一种声学谐振器及其制备方法

1.本发明涉及微电子器件技术领域，特别涉及一种声学谐振器及其制备方法。


背景技术：

2.一般，声学谐振器能够利用压电薄板中具有较高声速和较大机电耦合系数的板波模式，可制备高频大带宽的声学滤波器，因此受到了广泛关注。但现有技术中的声学谐振器一般包括依次层叠设置的衬底、压电薄膜和叉指电极结构，在声波传导过程中，易造成声波能量向衬底泄露的情况，降低了器件的品质因数q。


技术实现要素：

3.本发明要解决的是现有技术中声学谐振器中的声波能量向衬底泄露，进而造成器件品质因数q低的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本技术于一方面公开了一种声学谐振器，其包括由下至上依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；
5.支撑衬底包括叠层的第一支撑层和第二支撑层；
6.第一支撑层与压电薄膜连接；
7.第一支撑层内设有弹性波陷阱结构；弹性波陷阱结构的弹性力学参数与支撑衬底的材料的弹性力学参数不相等。
8.可选的，弹性波陷阱结构用于将声学谐振器产生的弹性波约束在弹性波陷阱结构的缺陷能带中。
9.可选的，弹性波陷阱结构包括子缺陷结构；
10.子缺陷结构的分布密度为650个/平方厘米～105个/平方厘米。
11.可选的，子缺陷结构包括微管缺陷；
12.或者，子缺陷结构包括六方空洞缺陷；六方空洞缺陷的横截面积与第一支撑层的横截面积之比大于等于8.2％且小于20％。
13.可选的，子缺陷结构包括多个晶格损伤区，多个晶格损伤区中的每个晶格损伤区的宽度为0.1-10微米。
14.可选的，叉指换能器包括第一汇流条、第二汇流条和叉指电极对；
15.叉指电极对包括第一电极和第二电极；
16.第一电极与第一汇流条连接；
17.第二电极与第二汇流条连接。
18.可选的，支撑衬底的材料包括硅、氧化硅、二氧化硅、绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)、锗、石英、蓝宝石中的至少一种。
19.可选的，叉指换能器的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中的至少一种金属材料。
20.本技术于另一方面还公开了一种声学谐振器的制备方法，其包括以下步骤：
21.提供一支撑衬底；第一支撑衬底包括层叠的第一支撑层和第二支撑层，第一支撑
层内设有弹性波陷阱结构；弹性波陷阱结构的弹性力学参数与支撑衬底的材料的弹性力学参数不相等；
22.在支撑衬底上制备压电薄膜；
23.在压电薄膜上制备叉指换能器。
24.可选的，弹性波陷阱结构包括第一子缺陷结构；第一子缺陷结构的分布密度范围小于650个/平方厘米；
25.支撑衬底包括第一面；
26.第一面与压电薄膜连接；
27.在支撑衬底上制备压电薄膜之前，还包括：
28.沿第一面向支撑衬底进行离子注入，形成第二子缺陷结构，第二子缺陷结构的分布密度为650个/平方厘米～105个/平方厘米。
29.采用上述技术方案，本技术提供的声学谐振器具有如下有益效果：
30.本技术提供的该声学谐振器由于在第一支撑层内设有弹性波陷阱结构；弹性波陷阱结构的弹性力学参数与支撑衬底的材料的弹性力学参数不相等，该弹性波陷阱结构可以阻碍谐振器工作模式向衬底的传播，将能量约束在衬底上方压电薄膜上表面处，从而减少了声波能量向衬底的泄漏，可以提高器件的品质因数，并拓宽了谐振器工作模式的选择范围(如原本能量泄漏严重的高阶兰姆波)，提高了工作频率和带宽。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本技术一种可选的声学谐振器的结构示意图；
33.图2为本技术一种可选的声学谐振器的制备流程示意图。
34.以下对附图作补充说明：
35.1-支撑衬底；11-第一支撑层；12-弹性波陷阱结构；2-压电薄膜；3-叉指换能器。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
38.尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
39.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
40.在现有技术的声学谐振器中，其支撑衬底直接与压电薄膜连接，且在压电薄膜的顶部设置图形化的叉指电极结构，从而使得当该声学谐振器处于工作模式时，可以将在压电薄膜上激发产生声表面波，但该声波也会向支撑衬底传递，从而造成能量损耗，影响器件的工作的品质因数。
41.为此，为了提高器件的品质因数，本技术提供了一种声学谐振器，参阅图1，图1为本技术一种可选的声学谐振器的结构示意图。该声学谐振器包括由下至上依次层叠的支撑衬底1、压电薄膜2和叉指换能器3，支撑衬底1包括叠层的第一支撑层11和第二支撑层，第一支撑层11与压电薄膜2连接，第一支撑层11内设有弹性波陷阱结构12，弹性波陷阱结构12的弹性力学参数与支撑衬底1的材料的弹性力学参数不相等。于一种可能的实施例中，弹性波陷阱结构12用于将声学谐振器产生的弹性波约束在弹性波陷阱结构12的缺陷能带中。可以阻碍谐振器工作模式向支撑衬底1的传播，将能量约束在支撑衬底1上方压电薄膜2上表面处，从而减少了声波能量向支撑衬底1的泄漏，可以提高器件的品质因数，并拓宽了谐振器工作模式的选择范围(如原本能量泄漏严重的高阶兰姆波)，提高了工作频率和带宽。
42.于一种可能的实施例中，为了进一步提高该器件能够约束弹性波的效果；弹性波陷阱结构12包括子缺陷结构，子缺陷结构的分布密度为650个/平方厘米～105个/平方厘米。
43.于一种可能的实施例中，子缺陷结构包括微管缺陷；或者，子缺陷结构包括六方空洞缺陷；六方空洞缺陷的横截面积与第一支撑层11的横截面积之比大于等于8.2％且小于20％。可选的，该六方空洞缺陷为存在于第一支撑层11内的，微管缺陷为贯穿支撑衬底1，即第一支撑层11和第二支撑层的缺陷，由于上述微管缺陷或者六方空洞缺陷的存在，使得缺陷的弹性常数、密度等弹性力学参数与支撑衬底1材料有区别，能够达到将弹性波局域约束其中的作用。
44.可选的，该弹性波陷阱结构12可以是包括多个子缺陷结构，每个子缺陷结构的尺寸与谐振器的声波的波长处于同一量级，即微米级。
45.为了降低该器件的制造成本，可以直接使用常规的支撑衬底1的晶圆进行制备，但
可能存在晶圆中的微管缺陷或者六方空洞缺陷的分布密度不满足需求，则可以采用离子注入的方式形成晶格损伤区，从而得到所需的子缺陷结构，提高器件约束弹性波的效果。于一种可能的实施例中，子缺陷结构包括多个晶格损伤区，多个晶格损伤区中的每个晶格损伤区的宽度为0.1-10微米。
46.需要说明的是，通过上述举例可知，子缺陷结构可以是微管缺陷、六方空洞缺陷和晶格损伤区中的一种或者多种的组合，其中，微管缺陷和六方空洞缺陷可以是在晶圆生产过程中控制形成的，弹性波陷阱结构12可以通过人工复合材料引入，例如弹性力学参数周期性调制的人工复合结构材料(即声子晶体/声学超构材料)中的点缺陷或取向垂直于薄膜法线方向的线缺陷可以作为弹性波陷阱结构12；弹性波陷阱结构12可以通过晶体材料的缺陷获得，例如4h-sic的晶片作为支撑衬底1时，其上的微管或六方空洞缺陷可以作为弹性波陷阱结构12。
47.在晶体衬底中缺陷作为弹性波陷阱结构12时，其面密度应不小于其弹性波陷阱结构12平均作用面积的倒数。例如，4h-sic晶片作支撑衬底1时，微管缺陷密度为650个/平方厘米～105个/平方厘米，或晶片中伯格斯矢量介于3.015纳米和8.04纳米之间的螺旋型位错密度(伯格斯矢量与晶片方向一致)为650个/平方厘米～105个/平方厘米；或者晶片中六方空洞缺陷的累积面积占比为8.2％～20％；六方空洞缺陷对应的位错密度与伯格斯矢量介于3.015纳米和8.04纳米之间的螺旋型位错密度之和为650个/平方厘米～105个/平方厘米。
48.于一种可能的实施例中，叉指换能器3包括第一汇流条、第二汇流条和叉指电极对，叉指电极对包括第一电极和第二电极，第一电极与第一汇流条连接，第二电极与第二汇流条连接。
49.于一种可能的实施例中，支撑衬底1的材料包括硅、氧化硅、二氧化硅、绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)、锗、石英、蓝宝石中的至少一种。
50.于一种可能的实施例中，叉指换能器3的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中的至少一种金属材料。
51.为了更好地说明本技术的有益效果，以下将以一具体实施例进行说明，特别地，对于应用碳化硅衬底的声学谐振器而言，碳化硅晶片微管(主要沿垂直晶片生长)束缚的缺陷簇在弹性波的传播理论中可以视作上述的线缺陷。对声表面波谐振器而言，垂直于线缺陷方向的弹性波，起到一定频率带隙的弹性波能量局域作用，沿线缺陷方向的弹性波，起到导波作用，也就是说，碳化硅衬底中沿表面平行方向传播的表面波，会被垂直于其传播方向的微管所阻碍，即上述的能量局域作用，从而阻碍声波能量向碳化硅衬底的泄漏，提高谐振器的品质因数。
52.对于碳化硅晶体中由微管形成的陷阱结构的作用范围和机制的原理如下：
53.在碳化硅晶体中，螺旋型位错是导致微管缺陷的主要位错类型，伯格斯矢量大小介于3.015纳米和8.04纳米之间的螺旋型位错能够导致微管缺陷的；另一方面，碳化硅晶体中另一典型缺陷-六方空洞(也称平面缺陷)，对于微管缺陷的形成具有一定的诱导作用，后续在器件制备过程中该六方空洞缺陷可以生长形成微管。此外，在微管的形成机制中，除螺旋型位错以外，伯格斯矢量的取向和大小一定的刃型位错也起到了重要作用。
54.基于以上原理，碳化硅晶体中的微管缺陷对于晶体内的位错等缺陷具有钉轧作
用，即形成一个微管缺陷钉轧而成的缺陷陷阱态簇。这种陷阱态导致晶格中声子-缺陷相互作用的改变，使得被微管束缚的缺陷阻碍了晶格振动的传播，即认为碳化硅晶格受外部激励所产生的振动的声子能量被微管附近被缺陷态吸收。
55.且后续在对微管缺陷附近进行拉曼测试表明，载流子浓度在微管缺陷附近增大，即微管缺陷对载流子有聚集效应，通过对距离微管缺陷不同位置处拉曼缺陷特征峰的强弱变化获得，可以估计微管对缺陷的束缚作用范围，微管束缚作用的范围远大于微管本身的半径。
56.本技术于另一方面还公开了一种声学谐振器的制备方法，参阅图2，图2为本技术一种可选的声学谐振器的制备流程示意图。该制备方法包括以下步骤：
57.s201：提供一支撑衬底1；第一支撑衬底1包括层叠的第一支撑层11和第二支撑层，第一支撑层11内设有弹性波陷阱结构12；弹性波陷阱结构12的弹性力学参数与支撑衬底1的材料的弹性力学参数不相等。
58.s202：在支撑衬底1上制备压电薄膜2。
59.于一种可能的实施例中，弹性波陷阱结构12包括第一子缺陷结构；第一子缺陷结构的分布密度范围小于650个/平方厘米；支撑衬底1包括第一面，第一面与压电薄膜2连接。
60.在步骤s201之前，该方法还包括：
61.沿第一面向支撑衬底1进行离子注入，形成第二子缺陷结构，第二子缺陷结构的分布密度为650个/平方厘米～105个/平方厘米。
62.可选的，离子注入形成损伤层深度为0～3微米时，离子注入能量为20～300千电子伏特；离子注入剂量为1
×
10
15
～1
×
10
18
个/每平方厘米。
63.离子注入的离子种类包括氢离子、氦离子、氮离子、氧离子、硼离子、磷离子、碳离子、硅离子、铁离子、铝离子、锌离子、钴离子、锡离子和镍离子中的一种或者多种。
64.可选的，在进行离子注入后，可以对器件进行一定条件的退火，从而使上述缺陷聚集放大，例如，退火前支撑衬底1上存在2000个小缺陷，退火后则能汇聚成600个大缺陷；可选的，退火时间为1～10h；退火温度为100～600度；当然根据需要也可以调整上述退火时间、温度以及离子注入的相关条件，在此不做限制。
65.s203：在压电薄膜2上制备叉指换能器3。
66.可选的，步骤s201中的支撑衬底1可以通过控制晶圆的制备工艺来实现。
67.综上所述，本技术中衬底的弹性波陷阱结构12，可以阻碍谐振器工作模式在支撑衬底1的传播，将能量约束在衬底上方压电薄膜2上表面处，从而减少了声波能量向衬底的泄漏，可以提高器件的品质因数，并拓宽了谐振器工作模式的选择范围，提高了工作频率和带宽。
68.对于应用声子晶体/声学超构材料作支撑衬底1的声学谐振器而言，弹性波在声子晶体中的传播特性主要由人工的周期结构决定，类似于半导体中的载流子的输运，当声子晶体中出现上述点缺陷或线缺陷时，其带隙会出现缺陷能带(缺陷态)，处于该模式的弹性波会局域在点缺陷腔中，或沿线缺陷传播。因此，声子晶体中的缺陷态可以起到弹性波陷阱结构12的作用，从而阻碍谐振器工作模式在衬底的传播。
69.上述局域作用不仅在声子晶体这种人工周期结构的材料中出现。对于半导体材料的晶格缺陷而言，特定的缺陷也会对弹性波的传输造成影响，这一影响通过以下两种的机
制实现：缺陷-声子相互作用、缺陷改变了材料中的电子态，进而改变了材料中的电子-声子相互作用。
70.在声学谐振器的弹性波尺度(微米量级)上，上述缺陷可视为对弹性波的空腔谐振中心。此外，可以构成弹性波陷阱结构12的缺陷需要较大的尺度，并且本身不被晶格振动所影响(即上文提及的钉轧作用)。
71.以上所述仅为本技术可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。