie Induktivitäten, Kondensatoren, Kopplern, mikroelektromechanischen System(MEMS)-Vorrichtungen usw. Gleichermaßen können andere Schaltkreise, wie etwa analoge und digitale Signalverarbeitungsschaltkreise, Strommanagementschaltkreise, Steuer- und Schnittstellenschaltkreise usw. einschließlich Nicht-HF-Schaltkreise vorgesehen sein.

Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 2-4 als Metamaterialien verwendbare phononische Kristalle erörtert. 2 veranschaulicht eine ebene Ansicht einer Einheitszelle 20 eines in Ausführungsformen verwendbaren phononischen Kristalls, der aus einem ersten Material m1 und einem zweiten Material m2 erstellt ist. 2 kann beispielsweise eine Ansicht in einer x-y-Ebene von Metamaterial 14 in 1 zeigen. Das Material m1 kann bei manchen Ausführungsformen das auch zum Ausbilden des Resonators verwendete piezoelektrische Material 10 von 1 sein. Das zweite Material m2 kann beispielsweise ein Metall sein, wie etwa Wolfram oder ein Oxidmaterial, wie etwa Siliciumdioxid. Bei manchen Ausführungsformen ist das Material m2 das gleiche wie das für die erste Elektrode 11 und/oder die zweite Elektrode 12 verwendete Material, womit die Gesamtanzahl von zu verarbeitenden Materialien verringert wird. Das zweite Material m2 ist mittig in der Einheitszelle 20 mit einem Radius r bereitgestellt. Beispielsweise kann das zweite Material m2 im Falle der oben genannten Ansicht in der x-y-Ebene als zylindrische Säule in piezoelektrischem Material 10 innerhalb des Bereichs 14 bereitgestellt sein. Solche Säulen können beispielsweise durch Grabenätzen oder anderweitiges Entfernen piezoelektrischen Materials 10 hergestellt werden, was der Säule entspricht, um einen Graben zu bilden und dann Füllen des Grabens mit einem zweiten Material m2. Um das Metamaterial 14 auszubilden, wird die Einheitszelle 20 dann periodisch um den Resonator herum wiederholt, wie weiter unten unter Verwendung eines Beispiels erläutert wird.

3 veranschaulicht eine Einheitszelle 30 eines anderen in Ausführungsformen verwendbaren phononischen Kristalls. Wieder kann die Ansicht von 3 eine Ansicht in einer x-y-Ebene von 1 sein und ein zweites Material m2 kann in Säulen in einem ersten Material m1 bereitgestellt sein. Das erste Material m1 kann dem piezoelektrischen Material 10 von 1 entsprechen. Im Fall von 3 sind Säulen mit unterschiedlichen Abmessungen, in diesem Fall zwei verschiedenen Radien r1, r2 bereitgestellt, wie in 3 gezeigt ist. Wieder wird dann das Metamaterial 14 durch Wiederholen der Einheitszelle 30 ausgebildet, um eine periodische Struktur bereitzustellen.

Es sei darauf hingewiesen, dass, obgleich in 2 und 3 kreisförmige Säulen als Beispiele gezeigt sind, bei anderen Ausführungsformen andere Formen verwendet werden können. Bei Ausführungsformen kann eine zylindersymmetrische Gestalt mit einer spezifisch designten Querschnittsfläche verwendet werden. In dem gezeigten Beispiel ist die Querschnittsfläche ein Kreis und die Säule, die auch als Pfeiler bezeichnet werden kann, ist ein Zylinder.

Bei anderen Ausführungsformen können quadratische Formen oder eine Mischung von runden und quadratischen Formen als Querschnittsflächen verwendet werden. Ein weiteres Beispiel sind dreieckförmige Querschnittsflächen. Obgleich aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehende phononische Kristalle gezeigt sind, können weiterhin in anderen Ausführungsformen mehr als zwei Materialien verwendet werden. Beispielsweise können im Falle von 3 die Säulen mit dem Radius r1 aus einem anderen Material als die Säulen mit dem Radius r2 erstellt sein. Auch sind mehr als zwei verschiedene Radien möglich. Von daher dienen die unter Bezugnahme auf 2 und 3 erläuterten phononischen Kristallstrukturen nur als nichtbeschränkende Beispiele. Darüber hinaus können die in 2 und 3 gezeigten Strukturen, für den Fall, dass nur Isolation von Oberflächenwellen erforderlich ist, nur auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials 10 bereitgestellt sein, beispielsweise durch Abscheiden eines zweiten Materials m2.

4 veranschaulicht eine beispielhafte akustische Bandstruktur eines phononischen Kristalls unter Verwendung der Einheitszelle 30 von 3. Die Bandstruktur ist für verschiedene Richtungen im k-Raum veranschaulicht, unter Verwendung der üblichen kristallographischen Bezeichnungen, X, N, Γ, wie in der Graphik 41 gezeigt ist. Insbesondere veranschaulicht 4 die ersten Eigenfrequenzen der Einheitszelle 30. Wie man sieht, ist eine akustische Bandlücke 40 bereitgestellt, in welcher keine Ausbreitung von akustischen Wellen in keiner Lateralrichtung vorhanden ist. Die Abmessungen, z. B. die Breite w, Radien r1, r2 der Einheitszelle 30 können derart designt sein, dass sich die akustische Bandlücke 40 in einem gewünschten Bereich befindet, beispielsweise einem Frequenzbereich des Resonators entspricht. Auch kann auf der Grundlage der Auswahl von Materialien m1, m2 ein Abstimmen der akustischen Bandlücke 40 erhalten werden.

Als Nächstes wird ein Resonator gemäß einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5A bis 5C erörtert. 5A veranschaulicht eine Perspektivansicht des Resonators, 5B veranschaulicht eine vergrößerte Teilansicht von Figur 5A und 5C veranschaulicht eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A' in 5B.

Bei den Ausführungsform von 5A bis 5C ist eine erste Elektrode 50, auch als obere Elektrode bezeichnet, auf einer ersten Seite des piezoelektrischen Materials 52 bereitgestellt. Eine zweite Elektrode 53, auch als untere Elektrode bezeichnet, ist auf einer zweiten Seite des piezoelektrischen Materials 52 gegenüber der ersten Seite bereitgestellt. Bei dem Beispiel von 5A bis 5C bedeckt die untere Elektrode 53 vollständig die Rückseite des piezoelektrischen Materials 52, wohingegen die erste Elektrode 50 nur einen Teil des piezoelektrischen Materials 52 bedeckt, somit einen aktiven Resonatorbereich definierend. Hinsichtlich der Materialien können die bereits unter Bezugnahme auf 1 erörterten Materialien als piezoelektrisches Material 52 und Material für die erste und die zweite Elektrode 50, 53 verwendet werden.

Darüber hinaus umgibt ein akustisches Metamaterial 51 den aktiven Resonatorbereich des piezoelektrischen Materials 52, wie man in 5B und 5C sehen kann. Als Beispiel wird ein phononischer Kristall mit einer auf der Einheitszelle 30 von 3 basierenden Struktur als ein Metamaterial verwendet. Das Metamaterial weist eine Breite w* in y-Richtung auf, wie in 5B und 5C gezeigt ist. Als Beispiel entspricht die Breite w* in 5B und 5C zweimal der Breite w in 3 oder, mit anderen Worten, zwei Wiederholungen der Einheitszellen werden verwendet, die die erste Elektrode 50 umgeben. Im Allgemeinen kann eine beliebige Anzahl von Wiederholungen verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen werden mindestens zwei Wiederholungen verwendet. Bei manchen Ausführungsformen werden fünf Wiederholungen oder weniger verwendet, da in vielen Implementierungen Verwenden mehrerer Wiederholungen den durch Bereitstellen des Metamaterials erhaltenen Effekt nicht grundsätzlich ändert. Die Wiederholungen der Einheitszellen können als eine zweidimensionale Matrix um den aktiven Resonatorbereich ausbildend angesehen werden, d. h., dass die Matrix eine „Lücke“ für den aktiven Resonatorbereich aufweist. Die Einheitszellenabmessungen in Ausführungsformen sind klein im Vergleich mit typischen Resonatorgrößen. Wenn eine kleine Anzahl von Wiederholungen für den Metamaterialbereich 51 (siehe auch die Erörterung von untenstehenden 8, 9 und 10) verwendet wird, sind die Anforderungen an das Metamaterial vergleichsweise gering. Es sei darauf hingewiesen, dass, obgleich die Einheitszelle 30 von 3 zum Bauen des Metamaterials in der Ausführungsform von 5A bis 5C verwendet wird, in anderen Ausführungsformen andere Einheitszellen verwendet werden können, beispielsweise die unter Bezugnahme auf 2 erörterte Einheitszelle 20.

Wie anhand der Querschnittsansicht von 5C ersichtlich ist, wird das Metamaterial 51 durch Bereitstellen von Säulen aus einem sich durch das piezoelektrische Material 52 erstreckenden weiteren Material ausgebildet. Das weitere Material kann dasselbe Material wie das der oberen Elektrode 50 sein oder davon verschieden sein. Verwenden desselben Materials verringert bei manchen Ausführungsformen die Gesamtanzahl von zu verarbeitenden Materialien und kann leichtes und kosteneffizientes Herstellen des Resonators erlauben.

Bei anderen Ausführungsformen können, anstelle der wie oben beschriebenen periodischen Wiederholung einer Einheitszelle, sogenannte log-periodische Strukturen verwendet werden, bei denen die Größe der Einheitszellen, beispielsweise die Breite w bei jeder Wiederholung, variiert wird, ähnlich zu Dipolen einer log-periodischen Antenne für elektromagnetische Wellen.

Bei derartigen log-periodischen Strukturen wird die Größe der eingebetteten Strukturen mit dem Abstand vergrößert, um die sich ergebende Bandlücke aufzuweiten.

6 veranschaulicht eine Variation der Ausführungsform von 5, wobei die Ansicht von 6 der Querschnittsansicht von 5C entspricht. In 6 ist eine erste Elektrode 60, welche der ersten Elektrode 50 von 5 entsprechen kann, auf einem piezoelektrischen Material 62 bereitgestellt, welches dem piezoelektrischen Material 52 von 5 entspricht. Ein Metamaterial 61 ist um einen aktiven Resonatorbereich herum bereitgestellt. Im Falle von 6 weist das Metamaterial 61 eine Breite w** auf und umfasst drei Einheitszellen eines Metamaterials. Das Metamaterial von 6 kann auf der Einheitszelle 30 von 3 basieren, mit zwei verschiedenen Materialien für die Säulen mit Radius r1 und die Säulen mit Radius r2. Die zwei verschiedenen Materialien können sich darüber hinaus von dem Material der ersten Elektrode 60 unterscheiden. Bei anderen Ausführungsformen kann eines der zwei Materialien dem Material der ersten Elektrode 60 entsprechen.

7 veranschaulicht eine weitere Variation der Ausführungsform von 5, die wieder eine der Ansicht von 5C ähnliche Querschnittsansicht zeigt. In 7 ist eine erste Elektrode 70 auf einem piezoelektrischen Material 72 platziert. Die erste Elektrode 70 und das piezoelektrische Material 72 können wie unter Bezugnahme auf 1 oder 5 beschrieben implementiert sein. In 7 ist ein Metamaterial 71, welches wie unter Bezugnahme auf 5 oder 6 erläutert implementiert sein kann, mit einem Abstand d von der oberen Elektrode 70 beabstandet bereitgestellt. Der Abstand d kann beispielsweise zwischen 20 und 150 pm, beispielsweise zwischen 50 und 120 pm, beispielsweise ungefähr 70 µm betragen. Diese Beabstandung ist dem Bereitstellen des Bereichs 15 in 1B ähnlich.

Als Nächstes werden manche Simulationsergebnisse für Resonatoren gemäß Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 8-10 beschrieben, um die Effekte des Bereitstellens eines Metamaterials um einen Resonator weiter zu veranschaulichen.

Für Simulationen wurde ein Resonator verwendet, der eine den oben erörterten ähnliche Struktur aufweist, mit einem zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode eingebetteten piezoelektrischen Material. 8 zeigt veranschaulichende Admittanzkurven über der Frequenz für zwei verschiedene Resonatoren mit verschiedenen Resonatordicken, d. h. Dicke des piezoelektrischen Materials in der z-Richtung von 1, was grundsätzlich zu einer Verschiebung der Kurve mit der Frequenz führt. Insbesondere zeigt eine Kurve 80 in 8 die Admittanz über der Frequenz für einen relativ dickeren Resonator und eine Kurve 81 zeigt die Admittanz für einen relativ dünneren Resonator. Wie man sieht, treten beispielsweise durch Spitzen 82, 83, 84, 85 angedeutete Störmoden auf, welche zumindest teilweise durch Lecken von Energie aus dem Resonator verursacht werden.

9 veranschaulicht den Resonator von 8 mit einem phononischen Kristall, der zwei den aktiven Resonatorbereich umgebende Wiederholungen einer Einheitszelle aufweist (ähnlich dem, was in 5 gezeigt ist). Es sei darauf hingewiesen, dass neben dem Hinzufügen des phononischen Kristalls keine anderen Modifikationen (d. h. keine Modifikationen lateraler Abmessungen von Material) durchgeführt wurden. Eine Kurve 90 veranschaulicht das Verhalten für den relativ dickeren Resonator (entsprechend der Kurve 80 in 8) und eine Kurve 91 veranschaulicht das Verhalten für den relativ dünneren Resonator (entsprechend der Kurve 81 in 8). Wie man sieht, verbleiben nur einige Störmoden bei 92, 93, 94, welche erheblich weniger ausgeprägt sind als die in 8 gezeigten.

10 veranschaulicht eine weitere Simulation für einen phononischen Kristall mit drei den aktiven Resonatorbereich umgebenden Wiederholungen einer Einheitszelle (ähnlich dem, was in 6 gezeigt ist). Wiederum wurden keine anderen Modifikationen vorgenommen. Auch verbleiben in diesem Fall nur einige kleine Störmoden, wobei das Ergebnis allerdings im Vergleich zu 9 nur eine leichte Verbesserung darstellt. Obgleich in Ausführungsformen eine Vielzahl von Lagen oder Wiederholungen einer phononischen Kristallstruktur bereitgestellt sein kann, sind daher in vielen Fällen zwei Wiederholungen einer Einheitszelle oder äußerstenfalls drei Wiederholungen ausreichend und Bereitstellen weiterer Wiederholungen verbessert nicht notwendigerweise das Ergebnis, obwohl dennoch weitere Wiederholungen bereitgestellt sein können.

11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Obwohl das Verfahren aus 11 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht ist, ist die Reihenfolge, in der diese Handlungen oder Ereignisse beschrieben sind, nicht als beschränkend aufzufassen. Insbesondere können die verschiedenen Verarbeitungsschritte zum Erhalten eines Resonators, welche nun unter Bezugnahme auf 11 erläutert werden, in verschiedenen Reihenfolgen durchgeführt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Handlungen und Ereignisse auch gleichzeitig bereitgestellt werden können.

Das Verfahren von 11 kann zum Herstellen eines unter Bezugnahme auf 1-10 erläuterten Resonators verwendet werden und das Verfahren wird zur einfacheren Veranschaulichung unter Bezugnahme auf 1-10 beschrieben. Details hinsichtlich unter Bezugnahme auf 1-10 beschriebenen Materialien, Anordnungen usw. sind auch auf das Verfahren von 11 anwendbar.

Bei 110 umfasst das Verfahren von 11 Bereitstellen eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise des piezoelektrischen Materials 10, 52, 62 oder 72 der oben beschriebenen Ausführungsformen.

Bei 111 umfasst das Verfahren Bereitstellen von Elektroden, beispielsweise von Elektroden 11, 12 von 1 oder Elektroden 50, 53 von 5 an gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Materials, um einen Resonator auszubilden.

Bei 112 umfasst das Verfahren, wie erläutert, Ausbilden eines einen aktiven Resonatorbereich umgebenden akustischen Metamaterials, z. B. durch Aufnehmen von Material auf periodische Weise in das piezoelektrische Material. Es sei darauf hingewiesen, dass in Fällen, bei denen ein Material für die Elektroden dasselbe ist wie eines der das akustische Metamaterial ausbildenden Materialien, 111 und 112 grundsätzlich gleichzeitig ausgeführt werden können, beispielsweise durch zunächst Bereitstellen von Polen, die in dem piezoelektrischen Material auszubildenden Säulen entsprechen, und dann Abscheiden von Material für die Elektroden auf dem elektrischen Material, um Elektroden in die Löcher zum Ausbilden des akustischen Metamaterials auszubilden. Bei anderen Ausführungsformen kann separates Verarbeiten eingesetzt werden. Das akustische Metamaterial kann, wie oben erörtert, als ein phononischer Kristall mit wiederholenden Einheitszellen ausgebildet werden.

Wie oben erörterte Resonatoren können beispielsweise in Filterstrukturen für Kommunikationsgeräte wie Mobilnetzkommunikationsgeräte verwendet werden, sind aber nicht darauf beschränkt.

Angesichts der vielen oben besprochenen Variationen und Modifikationen ist es ersichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht als beschränkend auszulegen sind.