[发明专利]压电材料和压电器件

说明书

提供了具有改进属性的压电氮化物复合材料。压电材料包括铝、氮以及二元和三元掺杂剂，该二元和三元掺杂剂可以选自银、铌和/或钪或者选自银和/或铌。

本发明涉及一种压电材料和包括该压电材料的压电器件。

由于压电效应，压电材料可以用于将机械能转换为电能以及将电能转换为机械能。压电材料可以用于多种器件。例如，包括电声谐振器的电声RF器件可以具有其中结合了电极结构和压电材料的谐振结构。压电材料的性能由一组弹性、介电和压电参数决定。例如，弹性参数是杨氏模量、C₃₃(材料的刚度张量的一个组成部分)、晶格密度等。机电耦合系数κ²(其是决定声波激励效率的另一重要参数)在机械和电气性能之间起到桥梁作用。另一参数是压电常数e₃₃，它是材料的压电张量的一个组成部分。其他参数是纵向刚度C₃₃和介电常数ε₃₃。

例如，对于电声应用，优选地，压电材料具有高机电耦合系数κ²。一种已知的压电材料是纤锌矿型AlN(氮化铝)，其可以用于电声谐振器，例如，在BAW谐振器中(BAW＝体声波)。BAW谐振器具有底部电极、在底部电极上方的顶部电极、以及夹在底部电极与顶部电极之间的压电材料。优选地，BAW谐振器的压电材料可以经由薄膜沉积技术来提供。

另一种已知的压电材料是Sc掺杂的AlN(钪掺杂的AlN)。与纯氮化铝相比，Sc掺杂的AlN有可能提供更高的机电耦合系数κ²。

然而，存在对适用于压电器件的替代材料的需求。此外，发现，由于AlScN晶格软化，Sc掺杂会降低对应器件的机械属性，表现为纵向刚度系数C₃₃的降低。

所需要的是一种可以用于多种压电器件的压电材料，该压电材料具有改进的压电属性，特别是增加的机电耦合系数κ²，并且同时具有良好的机械属性，特别是高纵向刚度系数C₃₃，即，不需要使这些性能参数必须具有权衡效果。

为此，提供了根据独立权利要求的压电材料和压电器件。从属权利要求提供优选实施例。

下面，提供用于压电材料的组合物。组合物可以被视为等效的原子数量的公差水平可以是±1原子％或±2原子％。

压电材料包括Al_1-x[(Ag_a,Nb_b,Sc_c)_y]_xN作为其主要成分。a大于或等于0.055并且小于或等于1.33。b大于或等于0.055并且小于或等于1.33。

c大于或等于0。x大于或等于0.03并且小于或等于0.75。

0.001≤a≤0.124和0.001≤b≤0.124也是可能的。

因此，压电材料包括Al(铝)、Ag(银)、Nb(铌)和N(氮)。

此外，该材料可以包括Sc(钪)。

Ag和Nb(以及Sc，如果存在)建立可以替代Al的掺杂剂。y的值被选择以使得掺杂剂可以被视为一个组，在该组中，掺杂剂组的每个原子可以部分替代Al_1-x[(Ag_a,Nb_b,Sc_c)_y]_xN的纤锌矿晶格中的Al。因此，x表示Al原子的掺杂/替换水平。

发现，这种压电材料具有良好的压电属性，诸如良好的机电耦合系数κ²。此外，与具有可比的机电耦合系数κ²的纯AlN或Sc掺杂的AlN相比，具有上述主要成分的压电材料还可以具有更高的刚度，特别是更高的刚度参数C₃₃。