[发明专利]电极具有空隙层的体声波谐振器、滤波器及电子设备

说明书

本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：底电极和顶电极中的一个为第一间隙电极，第一间隙电极具有第一电极与第二电极，第一电极与压电层面接触，第二电极远离压电层，且空隙层在谐振器的厚度方向上位于第一电极与第二电极之间，第一电极与第二电极在电连接部处电连接，电连接部限定空隙层的边界的至少一部分。谐振器还包括电学隔离部，电连接部在谐振器的厚度方向上的投影落入电学隔离部之内，电学隔离部的内侧用于限定谐振器的有效区域在谐振器的横向方向上的边界。本发明还涉及一种具有上述谐振器的滤波器以及具有该滤波器或谐振器的电子设备。

技术领域

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。

背景技术

电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。

电子器件根据不同工作原理可以发挥不同的特性与优势，在所有电子器件中，利用压电效应(或逆压电效应)工作的器件是其中很重要一类，压电器件有着非常广泛的应用情景。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。

薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。

通信技术的快速发展要求滤波器工作频率不断提高，例如5G通信频段(sub-6G)的频率在3GHz-6GHz,频率高于4G等通信技术。对于体声波谐振器和滤波器，高工作频率意味着薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度，要进一步减小；然而电极薄膜厚度的减小带来的主要负面效应为电学损耗增加导致的谐振器Q值降低，尤其是串联谐振点及其频率附近处的Q值降低；相应地，高工作频率体声波滤波器的性能也随着体声波谐振器的Q值降低而大幅恶化。

图1A为体声波谐振器的示意性俯视图。图1B为沿图1A中的A1-A2截得的示意性剖视图，其中顶电极内设置有空气间隙。图1C为沿图1A中的A1-A2截得的另外结构的示意性剖视图，其中底电极设置有空气间隙。

如图1B所示，谐振器包括基底10、声学镜20、底电极30、压电层40、第一顶电极50和第二顶电极70，在顶电极中设置有空气间隙60，顶电极具有电极引脚56，底电极具有电极引脚36。

如图1C所示，谐振器包括基底10、声学镜20、第一底电极30、第二底电极31、压电层40、顶电极50，在底电极中设置有空气间隙60，顶电极具有电极引脚56，底电极具有电极引脚36。

当图1B和1C中示出结构的谐振器工作时，交变电场通过电极施加在压电层40上，由于声电能量耦合并相互转化，电极中会有电流通过，由于顶电极具有双层电极并联结构，因此可以有效减小谐振器的电学损耗。在交变电场的激励下，压电层产生声波，当声波向上方传导至位于顶电极中的空气间隙60和第一顶电极50的界面时声波能量会被反射回压电层40(因为空气和电极的声阻抗不匹配程度极大)，并不会进入第二顶电极70。因此，图1中，含有空气间隙的电极结构一方面可显著降低谐振器的电学损耗(表现为提升串联谐振频率处及其附近Q值的提高)，另一方面，空气间隙对顶电极70起到了声学隔离作用，从而基本避免电极70对谐振器性能造成的负面影响(如谐振频率和机电耦合系数的改变)。