[发明专利]一种多层复合结构声表面波器件基底

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于薄膜技术的声表面波(SAW)器件衬底，尤其是涉及一种多层复合结构声表面波器件基底。

背景技术

声表面波(Surface Acoustics Wave，简称SAW)器件由于其高性能、低损耗、小型化等优点被广泛的用于通信、传感以及致动器等系统中。近年来，随着现代移动无线通信的飞速发展，特别是半导体工艺水平的提高，基于SAW谐振器的双工器和滤波器被大量的生产并应用于移动通信系统，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。新兴的长期演进(Long Term Evolution:LTE)标准的频率范围从几百MHz提高到3GHz，频带宽度从10MHz提高到90MHz，使得通信进入4G时代成为可能。因此，目前的移动通信系统的应用频率越来越高、带宽越来越大，急需高频、高机电耦合系数的声表面波滤波器。而声表面波器件的频率和带宽主要取决于其压电基底的声速和机电耦合系数，因此为了满足需求，目前国内外学者致力于寻找高声速、高机电耦合系数的压电材料和压电基底结构。

在所有材料中，金刚石因具有最高的声速(18000m/s)而成为最理想的衬底材料。虽然金刚石本身不具有压电特性，而压电薄膜结合金刚石衬底的层状结构使之成为可能。对于常规的压电材料，如石英、LiNbO₃、LiTaO₃、ZnO等，声速较低，均低于4000m/s，限制了其在高频应用。近年来，AlN薄膜因具有相对较高的声速和较高的机电耦合系数而备受关注。

经对现有技术的文献检索发现，文献“Low Propagation Loss in a One-Port SAW Resonator Fabricated on Single-Crystal Diamond for Super-High-Frequency Applications(Satoshi Fujii et al.,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control，vol.60,no.5,May 2013)”报道了基于IDT/AlN/Diamond层状结构的声表面波器件能够获得1.2％的机电耦合系数，且声速高达10000m/s。基于该层状结构的SAW谐振器频率高达5.3GHz，但是其机电耦合系数相对较小，限制了其在宽带滤波器中的应用。而文献“Theoretical investigation of high velocity,temperature compensated Rayleigh waves along AlN/SiC substrates for high sensitivity mass sensors(Cinzia Caliendo，Applied Physics Letters 100,021905(2012))”理论研究了基于AlN/SiC基底的4种不同电极配置的声表面波特性，其结果表明在埋入式电极(AlN/IDT/SiC)配置下，具有相对较大的机电耦合系数，且有更好的温度补偿。

此外，文献“High Q Surface Acoustic Wave Resonators in 2-3GHz Range Using ScAIN/Single Crystalline Diamond Structure(Ken-ya Hashimoto et al.,Ultrasonics Symposium(IUS),2012)”提出采用钪掺杂的氮化铝(Sc_xAl_1-xN)薄膜代替AlN薄膜的IDT/Sc_xAl_1-xN/Diamond层状结构，实验表明基于该层状结构的SAW器件其机电耦合系数能够提高到5.48％，这说明采用钪掺杂的氮化铝薄膜能够进一步提高机电耦合系数。

经过现有技术的文献检索和上述文献的对比，我们发现采用埋入式电极结构和钪掺杂的氮化铝薄膜均能进一步的提高基底的机电耦合系数，这为制造更大带宽且温度稳定的SAW器件提供了可能。但是埋入式电极的边缘不连续性会引起氮化铝压电薄膜阶梯覆盖不同步，这将导致压电薄膜产生裂纹。若制作具有该埋入式电极的层状结构，则很难获得高质量、高取向性的氮化铝薄膜。而制备高质量、高取向性的氮化铝薄膜是实现高性能SAW器件的前提，因此，如何实现满足SAW器件要求的具有埋入式电极的高质量氮化铝压电薄膜生长成为了亟待解决的关键问题。

发明内容