可調(diào)薄膜體聲波諧振器和濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了可調(diào)薄膜體聲波諧振器和濾波器，涉及到與半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)特性，通過(guò)調(diào)整施加的直流偏壓進(jìn)而改變具有受控?fù)诫s濃度的半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)使諧振器的中心頻率或帶寬可調(diào)，以形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器。
【專利說(shuō)明】
可調(diào)薄膜體聲波諧振器和濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及薄膜體聲波諧振器和濾波器，更具體地，是涉及可調(diào)諧并具有受控?fù)?雜水平的壓電半導(dǎo)體諧振器和濾波器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 工作頻率在射頻(Radio Frequency，縮寫為RF )范圍的通信系統(tǒng)需要小型化、低 成本的帶通濾波器和振蕩器。這些帶通濾波器和振蕩器的作用是生成并選擇發(fā)送或接收某 一頻帶寬度(BW)內(nèi)的指定的頻率信號(hào)，并拒絕頻帶寬度之外的頻率信號(hào)。例如全球定位系 統(tǒng)(GPS)，移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)，個(gè)人通信服務(wù)(PCS)，通用移動(dòng)電信系統(tǒng)(UMTS)，長(zhǎng)期演進(jìn)技 術(shù)(LTE)，數(shù)據(jù)傳送單元:藍(lán)牙，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和衛(wèi)星廣播和未來(lái)的交通控制的通信。帶 通濾波器也用在其它高頻系統(tǒng)，如空間飛行器高速率數(shù)據(jù)的傳輸或采集。
[0003] 用于RF信號(hào)濾波的帶通濾波器和振蕩器通常使用以下技術(shù)制造：（a)基于電介質(zhì) 諧振器的陶瓷濾波器或振蕩器；（b)基于聲表面波諧振器(Surface Acoustic Wave，縮寫為 SAW)的濾波器或振蕩器；和（c)基于薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator， 縮寫為FBAR)的濾波器或振蕩器。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面的描述將集中于RF濾波器。振蕩器的 原理與濾波器類似，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易從濾波器原理推導(dǎo)到振蕩器。
[0004] 在諸如手機(jī)的個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)中，要求RF濾波器的功率處理能力大約為5W或更 低，這是不高的，但要求RF濾波器具有更小的物理尺寸和更低的制造成本。因此，手機(jī)的RF 濾波器通常由半導(dǎo)體微電子工藝制造，采取基于壓電材料的SAW形式或FBAR形式。聲波在壓 電材料的傳播速度W夬定了影響頻帶寬度的諧振頻率、電極間距和耦合系數(shù)。
[0005] 圖1A示出了典型的基于壓電基片110S的SAW 100a的示意圖。通過(guò)壓電基片的逆壓 電效應(yīng)，將輸入射頻信號(hào)經(jīng)輸入叉指換能器（IDT1)120S轉(zhuǎn)化為聲能，激勵(lì)起沿壓電基片表 面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?40S，其傳播速度為V，再通過(guò)輸出叉指換能器(IDT2)150S經(jīng)壓電效應(yīng)將 聲能轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)160S輸出。SAW濾波器的中心頻率f。主要取決于叉指電極的指條間距， 因此一旦SAW濾波器制造出來(lái)，其中心頻率和頻帶寬度也固定了。由于有限的光刻技術(shù)限制 了最小的指條間距，使得SAW濾波器的工作頻率相對(duì)較低，應(yīng)用在接近或低于1G的頻率。
[0006] 聲波在壓電材料的傳播速度是用于設(shè)計(jì)聲學(xué)濾波器重要參數(shù)。聲波在幾個(gè)壓電基 片的傳播速度如下：~4000米/秒-鈮酸鋰(LiNb0 3)，~6300米/秒-氧化鋅（ZnO)，~10400 米/秒-氮化鋁(A1N)和~7900米/秒-氮化鎵(GaN)。例如，當(dāng)基于鈮酸鋰壓電材料的濾波器 的中心頻率f〇=2GHz時(shí)，聲波的波長(zhǎng)為λ=(4000米/秒)/(2X10 9/秒)=2X10-4厘米。SAW的叉 指電極的指條間距則等于1微米。假設(shè)，相鄰電極之間的電極和空間的寬度是相等的，則電 極寬度為0.5微米。如果想要制造的IDT工作在更高的頻率，那么更先進(jìn)的光刻工具和更嚴(yán) 格的處理控制是必要的。如果電極的寬度減少到低于0.5微米，與電極有關(guān)的不期望的串聯(lián) 電阻會(huì)升高從而降低SAW濾波器的性能。因此，SAW濾波器如圖1A常常限于應(yīng)用在接近或低 于1G的頻率。為了維持高頻率的工作性能和降低制造成本，另一個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)： 薄膜體聲波諧振器(FBAR)?；贔BAR的聲學(xué)濾波器能夠工作的頻率是從幾百M(fèi)Hz到40GHz。 應(yīng)該注意的是，在具有相同電學(xué)性能和相似1GHz工作頻率，SAW濾波器占用空間大約是FBAR 濾波器的兩倍。
[0007] MEMS的發(fā)展和高性能的壓電材料的研制成功，為薄膜體聲波諧振器(FBAR )的產(chǎn) 生創(chuàng)造了有利條件。FBAR是指利用薄膜形態(tài)的金屬電極和壓電材料產(chǎn)生體聲波，并通過(guò)聲 學(xué)諧振實(shí)現(xiàn)電學(xué)選頻的器件。FBAR的諧振頻率受壓電層厚度影響，最高中心頻率可達(dá) 40GHz。在FBAR器件的壓電層中，實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，使電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波的形式 在壓電層中傳導(dǎo)并形成駐波，當(dāng)聲波的頻率和外加電壓的頻率相同（聲波半波長(zhǎng)為壓電層 厚度奇數(shù)倍)時(shí)，即可產(chǎn)生諧振。由于壓電薄膜的厚度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單位時(shí)間內(nèi)聲波的傳輸 的距離，F(xiàn)BAR的諧振點(diǎn)通常在GHz頻段，最高可達(dá)40GHz，可以很好的滿足RF通訊系統(tǒng)的需 求。
[0008] 圖1B示出了典型的薄膜體聲諧振器FBAR剖面圖100b，包括了具有基片厚度liot的 基片110,具有空氣隙深度115t的空氣隙115,具有下電極厚度140t的下電極140,壓電層厚 度150t的壓電層150,上電極的厚度160t的上電極160?？諝庀?15的目的是為了防止聲波 185進(jìn)入所述基片110,并把聲波限制在壓電層150內(nèi)。諧振頻率主要由壓電層厚度150t決 定。通過(guò)空氣隙115的隔離，聲波被限制在壓電層150內(nèi)，這使聲波進(jìn)入基片的能量損失最 小。然而，由于空氣隙（115)的出現(xiàn)，壓電層150和金屬電極（140,160)產(chǎn)生的熱在基片中的 耗散也是有限的，因?yàn)闆](méi)有其它的熱傳導(dǎo)路徑。因此，包含了具有空氣隙115的FBAR系統(tǒng)的 工作功率也不能太高，以防止由于壓電層150的過(guò)度加熱而導(dǎo)致的電路不穩(wěn)定。為了提高壓 電層的散熱，F(xiàn)BAR的另一種結(jié)構(gòu)被采用，并在RF濾波器使用。
[0009] 圖1C示出了典型的固態(tài)裝配型體聲波諧振器(Solidly Mounted Bulk Ascoustic Resonator,縮寫為SMBAR或SMR)的剖面圖100c。該SMBAR制作在具有基片厚度1 lOt的基片 110上。它包括了一組具有薄膜反射堆疊厚度120Tt的薄膜反射堆疊層120,由交替出現(xiàn)的具 有低阻抗層厚度（120-1^)的低阻抗層（120-1^1，120-1^，120-1^3)和具有高阻抗層厚度（120-HT)的高阻抗層（120-H1，120-H2組成;具有下電極厚度140t的下電極140;具有壓電層厚度 150t的壓電層150;具有上電極厚度160t的上電極160。諧振頻率f。由具有速度v的聲波185 和壓電層厚度150t決定。為了限制聲波在壓電層中，并盡量減少進(jìn)入基片的能量損失，低阻 抗層厚度（120-LT)和高阻抗層厚度（120-HT)被選擇為λ/4,這里λ是在各個(gè)層中的聲波波 長(zhǎng)。
[0010]由于在壓電層150和基片110之間沒(méi)有了空氣隙115,在壓電層150和金屬電極 (140,160)產(chǎn)生的熱在基片中的消散速率大于具有空氣隙115的FBAR(lOOb)，如圖1Β。一旦 包含F(xiàn)BARs的濾波器被制造，其傳輸?shù)闹行念l率f。和帶寬BW是由所使用的幾何形狀和材料 確定。
[0011]用于通信的RF信號(hào)的頻率和帶寬已被確定并通過(guò)地區(qū)或國(guó)家分配。用于移動(dòng)通信 有大約40個(gè)頻帶。其余頻帶為下一代通訊技術(shù)預(yù)留。表1給出了幾種移動(dòng)通信頻帶，由不同 地區(qū)或國(guó)家選擇使用。每個(gè)頻帶有具有發(fā)射中心頻率f。?和發(fā)射頻帶寬度(BWtr)的發(fā)射頻帶 (Tx Band)，以及相關(guān)的具有接收中心頻率foRE和接收帶寬(BWre)的接收頻帶(Rx Band)。發(fā) 射頻帶和接收頻帶的分離偏差由發(fā)送中心頻率和接收中心頻率的差值定義:ff-f。?。
[0012] 表1移動(dòng)手機(jī)和基站頻帶頻率和帶寬
圖ID展示了無(wú)線通信系統(tǒng)中用于發(fā)射和接收的頻率窄帶圖，示出了發(fā)射中心頻率f。?， 發(fā)射帶寬BWTR，接收中心頻率f ORE，接收帶寬BWRE。發(fā)射中心頻率和接收中心頻率之差f。?-foRE被選擇為接近BWTR+BW RE以增加通信容量。由于有限的BWTR和BWRE中，BWTR和BW RE之間的間 隔通常是小，有時(shí)在兩者之間的重疊顯示。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，濾波器的接收頻帶能力由 圖1D的曲線1(d)所示(發(fā)射頻帶具有類似特性曲線）。插入損耗應(yīng)盡可能小，隔離度應(yīng)盡可 能地大。
[0013] FBAR(圖1C)類似于一個(gè)平行板電容器，如圖中所示的簡(jiǎn)化圖1E含有兩個(gè)金屬電極 (140，160 )和電極之間的壓電層150。如前所述，F(xiàn)BAR的響應(yīng)由材料特性尤其是壓電層的材 料性質(zhì);兩個(gè)電極;壓電層和兩個(gè)電極的物理尺寸(面積和厚度)來(lái)確定。
[0014] 圖1F是FBAR的電學(xué)阻抗特性曲線，它存在串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp，串 聯(lián)諧振時(shí)，其阻抗近似為〇，并聯(lián)諧振時(shí)，其阻抗近似無(wú)窮大。這兩個(gè)頻率之間，所述FBAR表 現(xiàn)為電感。兩個(gè)頻率之外，則表現(xiàn)為電容C〇。
[0015] 由于每個(gè)RF濾波器僅具有一個(gè)固定的中心頻率和一個(gè)帶寬，不同的國(guó)家和地區(qū)大 約有40種頻帶或者頻率范圍用于無(wú)線通信領(lǐng)域。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將使用更多的從3GHz到 6GHz的頻率范圍。因此，一個(gè)真正的全球通移動(dòng)手機(jī)將需要有80個(gè)濾波器。由于資源有限， 一些設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的移動(dòng)電話手機(jī)，可以覆蓋5-10個(gè)頻帶所屬地區(qū)或國(guó)家。即使有頻帶的這 個(gè)數(shù)目減少，目前所需的RF濾波器的數(shù)量仍然較大:從10到20個(gè)單位。因此，市場(chǎng)趨勢(shì)是_. 減少的RF濾波器的尺寸和成本，通過(guò)具有可調(diào)的射頻濾波器來(lái)減少工作頻帶中的相同 數(shù)量的濾波器，每個(gè)至少覆蓋兩個(gè)頻帶。如果這是成功的，在移動(dòng)手機(jī)和其它許多微波和無(wú) 線系統(tǒng)的濾波器的數(shù)目可以大為減少。因此，開(kāi)發(fā)這種RF濾波器有很有必要的，這能使移動(dòng) 電話手機(jī)和微波系統(tǒng)可以能覆蓋盡可能多的頻帶或者頻率范圍，盡可能使RF前端的尺寸和 功耗減小。
[0016] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信終端設(shè)備的普及，物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的興 起，現(xiàn)代通信設(shè)備體積越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，射頻收發(fā)電路朝著集成化和小型化的方 向發(fā)展。
[0017] FBAR( Film bulk acoustic resonator，薄膜體聲波諧振器）擁有工作頻率高 (GHz范圍）、品質(zhì)因數(shù)高（1000以上）、器件尺寸小(微米級(jí)），且可集成的特點(diǎn)，近幾十年來(lái)得 到了廣泛的重視，并在無(wú)線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在FBAR眾多研究方向里，對(duì)其諧振 頻率調(diào)諧特性的研究一直受到廣泛關(guān)注，特別受到企業(yè)界的關(guān)注?，F(xiàn)有的FBAR調(diào)諧技術(shù)或 多或少有不足。假設(shè)擁有這樣一種可調(diào)諧FBAR，在其上施加直流偏壓，可以實(shí)現(xiàn)幾十到幾百 MHz的諧振頻率偏移量，則通過(guò)其制作的濾波器可以用在多種制式多種頻帶上，也可以用在 同一制式不同國(guó)家的不同頻段上，這樣就能真正實(shí)現(xiàn)手機(jī)的全球通。所以說(shuō)，市場(chǎng)對(duì)FBAR 電調(diào)技術(shù)有著很大的需求。
[0018] 目前電調(diào)技術(shù)存在的不足： 浙江大學(xué)碩士論文《新型電調(diào)薄膜體聲波諧振器FBAR研究》提出了一種在壓電層和電 極之間引入了一層半導(dǎo)體薄層，形成了肖特基結(jié)，相當(dāng)于在FBAR的等效電路中并聯(lián)了一個(gè) 肖特基電容，實(shí)現(xiàn)了3MHz@15V的調(diào)諧范圍，但該調(diào)諧范圍太小，不具有實(shí)用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明的目的之一是提供一種具有金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，即MDM結(jié)構(gòu) 的RF諧振器，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一直流偏壓使諧振器的中心 頻率或帶寬可調(diào)。
[0020] 本發(fā)明的目的之二是提供一種射頻諧振器與金屬-本征壓電層-摻雜壓電半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，即MIDM結(jié)構(gòu)，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一直流偏壓使諧振 器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0021] 本發(fā)明的目的之三是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-本征壓電 層-金屬結(jié)構(gòu)，即MD頂結(jié)構(gòu)，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一直流偏壓使 諧振器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0022] 本發(fā)明的目的之四是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-本征壓電 層-摻雜壓電半導(dǎo)體-本征壓電層 -摻雜壓電半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，即MDIDIDM結(jié)構(gòu)，用于形成振 蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0023] 實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的一至目的四的技術(shù)方案如下所述： 一種用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波諧振 器TFBAR，其特征是包括了 -至少一個(gè)具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區(qū)域厚度的聲波隔離區(qū)； -具有底部支撐膜厚度的底部支撐膜； -具有下電極材料和下電極厚度的下電極； -至少一個(gè)具有第一壓電層厚度的第一壓電層，所述第一壓電層是具有第一導(dǎo)電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體； -具有上電極材料和上電極厚度的上電極， 其中，所述第一壓電層包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度的第一壓電層耗盡區(qū)和具有 第一壓電層中立區(qū)厚度的第一壓電層中立區(qū)，第一壓電層耗盡區(qū)形成了第一壓電活性層， 其厚度可通過(guò)施加在所述上、下電極之間的第一直流電壓來(lái)控制和調(diào)整，以影響施加在上 電極和下電極之間的RF電信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)之間的相互作用，從而激勵(lì)聲波來(lái)達(dá)到控制、選 擇和調(diào)整所述TFBAR的諧振頻率的目的。
[0024] 其中所述聲波隔離區(qū)是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成薄膜反射層堆 疊，每層厚度是四分之一波長(zhǎng)λ/4，λ為聲波在各反射層中的波長(zhǎng)，以盡量減少聲波進(jìn)入基片 的能量損失。
[0025] 其中所述聲波隔離區(qū)是具有聲波隔離區(qū)厚度的空氣隙，以盡量減少聲波進(jìn)入基片 所產(chǎn)生的能量損失。
[0026] 所述底部支撐膜的材料和底部支撐膜的厚度可被選擇以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而減 少工作時(shí)諧振頻率不必要的偏移。
[0027] 其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度的范圍是1014cnf3到1022cnf 3,更優(yōu)選的范圍 為1013cnf3到102%f 3,以控制所述第一直流電壓的靈敏度，因而控制所述第一壓電層耗盡區(qū) 的厚度，因此控制了所述諧振頻率的靈敏度。
[0028] 所述第一壓電層的材料選自如下材料組:A1N，GaN，AlGaN，ZnO, GaAs，AlAs， AlGaAs〇
[0029] 所述基片的材料選自如下材料組:31，6&45^1叱412〇 3，玻璃，藍(lán)寶石，只要具有足 夠高的電阻率和熱導(dǎo)率，以及平坦的表面。
[0030] 所述用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波 諧振器TFBAR，還包括未摻雜的具有第二壓電層厚度的第二壓電層，其位于所述下電極和所 述第一壓電層之間，所述第二壓電層和所述第一壓電層耗盡區(qū)形成具有第一合并壓電活性 層厚度的第一合并壓電活性層，其中所述第一合并壓電活性層厚度是由第一直流電壓控制 和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)TFBAR諧振頻率的控制和調(diào)整。
[0031] 所述用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波 諧振器TFBAR，還包括未摻雜的具有第二壓電層厚度的第二壓電層，所述上電極和所述第一 壓電層之間，所述第二壓電層和所述第一壓電層耗盡區(qū)形成具有第一合并壓電活性層厚度 的第一合并壓電活性層，其中所述第一合并壓電活性層厚度是由第一直流電壓控制和調(diào) 整，從而實(shí)現(xiàn)TFBAR諧振頻率的控制和調(diào)整。
[0032] 所述用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波 諧振器TFBAR，還包括對(duì)所述第一壓電層厚度和第一壓電層中立區(qū)厚度的控制，以控制所述 第一壓電層中立區(qū)所引起的負(fù)載效應(yīng)，從而進(jìn)一步通過(guò)第一直流電壓來(lái)控制和調(diào)整所述諧 振頻率。
[0033] 選擇所述上電極材料，下電極材料，上電極厚度，下電極厚度，以控制和調(diào)整由于 下電極和上電極的存在而產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)。
[0034] 本發(fā)明的目的之五是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-本征壓電 層-摻雜壓電半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，即MDIDM結(jié)構(gòu)，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào) 整第一直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0035] 本發(fā)明的目的之六是提供一種金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-摻雜壓電半導(dǎo)體-金屬結(jié) 構(gòu)，即MDDM結(jié)構(gòu)，用于RF諧振器在基片上用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一 直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0036] 實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的五和目的六的技術(shù)方案如下所述： 一種用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波諧振 器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個(gè)具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區(qū)域厚度的聲波隔離區(qū)； -具有底部支撐膜厚度的底部支撐膜； -具有下電極材料和下電極厚度的下電極； -至少一個(gè)具有第一壓電層厚度的第一壓電層，所述第一壓電層是具有第一導(dǎo)電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體，所述第一壓電層包含了具有第一壓電耗盡區(qū)厚度的 第一壓電層耗盡區(qū)，以及具有第一壓電層中立區(qū)厚度的第一壓電層中立區(qū)； -具有第三壓電層厚度的第三壓電層，所述第三壓電層是具有第三導(dǎo)電類型和摻雜到 第三摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體，所述第三導(dǎo)電類型與所述第一導(dǎo)電類型相反，其中，所述第三 壓電層包含了具有第三壓電耗盡區(qū)厚度的第三壓電層耗盡區(qū)和具有第三壓電中立區(qū)厚度 的第三壓電層中立區(qū)； -具有上電極材料和上電極的厚度的上電極， 所述第一壓電層耗盡區(qū)和所述第三壓電層耗盡區(qū)形成了具有第一合并壓電活性層厚 度的第一合并壓電活性層，所述第一合并壓電活性層厚度可通過(guò)施加在所述上、下電極之 間的第一直流電壓來(lái)控制和調(diào)整，以影響施加在上電極和下電極之間的RF電信號(hào)與機(jī)械振 動(dòng)之間的相互作用，從而激勵(lì)聲波來(lái)達(dá)到控制、選擇和調(diào)整所述TFBAR的諧振頻率的目的。
[0037] 所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲 波諧振器TFBAR，還包括本征和非導(dǎo)電的具有第二壓電層厚度的第二壓電層，其夾在所述第 一壓電層和第三壓電層之間；所述第一壓電層耗盡區(qū)，所述第二壓電層和所述第三壓電層 耗盡區(qū)形成一個(gè)具有第一合并壓電活性層厚度的第一合并壓電活性層，所述第一合并壓電 活性層厚度被施加在上電極和下電極之間的第一直流電壓所控制，以實(shí)現(xiàn)TFBAR的諧振頻 率的控制和調(diào)節(jié)。
[0038] 其中所述聲波隔離區(qū)是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成薄膜反射層堆 疊，每層厚度是四分之一波長(zhǎng)，即λ/4，λ為聲波在各反射層中的波長(zhǎng)，以盡量減少聲波進(jìn)入 基片的能量損失。
[0039] 其中所述聲波隔離區(qū)是具有聲波隔離區(qū)厚度的空氣隙，以盡量減少聲波進(jìn)入基片 產(chǎn)生的能量損耗。
[0040] 其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度優(yōu)選范圍是1014cnf3到1022cnf 3,更優(yōu)選范圍 是1013cm-3到102Qcm- 3,其中所述第三壓電層的第三摻雜濃度優(yōu)選范圍是1014cm-3到1022cm 一3,更優(yōu)選范圍是l〇13cnf3到102%πΓ 3,以控制和調(diào)節(jié)所述第一直流電壓的靈敏度來(lái)控制和調(diào) 節(jié)第一壓電層耗盡區(qū)厚度和第三壓電層耗盡區(qū)厚度，因此可以控制和調(diào)節(jié)所述TFBAR諧振 頻率的靈敏度。
[0041] 選擇所述底部支撐膜的材料和底部支撐膜的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，以在工作時(shí) 減少不期望的諧振頻率偏移。
[0042] 所述第一壓電層和所述第三壓電層的材料選擇自材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO， GaAs，AlAs，AlGaAs 〇
[0043] 所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲 波諧振器TFBAR，所述第二壓電層的材料選擇自材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs， AlGaAs，LiNb03，LiTa03，PZT，BaTi03，石英和KnbO，只要它們是有足夠高的聲電耦合系數(shù)的 壓電材料。
[0044] 所述基片的材料選自材料組:Si，GaAs，玻璃，藍(lán)寶石，A1N，Al2〇3，只要它們具有足 夠高的電阻率和熱導(dǎo)率，以及平坦的表面。
[0045] 所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲 波諧振器TFBAR，由于所述下電極和上電極的存在，所述上電極的材料，下電極的材料，上電 極的厚度，下電極的厚度可以被選擇和控制以調(diào)整負(fù)載效應(yīng)。
[0046] 所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲 波諧振器TFBAR，還包括了具有第二壓電層厚度的第二壓電層、具有第四壓電層厚度的第四 壓電層、具有第五壓電層厚度的第五壓電層;所述第二壓電層和第五壓電層是本征的和不 導(dǎo)電的，而所述第四壓電層摻雜到第四摻雜濃度并與第四壓電層接點(diǎn)相連;所述第二壓電 層相鄰的是所述第一壓電層，所述第五壓電層相鄰的是所述第三壓電層，所述第四壓電層 被夾在所述第二壓電層和所述第五壓電層間;所述第一壓電層耗盡區(qū)和所述第二壓電層形 成第一合并壓電活性層;所述第三壓電層耗盡區(qū)和所述第五壓電層形成的第二合并壓電活 性層;第一直流電壓被施加在所述下電極和第四壓電層接點(diǎn)之間以控制所述第一合并壓電 活性層的厚度，第二直流電壓被施加在上電極和第四壓電層接點(diǎn)之間以控制所述第二合并 壓電活性層的厚度，因此實(shí)現(xiàn)了 TFBAR的諧振頻率的控制和調(diào)節(jié)。
[0047] 本發(fā)明的目的之七是提供一種可調(diào)濾波器，具有多個(gè)可調(diào)串聯(lián)諧振器，多個(gè)可調(diào) 并聯(lián)諧振器，多個(gè)耦合電容器，多個(gè)隔離電感器，通過(guò)第一直流電壓源來(lái)控制和選擇諧振器 的諧振頻率，并控制微波傳輸?shù)闹行念l率的可調(diào)濾波器。
[0048] 發(fā)明的目的之八是提供一種可調(diào)濾波器，具有多個(gè)可調(diào)串聯(lián)諧振器，多個(gè)可調(diào)并 聯(lián)諧振器，多個(gè)耦合電容器，多個(gè)隔離電感器，通過(guò)第一直流電壓源和第二直流電壓源來(lái)控 制和選擇所述諧振器和調(diào)諧諧振頻率，并控制微波傳輸?shù)闹行念l率的可調(diào)濾波器。
[0049] 實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的七和目的八的技術(shù)方案如下所述： 一種可調(diào)的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是包括了： 至少一個(gè)第一串聯(lián)可調(diào)諧振器； 至少一個(gè)第二并聯(lián)可調(diào)諧振器，各對(duì)在第一接點(diǎn)連接； 至少一個(gè)第一耦合電容和至少一個(gè)第二耦合電容，用于阻斷直流電壓； 至少一個(gè)第一隔離電感器，用于阻止RF信號(hào)； 至少一個(gè)具有電壓值V1S的第一直流電壓源VDC1，施加在所述第一隔離電感器和整個(gè)組 合的所述第一串聯(lián)諧振器和第二并聯(lián)諧振器上，以建立所述第一串聯(lián)諧振器和第二并聯(lián)諧 振器的偏壓，從而控制和調(diào)整諧振中心頻率以及施加到第一射頻輸入接點(diǎn)的RF信號(hào)的傳 輸，從而使在所述諧振中心頻率及附近的微波信號(hào)被允許傳播通過(guò)第一諧振器，以達(dá)到RF 輸出接點(diǎn)，使得通過(guò)所述第一直流電壓源的電壓可以選擇和控制所述可調(diào)微波體聲波濾波 器的微波傳輸?shù)闹行念l率。
[0050] 所述的可調(diào)的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是還包括： 至少一個(gè)第二隔離電感器，以隔離RF信號(hào)； 第二直流電壓源，以連接所述第二隔離電感器， 所述第一直流電壓VDC1和所述第二直流電壓VDC2被調(diào)節(jié)，使所述薄膜體聲波濾波器傳輸 微波的中心頻率被選擇和控制到一個(gè)期望值。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1A:現(xiàn)有技術(shù)的在壓電基片上的聲表面波(SAW)濾波器100a。
[0052] 圖1B:現(xiàn)有技術(shù)的薄膜體聲波諧振器(FBAR)lOOb截面圖，具有空氣隙，上電極，下 電極，壓電層。諧振頻率主要由壓電層厚度和聲波速度來(lái)確定。
[0053]圖1C:現(xiàn)有技術(shù)的聲波諧振器(SMBAR)lOOc截面圖。具有薄膜反射堆疊，上電極，下 電極，壓電層。諧振頻率是壓電層厚度和聲波速度來(lái)確定。
[0054]圖1D:用于無(wú)線通信發(fā)送和接收微波的窄傳輸頻帶圖。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，每個(gè)發(fā) 送窄頻帶時(shí)使用具有曲線1(d)所示特性的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0055] 圖1E:FBAR類似于具有兩個(gè)金屬電極之間的壓電層的平行板電容器，F(xiàn)BAR的響應(yīng) 由壓電層的材料特性和物理尺寸決定。
[0056] 圖IF:FBAR的無(wú)損輸入阻抗與頻率關(guān)系的示意圖，示出在兩個(gè)諧振頻率:fP和fs。
[0057] 圖2A:具有MDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(200a)的示意剖面圖，在第一中心頻率f。!實(shí)現(xiàn)諧振，該 頻率是由直流偏壓V DC1調(diào)諧得到。
[0058] 圖2B:具有MDIM結(jié)構(gòu)的TFBAR(200b)的示意剖面圖，在第一中心頻率fca實(shí)現(xiàn)諧振， 該頻率是由直流偏壓VDC1調(diào)諧得到。
[0059] 圖2C:具有MD頂結(jié)構(gòu)TFBAR(200b)在不同直流偏壓V'DC1作用下的示意剖面圖，以展 示所述第一直流電壓的效果。
[0060] 圖2D:壓電半導(dǎo)體基片的導(dǎo)電率σ與變量Δv/v。的關(guān)系圖?；瑢?dǎo)電性的聲波速度 ν (〇 )的變化是由偏置直流電壓控制。
[0061] 圖2Ε示出聲波衰減與壓電半導(dǎo)體的導(dǎo)電率的變化關(guān)系。在低導(dǎo)電區(qū)、高導(dǎo)電區(qū)域 衰減小，在過(guò)渡區(qū)域衰減大。
[0062]圖2F示出了具有多個(gè)TFBARs(200a或200b)形成的可調(diào)微波濾波器的傳輸特性，當(dāng) 第一直流電壓從VDC1改為V ' DQ時(shí)，微波傳輸?shù)闹行念l率從f ca偏移至f。2。
[0063] 圖3A示出了具有可調(diào)的微波濾波器的直流偏壓（曲線3A)與中心諧振頻率f。的關(guān) 系，沒(méi)有考慮第一壓電層中立區(qū)厚度和聲波速度的差異變化導(dǎo)致的的負(fù)載效應(yīng)變化。因此 df〇(VDC)/ dVDC為正。
[0064] 圖3B示出可調(diào)微波濾波器的諧振頻率與直流偏壓的變化，僅考慮聲波速度在中立 區(qū)和耗盡區(qū)以及負(fù)載變化的差異效應(yīng)，諧振頻率與直流偏壓關(guān)系與圖3A是相反的。因此 df0(VDC)/ cIVdc 為負(fù)。
[0065] 圖3C:可調(diào)微波濾波器的諧振中心頻率與直流偏壓變化關(guān)系的示意圖。曲線3C是 綜合考慮了直流偏壓（曲線3A)導(dǎo)致的壓電活性層厚度降低效應(yīng)，中等的聲波速度差異影 響，以及通過(guò)曲線3B-1表示的弱負(fù)載效應(yīng)而得到。
[0066]圖3D:可調(diào)微波濾波器的諧振中心頻率與直流偏壓變化關(guān)系的示意圖。曲線3D是 綜合考慮了直流偏壓（曲線3A)導(dǎo)致的壓電活性層厚度增加效應(yīng)，大的聲波速度差異影響， 以及通過(guò)曲線3B-2表示的強(qiáng)負(fù)載效應(yīng)而得到。
[0067] 圖4A是表示一個(gè)具有MIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(400a)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實(shí)現(xiàn)諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調(diào)諧得到。
[0068] 圖4B是表示一個(gè)具有MDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(400b)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實(shí)現(xiàn)諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調(diào)諧得到。
[0069] 圖4C是表示一個(gè)具有MDDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(400c)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實(shí)現(xiàn)諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調(diào)諧得到。
[0070] 圖4D是表示一個(gè)具有MDIDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(400d)示意性橫截面圖，在第一中心頻 率fed實(shí)現(xiàn)諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調(diào)諧得到。
[0071] 圖4E示出在整個(gè)具有MDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR中，電場(chǎng)ξ(χ)隨距離X的變化而變化的示 意圖，其中在第一和第三壓電層的摻雜水平(DjPD 3)是高的。當(dāng)具有VDCla%壓值的直流電 壓施加時(shí)電場(chǎng)分布由實(shí)線表不。當(dāng)具有VDClb電壓值的直流電壓施加時(shí)的電場(chǎng)分布由虛線表 示，其中在所述第一合并壓電活性層厚度的總增加量a w= △ WL+ Δ Wr。
[0072] 圖4F示出了在整個(gè)具有MDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR中，電場(chǎng)ξ(χ)隨距離x的變化而變化的 示意圖，其中第一和第三壓電層(Di'和D 2'）的摻雜水平是低的。當(dāng)具有VDClai壓值的直流電 壓施加時(shí)電場(chǎng)分布由實(shí)線表不。當(dāng)具有VDClb電壓值的直流電壓施加時(shí)的電場(chǎng)分布由虛線 表示，其中在所述第一合并壓電活性層厚度的總增加量aw' = aw'l+aw'r。
[0073] 圖4G是一個(gè)改進(jìn)的MBVD模型，用于描述理想的FBAR等效電路。
[0074]圖4H是本發(fā)明TFBAR的等效電路。通過(guò)第一直流偏壓VDC對(duì)其中的靜態(tài)電容Co,動(dòng) 態(tài)元件Lm，Cm和Rm實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和調(diào)節(jié)。
[0075]圖5A示出了通過(guò)連接根據(jù)本發(fā)明的TFBAR諧振器(340,350)形成一個(gè)可調(diào)的微波 濾波器電路(500a)的一個(gè)不意圖。
[0076]圖5B示出了通過(guò)連接根據(jù)本發(fā)明的2個(gè)TFBAR諧振器(340,350)形成一個(gè)可調(diào)的微 波濾波器電路(500b)的示意圖。
[0077]圖5C示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)3.5級(jí)階梯可調(diào)微波聲濾波器(500c)的示意圖。
[0078]圖f5D示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)3.5級(jí)可調(diào)階梯微波聲濾波器(500d)的示意圖。
[0079]附圖標(biāo)記說(shuō)明 110S壓電基片 120S IDT1叉指換能器1 130S電源 140S聲波 150S IDT2叉指換能器2 160S輸出 圖1B l〇〇b薄膜體聲波諧振器FBAR 110壓電基片110t壓電基片厚度 115空氣隙115t空氣隙深度 140下電極140t下電極厚度 150壓電層150t壓電層厚度 160上電極160t上電極厚度 圖1C 100c固態(tài)裝配型體聲波諧振器SMBAR或者SMR 120薄膜反射堆疊 120-L1, 120-L2, 120-L3低電阻層120-Lt低電阻層厚度 120-H1，120-H2高電阻層，120-Ht高電阻層厚度 185聲波 圖1E 140下電極 150壓電層150t壓電層厚度 160上電極 圖2A 200a TFBAR 基片210,基片厚度210t 隔離區(qū)215,隔離區(qū)厚度215t 支撐膜230，支撐膜厚度230t 下電極240，下電極厚度240t，下電極觸點(diǎn)240C 第一壓電層250,第一壓電層厚度250t，第一壓電層摻雜邊緣250B， 第一壓電層耗盡區(qū)2501，第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It，第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt， 第一壓電層中立區(qū)250N 上電極290,上電極厚度290t，上電極觸點(diǎn)290C 圖2B 第一合并壓電層厚度250Tt，第一合并壓電活性層厚度250T't， 第二壓電層255,第二壓電層厚度255t 圖4A 400a 基片210,基片厚度210t 隔離區(qū)215,隔離區(qū)厚度215t 支撐膜230，支撐膜厚度230t 下電極240，下電極厚度240t，240C 第一壓電層250,第一壓電層厚度250t，第一壓電層摻雜邊緣250B， 第一壓電層耗盡區(qū)2501，第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It，第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt， 第一壓電層中立區(qū)250N 第一合并壓電層厚度250Tt，第一合并壓電活性層厚度250T't， 第二壓電層255,第二壓電層厚度255t 上電極290,上電極厚度290t，上電極觸點(diǎn)290C 400b 第三壓電層270,第三壓電層中立區(qū)270N，第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt，第三壓電層摻 雜區(qū)2701，第三壓電層摻雜區(qū)厚度270It 400d 第四壓電層260,第四壓電層厚度260t 第五壓電層275，第五壓電層厚度275t，第二合并壓電層270TTt， 圖5A 310第一RF輸入觸點(diǎn) 320 RF輸出觸點(diǎn) 330公共接地點(diǎn) 340第一串聯(lián)諧振器 340C第一耦合電容器 340L第一隔離電感器 340ST第一電源點(diǎn)350ST第二電源點(diǎn) 350第二并聯(lián)諧振器 350T第一觸點(diǎn) 350C第二耦合電容器 360 RF信號(hào) 圖? 分級(jí)階梯濾波器(500D)包括： 第一串聯(lián)諧振器(340-1，340-2,340-3 ); 第二并聯(lián)諧振器（350-1，350-2，350-3，350-4); 用于阻斷直流電壓的第一耦合電容(340-0(：，340-1(：，340-2(：，340-3〇和第二耦合電容 器（350-4C); 用于RF信號(hào)隔離的第一隔離電感(340-11^，340-21^，340-31〇和第二隔離電感（350-11^， 350-2L，350-3L，350-4L); 具有電壓值VlS，V2S，V3S的第一直流電壓源Vdci， 具有電壓值^，\^，\^，^^的第二直流電壓源^^2。
【具體實(shí)施方式】
[0080] 這里將對(duì)影響本發(fā)明壓電固體聲學(xué)特性的幾種材料與器件效應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明。這些效 應(yīng)被有利地用于本發(fā)明，通過(guò)改變直流偏壓的方式提供了具有可調(diào)諧振特性和頻率的諧振 器和濾波器。另外，術(shù)語(yǔ)"直流電壓"與術(shù)語(yǔ)"直流偏壓"本質(zhì)上是一回事，只是基于不同的表 達(dá)習(xí)慣而被應(yīng)用在不同的描述中。
[0081] 活性壓電層厚度效應(yīng)： 由于傳統(tǒng)的薄膜體聲波諧振器(FBAR)沒(méi)有調(diào)諧能力，諧振頻率由材料特性來(lái)確定。當(dāng) 電極的負(fù)載效應(yīng)和厚度影響被忽略時(shí)，諧振頻率f。由聲波在壓電層的傳播速度v和壓電層 的厚度t決定，艮P : f 〇=v/(2t) 〇在論文 "Design of Computer Experiments : a powerful tool for the numerical design of BAff fi1ters"（2008 IEEE International Ultrasonic Symposium Proceedings，p · 2185-p · 2188) "計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：一個(gè)強(qiáng)大的工 具，可用于BAW濾波器的數(shù)值設(shè)計(jì)"（2008年IEEE國(guó)際研討會(huì)超聲波論文集，2185 -2188頁(yè)） 中，萊因哈特等人提出了 Mo/AIN/Mo壓電疊堆的諧振頻率與A1N壓電層厚度的變化關(guān)系。壓 電疊堆的41~厚度為1以111，諧振頻率1為2.2 6他。當(dāng)41_勺厚度從1以111增加至2以111，壓電疊堆 的諧振頻率則從2.2 GHz線性地減小到1.61 GHz。值得注意的是，上述的結(jié)果來(lái)自單獨(dú)制造 的具有不同A1N厚度的FBARs，以便獲得不同的諧振頻率。
[0082] 根據(jù)本發(fā)明，薄膜體聲波諧振器(FBAR)或固態(tài)裝配型聲波諧振器(SMRs或SMBARs) 的諧振特性可以被調(diào)諧的，其原理是通過(guò)改變施加的直流電壓，進(jìn)而改變了具有受控?fù)诫s 濃度(Nd)的半導(dǎo)體壓電層耗盡區(qū)的厚度。根據(jù)本實(shí)施方式，中立區(qū)和耗盡區(qū)在摻雜的半導(dǎo) 體壓電層中形成。壓電層的中立區(qū)是導(dǎo)電的，電導(dǎo)近似正比于Nd，而壓電層的耗盡區(qū)本征的 和電絕緣的，因其具有低的自由載流子密度。壓電層耗盡區(qū)的厚度通過(guò)改變直流電壓來(lái)調(diào) 節(jié)，耗盡區(qū)構(gòu)成整個(gè)或部分壓電活性層，以允許RF信號(hào)與聲波信號(hào)之間發(fā)生相互作用。由于 RF信號(hào)與聲波信號(hào)之間的相互作用主要發(fā)生在壓電活性層，它們受壓電活性層厚度的影 響。因此，根據(jù)本發(fā)明，基于所述半導(dǎo)體壓電層的FBARs和SMRS或SMBARs)和任何濾波器，開(kāi) 關(guān)或其它裝置諧振特性和頻率可以通過(guò)改變直流電壓的大小被調(diào)諧和調(diào)整。
[0083]電極負(fù)載效應(yīng)： 對(duì)于傳統(tǒng)的FBAR，諧振頻率也受加載到上電極的附加材料影響。當(dāng)某材料的規(guī)定量加 入到上電極，所述附加材料的質(zhì)量引起了負(fù)載效應(yīng)，并導(dǎo)致從沒(méi)有附加材料的原始諧振頻 率f。的降低或改變了諧振頻率A f，因負(fù)載效應(yīng)導(dǎo)致了FBAR諧振頻率△ f的改變這一現(xiàn)象已 被用于監(jiān)測(cè)如添加到上電極的蛋白質(zhì)材料的質(zhì)量變化。見(jiàn)論文"A 1 N-bas ed BAW resonators with CNT electrodes for gravimetric biosensing''（2011 Sensors and Actuators B,volume 160，p. 1386-p. 1393)，"基于AIN的BAW諧振器與CNT電極對(duì)重力生物 傳感"（2011年傳感器和執(zhí)行器雜志B，V. 160,第1386-1393頁(yè)）。應(yīng)當(dāng)指出，引起傳統(tǒng)FBARs的 諧振頻率的變化的負(fù)載效應(yīng)是由于將不同質(zhì)量的物理材料添加到FBARs的上電極。添加到 下電極也可能出現(xiàn)的諧振頻率改變的負(fù)載效應(yīng)，但未見(jiàn)報(bào)道。
[0084]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，當(dāng)FBARs，SMRs，SMBARs諧振特性通過(guò)施加在電極 上直流電壓而被調(diào)諧時(shí)，壓電層中形成了耗盡區(qū)和中立區(qū)。耗盡區(qū)厚度由摻雜水平和直流 電壓來(lái)確定，而中立區(qū)的厚度是由半導(dǎo)體壓電層總厚度、摻雜水平和直流電壓值所確定。耗 盡區(qū)是本征的和電絕緣的，自由載流子密度很低，且構(gòu)成活性壓電層，它是確定FBARs， SMRs，SMBARs的諧振頻率的第一貢獻(xiàn)。當(dāng)所述偏壓直流電壓的變化引起了中立區(qū)厚度的變 化，電極，特別是上電極會(huì)有關(guān)聯(lián)的負(fù)載效應(yīng)。這將是影響諧振頻率的第二貢獻(xiàn)。因此， FBARs，SMRs，SMBARs和濾波器，開(kāi)關(guān)和根據(jù)本發(fā)明的其它微波器件(微波聲學(xué)濾波器或?yàn)V波 器)的諧振頻率可通過(guò)改變直流電壓來(lái)調(diào)諧。為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)FBAR將用于還表示在本發(fā) 明的后續(xù)描述的SMR和SMBARs。
[0085] 基片導(dǎo)電性對(duì)聲波傳播速度的影響： 涉及本發(fā)明的另一個(gè)影響是基片的導(dǎo)電性?；膶?dǎo)電性對(duì)聲波速度的影響已報(bào)道在 "Anomalous increase of SAW velocity due to conducting film on piezoelectric structure^by B.D.Zaitsev et al(2000 IEEE Ultrasonics Symposium p.449-p.452) "因具有壓電結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電薄膜而異常增加的SAW速度》一文（2000年的IEEE超聲波研討會(huì) P449-452)。文中表明，聲波在壓電基片的傳播速度受一個(gè)放在附近的半導(dǎo)體薄膜的導(dǎo)電性 影響。用于具有低導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層時(shí)，聲波速度保持不變，并在半導(dǎo)體層的影響是最小 的。對(duì)于具有適中導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層時(shí)，聲波速度減小到一個(gè)新值。當(dāng)具有高導(dǎo)電性的半導(dǎo) 體層被置于鄰近所述壓電基片，所述聲波速度下降到一個(gè)較低的恒定值。
[0086] 在本發(fā)明中，半導(dǎo)體壓電層被采用形成諧振器及微波濾波器。因此，如果半導(dǎo)體層 的導(dǎo)電性變化，聲學(xué)諧振器或?yàn)V波器的諧振中心頻率也將發(fā)生變化。值得注意的是，頻率的 變化可以從1%到超過(guò)25%，這取決于壓電層的材料。應(yīng)該指出，正如上面文獻(xiàn)引用導(dǎo)電性的 變化發(fā)生在壓電層相鄰的半導(dǎo)體薄膜層。因此耦合效應(yīng)不太強(qiáng)，可以通過(guò)更換一個(gè)新的半 導(dǎo)體薄層而獲得的導(dǎo)電性的變化。在本發(fā)明中，半導(dǎo)體壓電層作為壓電活性層和非活性導(dǎo) 電層，以實(shí)現(xiàn)聲波速度的減少。
[0087]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)FBARs的諧振特性被調(diào)諧是通過(guò)施加和改變直流 電壓來(lái)改變具有受控?fù)诫s的半導(dǎo)體壓電層的耗盡區(qū)厚度時(shí)，相關(guān)的中立區(qū)的厚度也會(huì)變 化。由于聲波在電絕緣的耗盡區(qū)的傳播速度高，在導(dǎo)電的中立區(qū)的傳播速度低，因此耗盡 區(qū)形成了部分壓電活性層，而中立區(qū)形成了部分負(fù)載。因此通過(guò)直流偏壓控制壓電耗盡區(qū) 的厚度和壓電中立區(qū)的厚度，使聲波在包含壓電耗盡區(qū)和壓電中立區(qū)的合并壓電區(qū)的平均 傳播速度得到調(diào)整。最終，包含了半導(dǎo)體壓電層的FBARs的諧振頻率被進(jìn)一步調(diào)諧和調(diào)整。 [0088]從上面的說(shuō)明中，本發(fā)明的可調(diào)中心頻率的FBAR結(jié)構(gòu)涉及到與半導(dǎo)體壓電結(jié)構(gòu)相 關(guān)的結(jié)特性（junction properties)。在壓電諧振器，振蕩器或?yàn)V波器中，由于壓電效應(yīng)，壓 電活性層中電能和機(jī)械能發(fā)生交換，由于電壓的施加，壓電活性層建立了強(qiáng)電場(chǎng)。在構(gòu)成結(jié) 器件的半導(dǎo)體壓電材料，它可以是一個(gè)P-N結(jié)，P-I-N結(jié)，M-I-N結(jié)，或M-I-P結(jié)。P是p-型摻雜 壓電半導(dǎo)體材料，N是η型摻雜的壓電半導(dǎo)體材料，I是本征的未摻雜的壓電半導(dǎo)體材料，Μ是 金屬。當(dāng)施加電壓時(shí)，電場(chǎng)主要產(chǎn)生在未摻雜的I層，η型和/或ρ型摻雜的壓電材料的耗盡 區(qū)。在η型摻雜或ρ型摻雜壓電半導(dǎo)體的耗盡區(qū)，由于電荷載流子復(fù)合，電阻率是非常大的， 并可能會(huì)超過(guò)1〇 6歐姆-厘米。而在中立區(qū)，電阻率低，可能是在1〇_4歐姆-厘米至1〇2歐姆-厘 米范圍，取決于雜質(zhì)的摻雜濃度。
[0089] 由于低電阻或高導(dǎo)電性，中立區(qū)表現(xiàn)為金屬。它們與具有較高的電阻率值的耗盡 區(qū)串聯(lián)連接。當(dāng)一個(gè)電壓施加在半導(dǎo)體壓電材料的耗盡區(qū)和中立區(qū)，中立區(qū)的電場(chǎng)百分比 是很小的，而在耗盡區(qū)電場(chǎng)百分比是非常大的。因此，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)FBAR或?yàn)V波器采用ρ型 摻雜或η型摻雜的半導(dǎo)體壓電材料時(shí)，施加的電能和所產(chǎn)生的機(jī)械能或聲波之間的相互作 用將發(fā)生在耗盡區(qū)，而不是在中立區(qū)。本發(fā)明提供的可調(diào)FBARs有利地通過(guò)一個(gè)偏壓直流電 壓施加在采用P型或η型摻雜半導(dǎo)體壓電材料上來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧和調(diào)整。
[0090] 可調(diào)ΜΛΜ2或MDM諧振器和微波濾波器： 本發(fā)明的一些實(shí)施例將使用特定的可調(diào)諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明?？烧{(diào)薄膜體聲波諧振器 (TFBAR)具有iWhMs或MDM結(jié)構(gòu)用于形成用于微波通信的可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。除了微波聲 學(xué)濾波器，例如MDM TFBARs也適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān)等微波器件。
[0091] 圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的的結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲諧振器TFBAR(200a)的示 意性剖面圖。這里，Mi是第一金屬，DiSp型摻雜或η型摻雜的第一壓電半導(dǎo)體，112是第二金 屬。所述TFBAR(200a)包括具有基片厚度210t的基片210;聲波隔離區(qū)厚度215t的聲波隔離 區(qū)215 ;具有底部支撐膜厚度230t和底部支撐膜材料的底部支撐膜230 ;具有下電極厚度 240t和下電極材料的下電極240(M2);具有第一壓電層厚度250t的第一壓電層250(00;和具 有上電極材料和上電極厚度290t的上電極290(10。
[0092] 其中所述基片210的材料選自以下材料組:Si (硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3(氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。
[0093]其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射 層堆疊，各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。
[0094]同時(shí)，聲波隔離區(qū)215也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。
[0095]聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入基片所產(chǎn)生的能量損失。
[0096]所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜230的 材料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn) 所述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層（未在圖2A中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定 TFBAR的諧振頻率(200a)。
[0097]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極240材料和上電極290材料選自以下材料組：鎢 (￥)，鉑(？0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭(了 &)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它 們的組合。 所述第一壓電層250(00是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo)體，優(yōu) 選為η型半導(dǎo)體。所述第一壓電層250包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電 層耗盡區(qū)2501和具有第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt的第一壓電層中立區(qū)250N，這兩個(gè)區(qū)域 由第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B分割（圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區(qū)2501是本征的和電 絕緣的。第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B的位置是由施加到下電極240(通過(guò)下電極接點(diǎn)240C)和 上電極290(通過(guò)上電極接點(diǎn)290C)之間的具有第一電壓值的第一直流電壓V DC1所控制。
[0098] 第一直流電壓Vdci成為所述第一壓電層250的偏壓，并使第一壓電層耗盡區(qū)厚度 250It和第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt得到控制，從而控制了 TFBAR(200a)的諧振頻率，因而 能促使加到上電極290的第一 RF信號(hào)RF1的傳輸或阻斷。
[0099] 第一直流電壓VDC1的電壓值可增加或減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率 能是同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。
[0100] 應(yīng)該提到的是，第一壓電層耗盡區(qū)2501的形成與第一壓電中立區(qū)250N的相似，如 Si和GaAs半導(dǎo)體微電子芯片用的原理和理論已在各種文本書籍和文獻(xiàn)被描述，在此將不再 重復(fù)。在壓電半導(dǎo)體的耗盡區(qū)，電荷載流子密度小，低于10 1<3Cnf3的，所以導(dǎo)電率非常低，耗 盡區(qū)表現(xiàn)為絕緣體，而在中立區(qū)中的載流子密度大和通常的范圍為l〇 14cnf3至1021cnf3的這 樣的導(dǎo)電率大，中立區(qū)表現(xiàn)為導(dǎo)體。
[0101] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區(qū)厚度250It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。在TFBAR(200a)中，所述第一壓電 層耗盡區(qū)2501形成了第一壓電活性層。當(dāng)具有第一頻率fca的第一 RF信號(hào)RF1加到上電極290 時(shí)，第一壓電層耗盡區(qū)2501和第一壓電中立區(qū)250N可以實(shí)現(xiàn)TFBAR(200a)在第一頻率匕!的 諧振。
[0102] 第一壓電層厚度250t的選擇范圍為50納米到20微米，這取決于在所述第一壓電層 250中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。對(duì)于給定的工作頻率，所述第一壓電層 厚度250t被選擇，以致于當(dāng)施加最大的第一直流電壓V DC1時(shí)，能獲得最大的第一壓電層耗盡 區(qū)厚度250It和最小的第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進(jìn)入第一壓 電層中立區(qū)造成的能量損失最小。
[0103] 第一壓電層250的材料選自以下化合物材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs， AlGaAs，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導(dǎo)體。
[0104] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(200a)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第一 RF信號(hào)RF1以具有 第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個(gè)為給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于LjPBWl以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0105] 因此，根據(jù)本發(fā)明，具有施0通2或MDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(200a)的諧振特性是可通過(guò)改變 第一直流電壓Vdq來(lái)調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝恢绷髌珘篤dq改變，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度25011和第 一壓電層中立區(qū)厚度250Nt將發(fā)生變化。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的變化改變了第一 壓電活性層(在200a中即是第一壓電層耗盡區(qū)2501)2501，并在諧振頻率中產(chǎn)生了第一變化 分量。另一方面，在第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt的變化，改變負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，并在諧 振頻率中產(chǎn)生了第二變化分量。因此，在具有MDM的TFBAR(200a)的諧振頻率和性能因第一 直流電壓Vdq的變化而變化。
[0106] 通過(guò)改變第一直流電壓VDC1從而改變所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It來(lái)控制具 有MDM結(jié)構(gòu)的TFBAR( 200a)的諧振頻率將用于本發(fā)明。在應(yīng)用中，多個(gè)具有MDM結(jié)構(gòu)的TFBARs (200a)的連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，且具有窄帶通特性，以允許射頻信號(hào)以頻率fQl 傳輸，多個(gè)第一直流電壓值：Vdci-1，Vdci-2,---Vdci-N，可被應(yīng)用于一次一個(gè)，以產(chǎn)生多個(gè) 諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于發(fā)射頻率或接收頻率。第一壓電層耗盡區(qū)的形成是由 于多數(shù)載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的從一個(gè)諧振頻率切換到另一個(gè)頻率， 僅由TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)所限制。
[0107] 可調(diào)MiDihife或MDIM諧振器和濾波器： 本發(fā)明的目的之三是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導(dǎo)體-本征壓電層-金屬結(jié)構(gòu)，即MD頂結(jié)構(gòu)，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過(guò)調(diào)整第一直流偏壓使諧振 器的中心頻率或帶寬可調(diào)。
[0108] 根據(jù)一個(gè)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)可調(diào)或MDIM結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波諧振 器TFBAR，用于微波通信單元的，形成可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。除了微波聲學(xué)濾波器，例如MDIM TFBARs也適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān)等微波器件。
[0109] 如圖2B所示，一個(gè)有或MD頂結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲諧振器TFBAR(200b)的示 意性橫截面圖。
[0110] 這里，Mi是第一金屬，DiSp型摻雜或η型摻雜的第一壓電半導(dǎo)體，h是未摻雜的第 二壓電層，M2是第二金屬。所述TFBAR(200b)包括具有基片厚度210t的基片210;聲波隔離區(qū) 厚度215t的聲波隔離區(qū)215;具有底部支撐膜厚度230t和底部支撐膜材料的底部支撐膜 230;具有下電極厚度240t和下電極材料的下電極240(M 2);未摻雜的具有第二壓電層厚度 255t的第二壓電層255(1!)，且與下電極240接觸;部分導(dǎo)電的具有第一壓電層厚度250t的 第一壓電層250(0!);具有上電極材料和上電極厚度290t的上電極290(M 2)，第一壓電層250 和第二壓電層255形成了具有第一合并壓電層厚度250Tt的第一合并壓電層(255 + 250)。 所述TFBAR( 200b)，形成了MiDiI通2或MDIM結(jié)構(gòu)的RF諧振器。
[0111] 該MDIM結(jié)構(gòu)的TFBAR(200b)與MDM結(jié)構(gòu)的TFBAR(200a)的不同之處增加的第二壓電 層255是未摻雜的本征半導(dǎo)體，而且是電絕緣的。
[0112] 其中所述基片210的材料選自以下材料組：Si (硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3(氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。
[0113] 其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射 層堆疊，各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。
[0114] 同時(shí)，聲波隔離區(qū)215也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。
[0115] 聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入基片所產(chǎn)生的能量損失。
[0116] 所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜230的 材料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si 3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn) 所述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層（未在圖2B中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定 TFBAR的諧振頻率(200b)。
[0117]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極240材料和上電極290材料選自以下材料組：鎢 (￥)，鉑(？0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭(了 &)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它 們的組合。 所述第一壓電層250(00是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo)體，優(yōu) 選為η型半導(dǎo)體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導(dǎo)體，而且是電絕緣的。所述第一壓電層 250包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電層耗盡區(qū)2501和具有第一壓電中 立區(qū)厚度250Nt的第一壓電中立區(qū)250N，這兩個(gè)區(qū)域由第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B分割（圖中 由虛線示出）。第一壓電層耗盡區(qū)2501是本征的和電絕緣的。第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B的位 置是由施加到下電極240(通過(guò)下電極接點(diǎn)240C)和上電極290(通過(guò)上電極接點(diǎn)290C)之間 的具有第一電壓值的第一直流電壓V DC1所控制。
[0118]第一壓電層耗盡區(qū)2501和第二壓電層255形成了具有第一合并壓電活性層厚度 250T't的第一合并壓電活性層(255+2501)，當(dāng)具有第一頻率匕:的第一射頻信號(hào)RF1加到上 電極290時(shí)，以實(shí)現(xiàn)TFBAR(200b)在第一頻率匕:或者其它頻率的諧振。
[0119]施加到上、下電極間的第一直流電壓Vdci成為所述第一合并壓電層(250+255)的偏 壓，并使第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt得到控制，從而控制 了第一合并壓電活性層厚度250T't，因此TFBAR(200b)的諧振頻率也得到了控制，因而能促 使加到上電極290的第一射頻信號(hào)RF1的傳輸或阻斷。
[0120]所述第一壓電層250的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區(qū)厚度250It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。
[0121]第一壓電層厚度250t的選擇范圍為50納米到20微米，這取決于在所述第一壓電層 250中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。第二壓電層厚度255t的選擇范圍為50 納米到20微米，這取決于在所述第二壓電層255中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻 率fca，和其它多個(gè)需要的諧振頻率。對(duì)于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t被選 擇，以致于當(dāng)施加最大的第一直流電壓V DC1時(shí)，能獲得最大的第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It 和最小的第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進(jìn)入第一壓電層中立區(qū)造 成的能量損失最小。
[0122] 第一壓電層250的材料選自以下化合物材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs， AlGaAs，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導(dǎo)體。第二壓電層255的材料選自以下材料組:AIN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs， LiNb03，LiTa03，PZT，BaTi03，Knb0和石英，只要它們是有足夠高的聲-電耦合系數(shù)的壓電材 料，同時(shí)需與第一壓電層250兼容。 因此，根據(jù)本發(fā)明，MDIM的諧振特性是可通過(guò)改變第一直流偏壓VDC1實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝?直流偏壓發(fā)生變化，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt將發(fā) 生變化。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的變化改變了第一合并壓電活性層厚度（255t+ 250It)或250T't，在諧振頻率中產(chǎn)生第一變化分量。另一方面，在第一壓電層中立區(qū)厚度 250Nt的變化改變了負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，并在諧振頻率中產(chǎn)生了第二變化分量。因此，具 有MD頂結(jié)構(gòu)的TFBAR的諧振頻率和性能因第一直流偏壓Vdq的變化而變化。
[0123]第一直流電壓VDC1的電壓值可增加或減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率 能是同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。
[0?24] 因此，很明顯該多個(gè)第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2，---Vdci -N，可被依次分另lj施 加，以產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一個(gè)或者多個(gè)頻帶的發(fā)射頻率或接收 頻率。第一壓電層耗盡區(qū)的形成是由于多數(shù)載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的 從一個(gè)諧振頻率切換到另一個(gè)頻率，僅由TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)所限制。可調(diào)MDIM TFBAR可使 用在微波應(yīng)用中的可調(diào)濾波器和振蕩器。
[0125] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(200b)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第一射頻信號(hào)RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0126] 通過(guò)改變第一直流偏壓使第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和相關(guān)的第一壓電層中立 區(qū)厚度250Nt發(fā)生改變，因此使MD頂結(jié)構(gòu)的TFBAR的諧振頻率得到控制。
[0127] 為了解釋第一直流電壓的影響，圖2C示出了新的偏置直流電壓V'DC1施加在圖2B中 的TFBAR(200b)時(shí)，TFBAR(200b'）示意剖面圖。
[0128] 當(dāng)施加在上電極290和下電極240之間的第一直流電壓V'DC1比圖2B中的第一電壓 值 Vdci具有更多的正值。使第一合并壓電層(255+250)偏置，改變所述第一壓電層耗盡區(qū)厚 度為新的值250I't和第一壓電層中立區(qū)厚度為新的值250N't，兩者邊界由新的第一壓電耗 盡區(qū)邊緣250B'。新的第一壓電層耗盡區(qū)250Γ和第二壓電層255形成一個(gè)新的第一合并壓 電活性層(255+250Γ)，具有第一合并壓電活性層厚度250T''t。第一合并壓電活性層厚度 250T ' ' t的變化導(dǎo)致了TFBAR(200b '）的諧振頻率變化到了第二頻率f。2，以促進(jìn)被施加到上 電極290第二射頻信號(hào)RF2的傳輸或阻斷。
[0129] 因此，根據(jù)本發(fā)明，MD頂結(jié)構(gòu)TFBAR的諧振特性是可通過(guò)改變第一直流偏壓V'DC1實(shí) 現(xiàn)調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝恢绷髌珘喊l(fā)生變化，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度2501't和第一壓電層中立 區(qū)厚度250N' t將發(fā)生變化。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度2501' t的變化改變了第一合并壓電活 性層厚度(255t+250I't)或250T''t，在諧振頻率中產(chǎn)生第一變化分量。另一方面，在第一壓 電層中立區(qū)厚度250N't的變化改變了負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，并在諧振頻率中產(chǎn)生了第二變 化分量。因此，具有MD頂結(jié)構(gòu)的TFBAR的諧振頻率和性能因第一直流偏壓V' DC1的變化而變 化。
[0130] 根據(jù)本發(fā)明，多個(gè)第一直流電壓值:V ' dci-1，V ' dci-2，......V ' dci-N，可被依次施加， 以產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率數(shù)匕2-1，匕2-2,……f〇2-N，用于發(fā)射頻率或接收帶或其他頻段的頻率。 第一壓電層耗盡區(qū)的形成是由于多數(shù)載流子的疏散，快速的從一個(gè)諧振頻率切換到頻率， 僅受TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)的限制。
[0131] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(200b'）連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第二射頻信號(hào)RF2以具 有第二帶寬BW2的第二頻率f〇 2傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于匕2和頻帶BW2以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0132] 圖2D示出了壓電半導(dǎo)體基片的導(dǎo)電率σ與Δν/ν。的變化關(guān)系。在這里，八￥=奴 〇)-VmvO)表示在聲波在導(dǎo)電率為σ的基片中的傳播速度，ν。表示聲波在σ=〇的基片中的傳播速 度。當(dāng)基片具有在低導(dǎo)電率區(qū)域，Av/ Vci= 0,聲波的衰減為最小(如圖2Ε所示）。當(dāng)基片具有 在高導(dǎo)電率區(qū)域，基片表現(xiàn)為金屬，ν(σ)小于v。，即ν(σ)-ν〇〈〇,使得Δ v/v。為負(fù)。圖2D中間是 低導(dǎo)電率區(qū)域和高導(dǎo)電率區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域。聲波速度ν(σ)與導(dǎo)電率σ的變化關(guān)系被用 于在本發(fā)明，通過(guò)施加第一直流電壓部分地控制或調(diào)整TFBARs的中心諧振頻率。
[0133] 圖2E示出了聲波衰減與第一壓電半導(dǎo)體基片的導(dǎo)電率σ的變化關(guān)系。在低導(dǎo)電率 區(qū)域，電荷載流子密度小，聲波的衰減最小。在高導(dǎo)電率區(qū)域，基片表現(xiàn)為金屬，由于大的載 流子密度，聲波的衰減又是最小的。在過(guò)渡區(qū)中，A ν/ν。從0減小到負(fù)值。由于電子的存在和 在過(guò)渡區(qū)中相對(duì)低的導(dǎo)電率，在過(guò)渡區(qū)聲波有能量的損失，所以，相對(duì)于低導(dǎo)電率區(qū)域和高 導(dǎo)電率區(qū)域，過(guò)渡區(qū)的聲波衰減是最大的。聲波能量的最大衰減值出現(xiàn)在Ρ點(diǎn)。
[0134] 當(dāng)多個(gè)TFBAR(圖2Α的200a，圖2Β的200b，圖2C的200b '）被采用而形成一個(gè)可調(diào)的 微波濾波器時(shí)（如圖5C和圖5D)，微波的傳輸特性將由第一中心頻率f。!和第一通帶帶寬BW1 表示，見(jiàn)圖2F的實(shí)線曲線。當(dāng)在上電極290和下電極240施加第一直流偏壓V DC1，如圖2B所示， 第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第一合并壓電活性層厚度(255t+250It)形成。當(dāng)一個(gè)新的 第一直流電壓V' DC1施加時(shí)（參照?qǐng)D20,所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度會(huì)加寬，形成了一個(gè)新 的本征的第一壓電層耗盡區(qū)250Γ，其新的厚度是250I't，該新厚度大于原來(lái)的第一壓電層 耗盡區(qū)厚度250It。因此，第一合并壓電活性層厚度也相應(yīng)增加，引起了微波傳輸?shù)闹行念l 率從fca偏移到f〇 2,如圖由虛線曲線與通帶寬BW2在左側(cè)，形成一個(gè)微波濾波器可調(diào)或可調(diào) 的第一直流偏壓:Vdci，V ' DC1。
[0135] 當(dāng)只考慮第一壓電層耗盡區(qū)厚度（250It或2501't)對(duì)中心諧振頻率f。的影響時(shí)， 由多個(gè)TFBARs形成的可調(diào)微波濾波器的f。的變化與第一直流電壓V DC的關(guān)系見(jiàn)圖3A(曲線 3A)〇
[0136] 當(dāng)沒(méi)有考慮由于第一壓電層中立區(qū)厚度的變化(250Nt或250N't)引起負(fù)載效應(yīng)變 化以及沒(méi)有考慮聲波在所述第一壓電層中立區(qū)和所述第一壓電層耗盡區(qū)的傳播速度差異 時(shí)，當(dāng)大幅度的反向電壓V DC施加時(shí)，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度(250It或250I't)大，中心 頻率f。或諧振頻率是低的。由于在第一合并壓電活性層厚度的減?。?55t+250It或255t+ 2501' t)，中心頻率f。隨著直流電壓VDC的增加而增加。因此，由多個(gè)TFBARs構(gòu)成的微波濾波 器的中心頻率f。得以調(diào)諧。在曲線3A中，f。隨著V DC的增加而增加，同時(shí)，df。(VDC)/dVDC是正 的。
[0137] 當(dāng)只考慮負(fù)載效應(yīng)的結(jié)果時(shí)，由于第一壓電層中立區(qū)厚度的變化，以及與第一壓 電層中立區(qū)厚度變化相關(guān)聯(lián)的聲波速度影響，f。與第一直流電壓V DC的變化關(guān)系由圖3B的曲 線3B-1和曲線3B-2表示。如果忽略由于第一壓電層耗盡區(qū)厚度變化以及第一合并壓電活性 層厚度變化引起諧振頻率變化的第一變化分量，f。隨著Vdc變化的趨勢(shì)與曲線3A(圖3A)是相 反的，并在前面的段落中描述。圖3B中，當(dāng)V DC增加時(shí)，所述第一壓電層中立區(qū)厚度的增加會(huì) 導(dǎo)致與上電極相關(guān)聯(lián)的負(fù)載效應(yīng)的增加和聲波平均速度的下降（參照?qǐng)D2D)。因此，中心頻 率f。會(huì)隨著Vdc增加而減小。中心頻率f。隨著第一直流偏壓VDC的減小速率是由上述效應(yīng)的影 響程度來(lái)確定。當(dāng)某些壓電材料的負(fù)載效應(yīng)不太強(qiáng)和以及聲波速度差不是太大，隨著直流 偏壓Vdc的增大，中心頻率f。的逐漸減小，如曲線3B-1，它示出了隨著Vdc的增大，由于不太強(qiáng) 的負(fù)載效應(yīng)逐漸增加和聲波平均速度逐漸降低，中心頻率f。逐漸減少。曲線3B-2示出了另 一種壓電材料，隨著Vdc的增加，第一壓電層中立區(qū)厚度的增加引起了更快的負(fù)載效應(yīng)以及 聲波平均速度更快的下降，中心頻率f。更快下降。在曲線3B-1和SBjjfcXVDcVdVDc為負(fù)。
[0138] 更接近現(xiàn)實(shí)的是，同時(shí)考慮如在前面段落所述的兩者影響，即a)由VDC引起的第一 壓電層耗盡區(qū)厚度的變化對(duì)中心諧振頻率f。的影響，b)由Vdc引起的第一壓電層中立區(qū)厚度 的變化導(dǎo)致的相關(guān)的負(fù)載效應(yīng)和聲波速度的變化對(duì)中心諧振頻率f。的影響。
[0139] 圖3C和圖3D的曲線3A表示了如前所述的由Vdc引起的第一壓電層耗盡區(qū)厚度的變 化對(duì)中心諧振頻率f。的影響，圖3C的曲線3B-1表示的由V DC引起的第一壓電層中立區(qū)厚度的 變化，導(dǎo)致的相關(guān)聯(lián)的負(fù)載效應(yīng)和聲波速度的變化對(duì)中心諧振頻率f。的影響。那么對(duì)于較 弱的負(fù)載效應(yīng)和中等聲波速度差異的影響時(shí)，中心頻率f。與第一直流電壓Vdc引起的總體 影響關(guān)系見(jiàn)曲線3C。此處中，f Q(VDC)隨著Vdc的增加而增加，和dfc^Vd/dVDc是正的。
[0140] 圖3D的曲線3B-2表示的另一個(gè)由Vdc引起的第一壓電層中立區(qū)厚度的變化，導(dǎo)致的 相關(guān)聯(lián)的負(fù)載效應(yīng)和聲波速度的變化對(duì)中心諧振頻率f。的影響。那么對(duì)于較強(qiáng)的負(fù)載效應(yīng) 和較大聲波速度差異的影響時(shí)，中心頻率f。與第一直流電壓Vdc引起的總體影響關(guān)系見(jiàn)曲線 3D，此處f〇(V Dc)隨著Vdc增加而減少，df^VDcVdVDc是負(fù)的。
[0141] 6.可調(diào)沁1山通2或MIDM諧振器和濾波器： 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)切換圖2B的TFBAR(200b)中第一壓電層250和第二壓 電層255得到TFBAR(400a)，即具有或MIDM結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲波諧振器（TFBAR)， 用于形成用于微波通信的可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。這里，Mi是第一金屬，h是未摻雜的第二壓 電層，DiSp型摻雜或η型摻雜的第一壓電半導(dǎo)體，M 2是第二金屬。除了微波聲學(xué)濾波器，例 如MIDM TFBARs也適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān)等微波器件。
[0142] 圖4A給出了一個(gè)MIDM形式的TFBAR(400a)的示意性橫截面圖。TFBAR(400a)包括具 有基片厚度210t的基片210;具有聲波隔離區(qū)厚度215t的聲波隔離區(qū)215;具有底部支撐膜 厚度230t的底部支撐膜230;具有下電極厚度240t的下電極240(M 2);摻雜和部分導(dǎo)電的具 有第一壓電層厚度250t的第一壓電層(250，Di)，與下電極240接觸；在第一壓電層250之上 的未摻雜的具有第二壓電層厚度255t的第二壓電層(255,1!);具有具有上電極厚度290t的 上電極（290,1^)。第一壓電層250和第二壓電層255合并形成了具有第一合并壓電層厚度 250Tt的第一合并壓電層250T(圖中未示出）。這樣TFBAR(400a)形成了一個(gè)在基片上的 Μ! I山通2或MI DM結(jié)構(gòu)的RF諧振器。
[0143] 其中所述基片210的材料選自以下材料組:Si(硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3(氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。
[0144] 其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射 層堆疊，各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。
[0145] 同時(shí)，聲波隔離區(qū)215也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。
[0146] 聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入基片所產(chǎn)生的能量損失。
[0147]所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜230的 材料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn) 所述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層（未在圖4A中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定 TFBAR的諧振頻率(400a)。
[0148]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極材料和上電極材料選自以下材料組：媽(W)，鉬 (卩0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭打 &)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它們的組 合。
[0149]所述第一壓電層250(00是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo) 體，優(yōu)選為η型半導(dǎo)體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導(dǎo)體，而且是電絕緣的。所述第一 壓電層250包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電層耗盡區(qū)2501和具有第一 壓電中立區(qū)厚度250Nt的第一壓電中立區(qū)250N，這兩個(gè)區(qū)域由第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B分 害J(圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區(qū)2501是本征的和電絕緣的。第一壓電耗盡區(qū)邊緣 250B的位置是由施加到下電極240(通過(guò)下電極接點(diǎn)240C)和上電極290(通過(guò)上電極接點(diǎn) 290C)之間的具有第一電壓值的第一直流電壓Vdci所控制。
[0150]第一壓電層耗盡區(qū)2501和第二壓電層255形成了具有第一合并壓電活性層厚度 250T't的第一合并壓電活性層(255+2501)，當(dāng)具有第一頻率匕:的第一射頻信號(hào)RF1加到上 電極290時(shí)，以實(shí)現(xiàn)TFBAR(400a)在第一頻率匕:或者其它頻率的諧振。
[0151 ]施加到上、下電極間的第一直流電壓Vdci成為所述第一合并壓電層250+255的偏 壓，并使第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt得到控制，從而控制 了第一合并壓電活性層厚度250T't，因此TFBAR(400a)的諧振頻率也得到了控制，因而能促 使加到上電極290的第一射頻信號(hào)RF1的傳輸或阻斷。
[0152]所述第一壓電層250的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區(qū)厚度(250It)的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。
[0153]第一壓電層厚度250t的選擇范圍為50納米到20微米，這取決于在所述第一壓電層 250中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。第二壓電層厚度255t的選擇范圍為50 納米到20微米，這取決于在所述第二壓電層255中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻 率fca，和其它多個(gè)需要的諧振頻率。對(duì)于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t被選 擇，以致于當(dāng)施加最大的第一直流電壓V DC1時(shí)，能獲得最大的第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It 和最小的第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進(jìn)入第一壓電層中立區(qū)造 成的能量損失最小。
[0154] 第一壓電層250的材料選自以下化合物材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs， AlGaAs，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導(dǎo)體。第二壓電層255的材料選自以下材料組:AIN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs， LiNb03，LiTa03，PZT，BaTi03，Knb0和石英，只要它們是有足夠高的聲-電耦合系數(shù)的壓電材 料，同時(shí)需與第一壓電層250兼容。 當(dāng)施加在上下電極的正向第一直流電壓Vdci成為第一合并壓電層250+255的偏壓，第一 壓電耗盡區(qū)厚度250It增加，第一壓電中立區(qū)厚度250Nt減小，這將導(dǎo)致具有第一壓電活性 區(qū)厚度250Tt的第一壓電活性區(qū)（2501+255)的建立，和在中心頻率1!產(chǎn)生諧振。因此，允許 第一RF信號(hào)RF1以具有第一帶寬BW1的第一頻率"傳輸，在頻率高于fca和811以外其它RF 信號(hào)不允許通過(guò)。
[0155] 第一直流電壓VDC1的電壓值可增加或減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率f ' ca，f ' ^可 能是同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。因此，很明顯該 多個(gè)第一直流電壓為:Vdci_1，Vdci_2， Vdq-N，可被依次分別施加，以產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率 f 〇1-1, f 〇1-2,――fca-N用于一個(gè)或者多個(gè)頻帶的發(fā)射頻率或接收頻率。第一壓電層耗盡區(qū) 的形成是由于多數(shù)載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的從一個(gè)諧振頻率切換到另 一個(gè)頻率，僅由TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)所限制?？烧{(diào)MIDM TFBAR可使用在微波應(yīng)用中的可調(diào)濾 波器和振蕩器。
[0156] 因此，根據(jù)本發(fā)明，MIDM結(jié)構(gòu)TFBAR(400a)的諧振特性是可通過(guò)改變第一直流偏壓 Vdci實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝恢绷髌珘喊l(fā)生變化，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第一壓電層 中立區(qū)厚度250Nt將發(fā)生變化。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的變化改變了第一合并壓 電活性層厚度(255t+250I t)或250T ' t，在諧振頻率中產(chǎn)生第一變化分量。另一方面，在第一 壓電層中立區(qū)厚度(250Nt)的變化改變了負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，并在諧振頻率中產(chǎn)生了第 二變化分量。因此，具有MIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR的諧振頻率和性能因第一直流偏壓變化而 變化。
[0157] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(400a)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第二射頻信號(hào)RF2以具 有第二帶寬BW2的第二頻率f〇 2傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于匕2和頻帶BW2以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0158] 可調(diào)或MDIDM諧振器和濾波器： 根據(jù)又一本發(fā)明的實(shí)施方式，可調(diào)薄膜體聲波諧振器具有MiDdiDiifeSMDIDM結(jié)構(gòu)，用 于形成用于微波通信的可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。除了微波聲學(xué)濾波器，例如MDIDM TFBARs也 適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān)等微波器件。
[0159]根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，圖4B示出了一個(gè)MDIDM結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲諧振 TFBAR(400B)的示意剖面圖。所述TFBAR(400B)包括具有基片厚度210t的基片210;具有聲波 隔離區(qū)厚度215t的聲波隔離區(qū)215;具有底部支撐膜厚度230t的底部支撐膜230;具有下電 極厚度240t的下電極240(M 2);具有第一壓電層的厚度250t的第一壓電層250(00;未摻雜的 具有第二壓電層厚度255t的第二壓電層255(h);摻雜的具有第三壓電層的厚度270t的第 三壓電層270(D 2);具有上電極的厚度290t的上電極290(1^)。第一壓電層、第二壓電層和第 三壓電層（250、255、270)形成第一合并壓電層（250+255+270)，具有第一合并壓電層厚度 (250Tt)。所述TFBAR(400b)從而在基片上形成一個(gè)具有或MDIDM結(jié)構(gòu)的RF諧振器。
[0160] 其中所述基片210的材料選自以下材料組:Si(硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。
[0161] 其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射 層堆疊，各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。
[0162] 同時(shí)，聲波隔離區(qū)215也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。
[0163] 聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入基片所產(chǎn)生的能量損失。
[0164] 所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜230的 材料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si 3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn) 所述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層（未在圖4B中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定 TFBAR的諧振頻率(400b )。
[0165]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極240材料和上電極290材料選自以下材料組：鎢 (￥)，鉑(？0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭(了 &)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它 們的組合。
[0166] 所述第一壓電層250是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo)體，優(yōu) 選為η型半導(dǎo)體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導(dǎo)體，而且是電絕緣的。所述第三壓電層 270是摻雜的半導(dǎo)體，并且部分地導(dǎo)電的，第三壓電層的導(dǎo)電類型與第一壓電層導(dǎo)電類型是 相反的。所述第一壓電層250包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電層耗盡區(qū) 2501和具有第一壓電中立區(qū)厚度250Nt的第一壓電中立區(qū)250N，這兩個(gè)區(qū)域由第一壓電耗 盡區(qū)邊緣250B分割（圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區(qū)2501是本征的和電絕緣的。第一 壓電耗盡區(qū)邊緣250B的位置是由施加到下電極240(通過(guò)下電極接點(diǎn)240C)和上電極290(通 過(guò)上電極接點(diǎn)290C)之間的具有第一電壓值的第一直流電壓V DC1所控制。
[0167] 所述第三壓電層270包含了具有第三壓電層耗盡區(qū)厚度270IT的第三壓電層耗盡 區(qū)2701和具有第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt的第三壓電層中立區(qū)270N，這兩個(gè)區(qū)域又第三 壓電耗盡區(qū)邊緣270B分割（圖中虛線示出）。第一壓電層耗盡區(qū)2501和第三壓電層耗盡區(qū) 2701是本征的和電絕緣的。所述第三壓電耗盡區(qū)邊緣270B的位置由施加的下電極240(通過(guò) 下電極接點(diǎn)240C)和上電極290(通過(guò)上電極接點(diǎn)290C)之間的具有第一電壓值的第一直流 電壓Vdci控制。
[0168] 當(dāng)具有第一直流電壓值Vdq第一直流電壓施加在上電極接點(diǎn)290C的上電極290和 下電極接點(diǎn)240C的下電極240之間，第一直流電壓成為具有第一合并壓電層厚度250Tt的第 一合并壓電層(250+255+270 )的偏壓，形成了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度25011的第一壓電 層耗盡區(qū)2501，具有第一壓電中立區(qū)厚度250Nt的第一壓電層中立區(qū)250N，具有第三壓電層 耗盡區(qū)厚度270It的第三壓電層耗盡區(qū)2701，具有第三壓電中立區(qū)厚度270Nt的第三壓電層 的中立區(qū)270N。這將產(chǎn)生具有第一合并壓電活性層厚度250T't的第一合并壓電活性層 (2501+255+2701)，以實(shí)現(xiàn)在第一頻率f 〇1的諧振，以使施加到上電極290的第一RF信號(hào)RF1 的傳輸或阻擋。
[0169] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 10 22cm_3,更優(yōu)選范圍在1013cm_3至10 2<3cnf3，以增強(qiáng)由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗 盡區(qū)厚度250It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。
[0170]所述第三壓電層270的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗盡 區(qū)厚度270It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度，形成具有第一合并壓電層厚度 250Tt的第一合并壓電層（250+255+270)。
[0171] 第一壓電層厚度250t和第三壓電層厚度270t的選擇范圍為50納米到20微米，這取 決于在所述第一壓電層250中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。對(duì)于給定的工 作頻率，所述第一壓電層厚度250t和第三壓電層厚度270t被選擇，以致于當(dāng)施加最大的第 一直流電壓，能獲得最大的第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第三壓電層耗盡區(qū)厚度 270It，以及最小的第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt和第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt，最好接近 為零，使得聲波進(jìn)入第一壓電層中立區(qū)造成的能量損失最小。
[0172] 第一壓電層和第三壓電層的材料選自以下化合物材料組:AlN，GaN，AlGaN，ZnO， GaAs，AlAs，AlGaAs，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且可以被摻雜為p型 和/或η型半導(dǎo)體。 第二壓電層厚度255t選擇范圍為50納米到20微米，這取決于在所述第二壓電層255中 聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。第二壓電層255的材料選自以下材料組:A1N， GaN，AlGaN，Zn0，GaAs，AlAs，AlGaAs，LiNb03，LiTa03，PZT，BaTi03，Knb0 和石英，只要它們是 有足夠高的聲-電耦合系數(shù)的壓電材料，同時(shí)需與第一壓電層250和第三壓電層270兼容。 第一直流電壓電壓值可增加或減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率f'c^f'ca可能是 同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。因此，根據(jù)本發(fā)明， MDIDM的諧振特性可通過(guò)改變直流偏壓而被調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷鹤兓瘯r(shí)，所述第一壓電層 耗盡區(qū)厚度250It，所述第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It，第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt和第三 壓電層中立區(qū)厚度270Nt將全部改變。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第三壓電層耗盡區(qū) 厚度270It的變化將改變的第一合并壓電活性層厚度(270It+255t+250It)或（250T't)，這 在MDIDM TFBAR(400b)是在諧振頻率產(chǎn)生第一變化分量。同時(shí)，在第一壓電層中立區(qū)厚度 250Nt和第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt的變化將改變負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)。因此，MDIDM TFBAR(400b)的諧振頻率和性能可通過(guò)直流偏壓的變化而被調(diào)諧。
[0173] 因此，很明顯該多個(gè)第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2， Vdci-N，可被依次分另lj施 加，以產(chǎn)生多個(gè)諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一個(gè)或者多個(gè)頻帶的發(fā)射頻率或接收 頻率。第一壓電層耗盡區(qū)和第三壓電層耗盡區(qū)的形成是由于多數(shù)載流子的疏散 (evacuation)，因此可以快速的從一個(gè)諧振頻率切換到另一個(gè)頻率，僅由TFBAR的RC時(shí)間常 數(shù)所限制?？烧{(diào)MDIDM TFBAR可使用在微波應(yīng)用中的可調(diào)濾波器和振蕩器。
[0174] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(400b)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第一射頻信號(hào)RF1以具 有第一帶寬BW1的第二頻率fca傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0175] 可調(diào)關(guān)山通2或MDDM諧振器和微波濾波器： 根據(jù)又一本發(fā)明的實(shí)施方式，具有MDDM結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲波諧振器，用于微波通信 的可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。除了微波聲學(xué)濾波器，MDDM TFBARs也適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān)等微 波器件。
[0176] 圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明在一個(gè)MDDM形式的可調(diào)薄膜體聲諧振TFBAR(400c)的示意 性剖面圖。TFBAR(400c中）包括具有基片厚度210t的基片210;具有聲波隔離區(qū)厚度215t的 聲波隔離區(qū)215;具有底部支撐膜厚度230t的底部支撐膜230;具有下電極厚度240t的下電 極(240，M 2);摻雜的具有第一壓電層的厚度的第一壓電層(250 AD;摻雜的具有第三壓電層 厚度270t的第三壓電層(270，D2);具有上電極厚度290t的上電極290。在第一壓電層和第三 壓電層（250，270)形成了第一合并壓電層（250+270)，其具有第一合并壓電層厚度250Tt。 TFBAR(400c)在基片上形成MhD2M2或MDDM結(jié)構(gòu)的RF諧振器。
[0177] 其中所述基片210的材料選自以下材料組:Si(硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3(氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。 其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射層堆疊， 各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。同時(shí)，聲波隔離區(qū) 215也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入 基片所產(chǎn)生的能量損失。
[0178]所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜的材 料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn)所 述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率f Ql的不必要的 偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層(未在圖4c中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定TFBAR 的諧振頻率(400c)。
[0179]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極240材料和上電極290材料選自以下材料組：鎢 (￥)，鉑(？0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭(了 &)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它 們的組合。 所述第一壓電層250是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo)體，優(yōu)選為 η型半導(dǎo)體。所述第三壓電層270是摻雜的半導(dǎo)體，并且部分地導(dǎo)電的，可以是ρ型或η型，第 三壓電層的導(dǎo)電類型與第一壓電層導(dǎo)電類型是相反的。
[0180] 當(dāng)具有第一直流電壓值Vdq第一直流電壓施加在上電極接點(diǎn)290C的上電極290和 下電極接點(diǎn)240C的下電極240之間，第一直流電壓成為具有第一合并壓電層厚度250Tt的第 一合并壓電層(250+270)的偏壓，形成了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電層耗 盡區(qū)2501，具有第一壓電中立區(qū)厚度250Nt的第一壓電層中立區(qū)250N，具有第三壓電層耗盡 區(qū)厚度270It的第三壓電層耗盡區(qū)2701，具有第三壓電中立區(qū)厚度270Nt的第三壓電層的中 立區(qū)270N。這將產(chǎn)生具有第一合并壓電活性層厚度250T't的第一合并壓電活性層（2501 + 2701)，以實(shí)現(xiàn)在第一頻率f〇1的諧振，以利于使施加到上電極290的第一RF信號(hào)RF1的傳輸 或阻擋。
[0181] 根據(jù)本發(fā)明，MDDM TFBAR的諧振特性可通過(guò)改變第一直流偏壓￥^進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)直 流偏壓是變化，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It，所述第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It，第一 壓電層中立區(qū)厚度250Nt和第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt會(huì)改變。第一壓電層耗盡區(qū)厚度 250It和第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It的變化將改變MDDM TFBAR第一合并壓電活性層厚度 250T ' t，成為影響諧振頻率的第一變化分量。在第一壓電層的中立區(qū)厚度250Nt和第三壓電 層中立區(qū)厚度270Nt的變化將改變負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，成為影響諧振頻率變化的第二變 化分量。因此，具有MDDM結(jié)構(gòu)的TFBAR( 400c )的諧振頻率和性能因第一直流偏壓VDC1的變化 而變化。
[0182] 當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(400c)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第一射頻信號(hào)RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0183] 所述第一壓電層250和第三壓電層270的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范 圍為1014cm_ 3到1022cm_3,更優(yōu)選范圍在1013cm_ 3至102Qcm_3,以增強(qiáng)由第一直流電壓VDC1控制 第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It的靈敏度，因此控制了諧振頻 率的靈敏度。
[0184] 在第一壓電層厚度250t和第三壓電層厚度270t的選擇范圍為50納米到10微米，這 取決于在所述第一壓電層250和第三壓電層270中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻 率fca。對(duì)于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t和第三壓電層厚度270t被選擇，以致 于當(dāng)施加最大的第一直流電壓V DC1時(shí)，能獲得最大的第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和最大 的第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It，以及最小的第一壓電層中立區(qū)厚度250Nt和最小的第三壓 電層中立區(qū)厚度270Nt，最好接近為零，使得聲波進(jìn)入第一壓電層中立區(qū)造成的能量損失最 小。
[0185] 第一壓電層250和第三壓電層270的材料選自以下化合物材料組:AlN，GaN，AlGaN， ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且可以被摻雜 為p型和/或η型半導(dǎo)體。
[0186]第一直流電壓Vdq的電壓值可增加或減少，引起了第一合并壓電活性層厚度250Τ' t增加或者減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率f'ca，f'。:可能是同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻 率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。
[0187] 因此多個(gè)第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2，---Vdci-N，可被依次分另lj施加，以產(chǎn)生多 個(gè)諧振頻率fca-Ufca-2,--fca-N用于一個(gè)或者多個(gè)頻帶的發(fā)射頻率或接收頻率。第一壓 電層耗盡區(qū)的形成是由于多數(shù)載流子的疏散，快速的從一個(gè)諧振頻率切換到頻率，僅由 TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)所限制。可調(diào)MDDM TFBAR可使用在微波應(yīng)用中的可調(diào)濾波器和振蕩器。
[0188] 可調(diào)MDIDIDM諧振器和微波濾波器： 根據(jù)又一本發(fā)明實(shí)施例，具有MDIDIDM結(jié)構(gòu)的可調(diào)薄膜體聲波諧振器，用于微波通信的 可調(diào)微波聲學(xué)濾波器。除了微波聲學(xué)濾波器，例如MDIDIDM TFBARs也適合于微波聲學(xué)開(kāi)關(guān) 等微波器件。
[0189] 圖4D示出了根據(jù)又一本發(fā)明實(shí)施方式的可調(diào)薄膜體聲諧振TFBAR(400D)的示意剖 面圖。所述TFBAR(400c)包括具有基片厚度210t的基片210;具有聲波隔離區(qū)厚度215t的聲 波隔離區(qū)215;具有底部支撐膜厚度230t的底部支撐膜230;具有下電極厚度240t的下電極 (240，M 2);摻雜的具有第一壓電層的厚度的第一壓電層(250 AD;未摻雜的具有第二壓電層 厚度255t的第二壓電層(255JD;摻雜的具有第四壓電層厚度260t的第四壓電層(260，D 2)， 與第四壓電層接點(diǎn)260C相連;未摻雜的具有第五壓電層厚度275t的第五壓電層(275,1 2); 摻雜的具有第三壓電層厚度270t的第三壓電層（270，D3);具有上電極厚度290t的上電極 (290，1 1)。第一，第二，第三，第四和第五壓電層（250,255,270,260,275)形成第一合并壓電 層（250+255+270+260+275)，其具有第一合并壓電層厚度（250t+255t+260t+270t+275t)。所 述TFBAR( 400d)形成了 MDIDIDM結(jié)構(gòu)的RF諧振器。
[0190] 其中所述基片210的材料選自以下材料組:Si(硅），GaAs(砷化鎵），玻璃，藍(lán)寶石， A1N(氮化鋁），Al2〇3(氧化鋁），只要它們具有足夠高的電阻率，足夠的熱導(dǎo)率和平坦的表面。 其中所述聲波隔離區(qū)215是具有多個(gè)交替的高阻抗層和低阻抗層組成的薄膜反射層堆疊， 各反射層厚度為波長(zhǎng)的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長(zhǎng)。同時(shí)，聲波隔離區(qū) 也可以是具有聲波隔離區(qū)厚度215t的空氣隙。聲波隔離區(qū)的作用是盡量減少聲波進(jìn)入基片 所產(chǎn)生的能量損失。
[0191]所述底部支撐膜厚度230t的值優(yōu)選的范圍為50納米至500納米，底部支撐膜的材 料選擇自以下材料組:氧化硅(Si〇2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅、以及它們的組合，以實(shí)現(xiàn)所 述第一壓電層250的溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)由于溫度變化引起諧振頻率f Ql的不必要的 偏移。根據(jù)另一本發(fā)明實(shí)施例，保護(hù)層(未在圖4C中示出）可以被采用，以進(jìn)一步穩(wěn)定TFBAR 的諧振頻率(400c)。
[0192]上電極厚度290t和下電極厚度240t的值優(yōu)選范圍為50納米至2微米，取決于諧振 所需的頻率和可接受的負(fù)載效應(yīng)。下電極材料和上電極材料選自以下材料組：媽(W)，鉬 (卩0，鉬(1〇)，鋁(41)，鉭打&)，鈦(11)，銅((：11)，鉻(0)，金(411)，釕(1?11)，銥（1〇和它們的組 合。 所述第一壓電層250是摻雜的和部分導(dǎo)電的半導(dǎo)體，其可以是η型或p型半導(dǎo)體，優(yōu)選為 η型半導(dǎo)體。第二壓電層255是未摻雜的，不導(dǎo)電的；所述第一壓電層250和所述第二壓電層 255形成具有第一合并壓電層厚度250Tt的第一合并壓電層(250+255);所述第三壓電層270 是摻雜的半導(dǎo)體，并且部分地導(dǎo)電的，可以是P型或η型，第三壓電層的導(dǎo)電類型與第一壓電 層導(dǎo)電類型是相反的。第四壓電層260是一個(gè)重?fù)诫s的、導(dǎo)電的半導(dǎo)體，與第四壓電層接點(diǎn) 260C連接。第五壓電層275和第三壓電層270形成具有第二合并壓電層厚度270Tt的第二合 并壓電層（275+270)。
[0193] 當(dāng)具有第一電壓值Vdq的第一直流電壓施加經(jīng)過(guò)下電極接點(diǎn)240C的下電極240和， 經(jīng)過(guò)第四壓電層接點(diǎn)260C的第四壓電層260之間，成為第一合并壓電層(250+255)的偏壓， 以產(chǎn)生具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It的第一壓電層耗盡區(qū)2501和第一壓電層中立區(qū)厚 度250Nt的第一壓電層中立區(qū)250N，兩者由第一壓電耗盡區(qū)邊緣250B分割，并形成具有第一 合并壓電活性層厚度(250It+255t)或250TTt的第一合并壓電活性層(2501+255)。
[0194] 當(dāng)具有第二電壓值VDC2的第二直流電壓施加在經(jīng)過(guò)上電極接點(diǎn)290C的上電極290 和經(jīng)過(guò)第四壓電層接點(diǎn)260C的第四壓電層260的之間，成為第二合并壓電層(275+270)的偏 壓，以產(chǎn)生具有第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It的第三壓電層耗盡區(qū)2701，具有第三壓電層中 立區(qū)厚度270Nt的第三壓電層中立區(qū)270N，兩者由第三壓電耗盡區(qū)邊緣270B分割，并形成具 有第二合并壓電活性層厚度(275+270It)或270TTt的第二合并壓電活性層(275+2701)。
[0195] 第一合并壓電活性層(2501+255)，第二合并壓電活性層(2701+275)和第四壓電層 260,形成一個(gè)整體的合并壓電活性層（2501+255+260+275+2701)，以在第一中心頻率匕!實(shí) 現(xiàn)諧振。第一直流電壓值Vdq的變化和第二直流電壓值V DC2的變化會(huì)引起在整個(gè)合并壓電活 性層厚度（250It+255t+260t+275t+270It)或（250TTt+260t+270TTt)或 250T't 的增加或減 少，因此TFBAR(400d)的諧振頻率也得到了控制，因而能促使加到上電極290的第一射頻信 號(hào)RF1的傳輸或阻斷。
[0196] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗盡 區(qū)厚度250It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。
[0197] 所述第三壓電層270的摻雜水平被優(yōu)選控制為具有雜質(zhì)濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優(yōu)選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強(qiáng)由第一直流電壓VDC1控制三壓電層耗盡區(qū) 厚度270It的靈敏度，因此控制了諧振頻率的靈敏度。
[0198] 所述第一壓電層，第三壓電層和第四壓電層的材料選自以下化合物材料組:A1N， 6&1^16 &\211〇,6&48,4148,416&48，只要它們是具有足夠的聲耦合系數(shù)的壓電材料，而且 可以被摻雜為P型和/或η型半導(dǎo)體。第二壓電層和第五壓電層的材料選自以下材料組:A1N， GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs，LiNb03，LiTa03，ΡΖΤ，BaTi03，KnbO和石英，只要它們 是有足夠高的聲-電耦合系數(shù)的壓電材料。
[0199] 在第一和第三壓電層的厚度（250t，270t)的選擇范圍為50納米到10微米，這取決 于在所述第一壓電層250和第三壓電層270中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。 第二和第五壓電層厚度(255t，275t)的選擇范圍為50納米到10微米，這取決于在所述第二 壓電層255和第五壓電層275中聲波速度和應(yīng)用中所需的諧振的第一頻率fca。第四壓電層厚 度260t選擇范圍為50納米到1微米。
[0200] 對(duì)于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t被選擇，以致于當(dāng)施加最大的第 一直流電壓Vdq時(shí)，能獲得最大的第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It和最小的第一壓電層中立區(qū) 厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進(jìn)入第一壓電層中立區(qū)造成的能量損失最小。
[0201] 類似地，所述第三壓電層厚度270t被選擇，以致于當(dāng)施加最大的第二直流電壓VDC2 時(shí)，能獲得最大的第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It和最小的第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt，最 好接近為零，使得聲波進(jìn)入第三壓電層中立區(qū)造成的能量損失最小。
[0202] 第一直流電壓VDC1的電壓值可增加或減少，以產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率 能是同一頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發(fā)送頻率或接收頻率。因此，根據(jù)本發(fā) 明，MDIDIDM TFBAR的諧振特性是可通過(guò)改變第一直流偏壓VDC1實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。當(dāng)?shù)谝恢绷髌珘?發(fā)生變化，所述第一壓電層耗盡區(qū)厚度250It、第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It和第一壓電層 中立區(qū)厚度250Nt、第三壓電層中立區(qū)厚度270Nt將發(fā)生變化。在第一壓電層耗盡區(qū)厚度 250It第三壓電層耗盡區(qū)厚度270It的變化改變了整體合并壓電活性層厚度(270It+255t+ 260t+275t+250It)或250T't，在諧振頻率中產(chǎn)生第一變化分量。另一方面，在第一壓電層中 立區(qū)厚度250Nt和第三壓電層的中立區(qū)厚度270Nt的變化改變了負(fù)載效應(yīng)和速度效應(yīng)，并在 諧振頻率中產(chǎn)生了第二變化分量。因此，具有MDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR的諧振頻率和性能因第一 直流偏壓Vdq和第二直流偏壓V De2的變化而變化。
[0203] 因此，多個(gè)第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2,---Vdci-N，可被依次分別施加，以產(chǎn)生 多個(gè)諧振頻率?·〇ι-1，?·〇ι_2,--fca-N用于一個(gè)或者多個(gè)頻帶的發(fā)射頻率或接收頻率。第一 壓電層耗盡區(qū)的形成是由于多數(shù)載流子的疏散，快速的從一個(gè)諧振頻率切換到頻率，僅由 TFBAR的RC時(shí)間常數(shù)所限制?？烧{(diào)MDIDIDM TFBAR可使用在微波應(yīng)用中的可調(diào)濾波器和振蕩 器。
[0204]當(dāng)多個(gè)薄膜體聲波諧振器TFBAR(400d)連接成梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器，以及與 其它無(wú)源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實(shí)現(xiàn)，以允許第一射頻信號(hào)RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個(gè)給定的通信頻帶的接收頻率或發(fā)射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號(hào)不允許通過(guò)。
[0205] 圖4E示出了在具有的結(jié)構(gòu)(400b，圖4B)的TFBAR整個(gè)按距離X變化的電場(chǎng) ξ(χ)的示意圖。施021山道2結(jié)構(gòu)具有第一合并壓電層(D2+Ii+ Di):高摻雜濃度的第一壓電層 (D D、第三壓電層(D2)和無(wú)摻雜第二本征壓電層（ID。當(dāng)具有第一偏壓值的第一直流電壓 VDCla被施加，電場(chǎng)分布由實(shí)曲線給出。當(dāng)具有第二偏壓值的第二直流電壓VDClb被施加，電場(chǎng) 分布由虛線給出。在這里，| VDClb | > | VDCla |，Δ VDC1= | VDClb M VDCla |。值得注意的是，在第一壓電 層(DD耗盡區(qū)厚度增加了 AWl和第三壓電層(D2)耗盡區(qū)厚度增加了 AW'r，以使第一合并壓 電活性層厚度增加了W2-WF △ WL+ △ WR= △ W。耗盡區(qū)厚度的變化△ W是由于在第一直流電壓 的變化Δ Vdq和調(diào)諧靈敏度的變化可以通過(guò)Δ W/ Δ Vdq來(lái)表示。
[0206]應(yīng)當(dāng)指出的是，調(diào)諧靈敏度△ W/ △ VDC1可受摻雜的第一壓電層和第三壓電層的摻 雜濃度的影響。圖4F示出了具有MDIDM結(jié)構(gòu)的TFBAR整個(gè)電場(chǎng)ξ(χ)隨距離X的變化而變化的 示意圖。MDIDM結(jié)構(gòu)具有第一合并壓電層(Di+Id D2):低摻雜濃度的第一壓電層(D D、第三 壓電層(D2)和無(wú)摻雜第二壓電層（ID。當(dāng)具有第一偏壓值的第一直流電壓V'DCla被施加，電 場(chǎng)分布由實(shí)曲線給出。當(dāng)具有第二偏壓值的第二直流電壓V' DClb被施加，電場(chǎng)分布由虛線給 出。在這里，| V'DClb I > I V'DCla I，Δ VDQ= | VDQb I - I VDCla I。值得注意的是，在第一壓電層(Dl)耗盡 區(qū)厚度增加了 A W'L和第三壓電層(D2)耗盡區(qū)厚度增加了 AW'r，以使第一合并壓電活性層 厚度增加了1'2-1'1=八1\+八1' [?=八1'。耗盡區(qū)厚度的變化八1'是由于第一直流電壓的變 化Δ V ' dci和調(diào)諧靈敏度的變化可以通過(guò)Δ W7 Δ V ' dci來(lái)表示。Δ W 7 Δ V ' dci明顯比圖4E的Δ W/AVDC1大，其中的第一半導(dǎo)體壓電層與所述第三半導(dǎo)體壓電層的摻雜濃度都很高。因此， 很顯然的是，調(diào)諧靈敏度與在摻雜壓電層的摻雜濃度有關(guān)。
[0207] 圖4G是理想的FBAR的等效電路，出自J.Larson等人論文"Modified Butterworth-Van Dyke Circuit for FBAR Resonators and Automated Measurement System"（2000 IEEE Ultrasonic Symposium pp.863-868)</'FBAR諧振器和自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 的被修改的巴特沃思-范戴克電路"（2000年的IEEE超聲波研討會(huì)第863-868頁(yè)）。其中，Co是 通過(guò)壓電層厚度定義的靜態(tài)板電容器，L m，Cm，Rm，分別是動(dòng)態(tài)電感，電容和電阻，2^是輸入阻 抗。串聯(lián)諧振頻率為fWi/^Ki/uCm] 1/2和并聯(lián)諧振頻率fWi/^Hi/amCda+cVc。)]1/2 (k2eff ) = (V2)2[(fP-fs)/fP]。當(dāng)幾個(gè)諧振器連接成梯形濾波器，發(fā)射頻率的頻帶和帶寬是 由并聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率fsjP串聯(lián)諧振器的并聯(lián)諧振頻率f PS確定。根據(jù)本發(fā)明一個(gè) 可調(diào)FBAR或TFBAR，靜態(tài)電容0)，動(dòng)態(tài)元件1^，(^和心可由第一直流偏壓來(lái)調(diào)諧和調(diào)節(jié)。在階 梯或網(wǎng)格濾波器的設(shè)計(jì)中，對(duì)于調(diào)整帶寬的給定的第一直流偏壓值，并聯(lián)諧振器的尺寸選 擇與串聯(lián)諧振器的稍有不同。當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷鹤兓?，第一合并壓電活性層厚?Wl，W2(圖4E)， 或250IT(圖2A)或250T't(圖2B)或250T' 't(圖2C)會(huì)增加或減少，導(dǎo)致靜態(tài)電容C〇,動(dòng)態(tài)元 件Lm，C4PRm的值的變化。因此，并聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率f sp和串聯(lián)諧振器的并聯(lián)諧振頻 率fPS被調(diào)整為新的值。這導(dǎo)致使用TFBAR構(gòu)造的濾波器的傳輸頻率被調(diào)諧和調(diào)整。此外，當(dāng) 第一直流電壓施加時(shí)，第一壓電層中立區(qū)的形成導(dǎo)致了上電極負(fù)載效應(yīng)，這是諧振頻率變 化的第二分量。
[0208]圖4H是根據(jù)本發(fā)明含有摻雜壓電半導(dǎo)體層的TFBAR的等效電路，其中的靜態(tài)電容 靜態(tài)電容G)，動(dòng)態(tài)元件Lm，Cm和Rm的值由第一直流偏壓VDC調(diào)諧和調(diào)整。當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷鹤兓?壓電層耗盡區(qū)厚度變化。這導(dǎo)致第一合并壓電活性層厚度WhWA圖4E)，或250IT(圖2A)或 250T ' t(圖2B)或250T ' ' t(圖2C)會(huì)增加或減少，導(dǎo)致靜態(tài)電容C〇,動(dòng)態(tài)元件Lm，Cm和1的值 的變化。因?yàn)楹喜⒌牡谝粔弘娀钚詫迂?fù)責(zé)的電能和機(jī)械能或聲波之間的相互作用，在靜態(tài) 電容Co，動(dòng)態(tài)元件Lm，Cm和Rm值會(huì)相應(yīng)的變化。因此，并聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率fsp和串聯(lián) 諧振器的并聯(lián)諧振頻率fPS被調(diào)整為新的值。這導(dǎo)致使用TFBAR構(gòu)造的濾波器的傳輸頻率被 調(diào)諧和調(diào)整。此外，當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷菏┘訒r(shí)，第一壓電層中立區(qū)的形成導(dǎo)致了上電極負(fù)載效 應(yīng)，這是諧振頻率變化的第二分量。
[0209]可調(diào)TFBAR微波濾波器電路： 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，多個(gè)可調(diào)的諧振器TFBARs連接，并通過(guò)可調(diào)直流偏壓來(lái)實(shí)現(xiàn) 調(diào)諧或調(diào)節(jié)諧振頻率，用于形成微波通信應(yīng)用的薄膜體聲波諧振濾波器TFBAR。
[0210]圖5A是含有兩個(gè)可調(diào)TFBAR諧振器(340,350)的微波濾波器電路(500a)的示意圖。 微波濾波器電路(500a)包括在第一接點(diǎn)350T連接的第一串聯(lián)諧振器340和第二并聯(lián)諧振器 350;用于阻斷直流電壓的第一耦合電容器340C和第二耦合電容器350C;用于阻斷RF信號(hào)的 第一隔離電感器340L和第一直流電壓源V DC1在第一電源點(diǎn)340 ST連接。當(dāng)具有電壓值V1S的第 一直流電壓源VDC1在第一電源點(diǎn)340ST和公共點(diǎn)330之間施加，第一直流電壓V 1S通過(guò)第一隔 離電感器340L施加到第一串聯(lián)諧振器340和第二并聯(lián)諧振器350,以建立所述第一串聯(lián)諧振 器340和第二并聯(lián)諧振器350的偏壓。
[0211] 第二諧振器350的偏壓記為Vis'，第一諧振器340的偏壓記為Vis-Vis'。偏壓控制諧 振的中心頻率fca并影響施加到第一RF輸入接點(diǎn)310的RF信號(hào)360的傳輸，使在中心頻率fol 及附近的微波信號(hào)以及帶寬BW1內(nèi)微波信號(hào)被允許通過(guò)第一諧振器340,并傳播到達(dá)到RF輸 出接點(diǎn)3 20。根據(jù)本發(fā)明，微波傳輸?shù)闹行念l率fed由所述第一直流電壓VDC1的值選擇或控 制。微波濾波器電路(500a)采用了單個(gè)第一直流電壓源V DC1，以維持第一諧振器340和第二 諧振器350的偏壓。
[0212]圖5B是顯示了兩個(gè)連接的可調(diào)TFBAR諧振器(340,350)，以形成根據(jù)本發(fā)明的微波 濾波器電路(500b)的示意圖。微波濾波器電路(500b)包括在第一接點(diǎn)350T連接的第一串聯(lián) 諧振器340和第二并聯(lián)諧振器350;用于阻斷直流電壓的第一耦合電容器340C和第二耦合電 容器350C;用于RF信號(hào)的隔離的第一隔離電感器340L和第二隔離電感器350L;在第一電源 點(diǎn)340ST連接的第一直流電壓源V DC1和在第二源點(diǎn)350ST連接的第二直流電壓源VDC2。根據(jù)本 發(fā)明，微波濾波器電路(500b)采用該兩個(gè)電壓源以維持第一串聯(lián)諧振器和第二并聯(lián)諧振器 的偏壓。
[0213]當(dāng)具有第一電壓值V1S的第一直流電壓VDC1施加在第一電源點(diǎn)340ST和公共接地點(diǎn) 330之間，所述第一直流電壓V1S通過(guò)第一隔離電感器340L施加在第一串聯(lián)諧振器340和第二 并聯(lián)諧振器350,來(lái)建立所述第一串聯(lián)諧振器340和第二并聯(lián)諧振器350的偏壓。當(dāng)具有第二 電壓值V 1P的第二直流電壓源VDC2施加在第二電源點(diǎn)350ST和公共接地點(diǎn)330之間，所述第二 直流電壓V 2S通過(guò)第二隔離電感器350L施加在第二并聯(lián)諧振器350，以建立所述第二并聯(lián)諧 振器350的偏壓。
[0214] 第二諧振器350的偏壓記為V1P，第一諧振器340的偏壓記為Vls_Vlp。偏壓控制諧振 的中心頻率fed并影響施加到第一RF輸入接點(diǎn)310的RF信號(hào)360的傳輸，使在中心頻率匕丄及 附近的微波信號(hào)以及帶寬BW1內(nèi)微波信號(hào)被允許通過(guò)第一諧振器340,并傳播到達(dá)到RF輸出 接點(diǎn)320。根據(jù)本發(fā)明，微波傳輸?shù)闹行念l率fed由所述第一直流電壓V DC1和第二直流電壓VDC2 的值選擇或控制。通過(guò)改變第一直流電壓值V1S和所述第二直流電壓值￥^，第一串聯(lián)諧振 器340和第二并聯(lián)諧振器350上的偏壓可被控制為不同的值。
[0215] 圖5C示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)3?級(jí)梯形濾波器(500c)示意圖。這個(gè)3?級(jí)梯形濾波器 (500c)包括第一串聯(lián)諧振器(340-1，340-2，340-3);第二并聯(lián)諧振器(350-1，350-2，350-3， 350-4)，用于阻斷直流電壓的第一耦合電容（340-0(：，340-1(：，340-2(：，340-3〇和第二耦合 電容器(350-4C );用于RF信號(hào)的隔離的第一隔離電感器(340-lL，340-2L，340-3L)和第二 隔離電感器(350-1L);具有第一電壓值￥ 15，￥25，￥35的第一直流電壓￥此1與第一電源點(diǎn)34(^ 連接，具有第二電壓值乂如的第二直流電壓V DC2與第二電源點(diǎn)350ST連接。所述第一直流電壓 Vdq可以為三個(gè)分離的電壓源提供不同的電壓值％5，V2S，V3S或具有相同的電壓值。所述第 一直流電壓源V DC1也可以是單個(gè)直流電壓源VDC1具有V1S或V2S或V 3S的某個(gè)電壓值。在3V2級(jí) 梯形濾波器(500c)中，每對(duì)串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器在第一接點(diǎn)（340-1Τ，340-2Τ，340-3Τ) 連接，第二并聯(lián)諧振器(350-1)在第二接點(diǎn)（350-1Τ)被連接到第一耦合電容（340-0C)和第 二隔離電感器(350-1L)。具有第一電壓值￥ 15，V2S，V3S的第一直流電壓￥^通過(guò)第一隔離電 感器（340-1L，340-2L，340-3L)，施加到第一串聯(lián)諧振器（340-1，340-2，340-3)和第二并聯(lián) 諧振器(350-2，350-3，350-4)，以建立第一串聯(lián)諧振器(340-1，340-2，340-3)和第二偏置并 聯(lián)諧振器(350-2,350-3,350-4)的偏壓。所述具有第二電壓值V QP的第二直流電壓VDC2通過(guò)第 二隔離電感器（350-1L)施加到第二并聯(lián)諧振器（350-1)，以建立偏壓至第二并聯(lián)諧振器 (350-1)的偏壓。
[0216] 偏壓控制諧振的中心頻率fQl并影響施加到第一RF輸入接點(diǎn)310的RF信號(hào)360的傳 輸，使在中心頻率fca及附近的微波信號(hào)以及帶寬BW1內(nèi)微波信號(hào)被允許通過(guò)第一諧振器 (340-1，340-2，340-3)，并傳播到達(dá)到RF輸出接點(diǎn)320。根據(jù)本發(fā)明，微波傳輸?shù)闹行念l率f ol 由所述第一直流電壓Vdq和第二直流電壓VDC2的值選擇或控制。每個(gè)第二并聯(lián)諧振器和接地 (公用）之間可加入附加的電感器。
[0217] 圖f5D是級(jí)階梯濾波器的示意圖。該分級(jí)階梯濾波器(500d)包括： 第一串聯(lián)諧振器（340-1，340-2，340-3);第二并聯(lián)諧振器（350-1，350-2，350-3，350-4);用于阻斷直流電壓的第一耦合電容(340-0(：，340-1(：，340-2(：，340-3〇和第二耦合電容 器（350-4C);用于RF信號(hào)隔離的第一隔離電感（340-lL，340-2L，340-3L)和第二隔離電感 (350-11^，350-21^，350-31^，350-乩） ；具有電壓值￥15，￥25，￥35的第一直流電壓源￥此1，具有電壓 值V〇P，VlP，V2P，V3P|^]第二直流電壓源VdC2。
[0218] 在該分級(jí)階梯濾波器(500d)，每對(duì)串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器在第一接點(diǎn)（340-1T， 340-2T，340-3T)連接，第二并聯(lián)諧振器（350-1)在第二接點(diǎn)（350-1T)連接第一耦合電容 (340-0C)和第二隔離電感器(350-1L)。
[0219] 所述具有電壓值￥15，￥25，￥35的第一直流電壓源￥^通過(guò)第一隔離電感器(340-11^， 340-2L，340-3L)施加在第一串聯(lián)諧振器(340-1，340-2，340-3 )和第二并聯(lián)諧振器（350-2， 350-3,350-4)，以建立第一串聯(lián)諧振器（340-1，340-2,340-3)和第二并聯(lián)諧振器（350-2， 35〇-3,35〇-4)的偏壓。所述具有電壓值￥〇 [^1[^2?的第二直流電壓源￥此2通過(guò)第二隔離電 感器（350-1L，350-2L，350-3L，350-4L)施加到所述第二并聯(lián)諧振器（350-1，350-2，350-3， 350-4)，以建立每個(gè)并聯(lián)諧振器(350-1，350-2，350-3，350-4)的偏壓。偏壓將控制中心頻率 和影響施加到第一 RF輸入接點(diǎn)310的RF信號(hào)360的傳輸，使得在中心頻率fca及附近的微 波以及在所述第一帶寬BW1內(nèi)的信號(hào)被允許傳播通過(guò)第一串聯(lián)諧振器(340-l，340-2,340-3)，達(dá)到RF輸出接點(diǎn)320。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)調(diào)整所述第一直流電壓源V DC1和第二直流電壓源 VDC2的值，微波傳輸?shù)闹行念l率匕:的被選擇或控制。每個(gè)第二并聯(lián)諧振器和接地(公用)之間 可加入附加的電感器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波諧 振器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個(gè)具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區(qū)域厚度的聲波隔離區(qū)； -具有底部支撐膜厚度的底部支撐膜； -具有下電極材料和下電極厚度的下電極； -至少一個(gè)具有第一壓電層厚度的第一壓電層，所述第一壓電層是具有第一導(dǎo)電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體； -具有上電極材料和上電極厚度的上電極， 其中，所述第一壓電層包含了具有第一壓電層耗盡區(qū)厚度的第一壓電層耗盡區(qū)和具有 第一壓電層中立區(qū)厚度的第一壓電層中立區(qū)，第一壓電層耗盡區(qū)形成了第一壓電活性層， 其厚度可通過(guò)施加在所述上、下電極之間的第一直流電壓來(lái)控制和調(diào)整，以影響施加在上 電極和下電極之間的RF電信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)之間的相互作用，從而激勵(lì)聲波來(lái)達(dá)到控制、選 擇和調(diào)整所述TFBAR的諧振頻率的目的。2. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區(qū)是具有多個(gè)交替的高阻抗層和 低阻抗層組成薄膜反射層堆疊，每層厚度是四分之一波長(zhǎng)λ/4，λ為聲波在各反射層中的波 長(zhǎng)，以盡量減少聲波進(jìn)入基片的能量損失。3. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區(qū)是具有聲波隔離區(qū)厚度的空氣 隙，以盡量減少聲波進(jìn)入基片所產(chǎn)生的能量損失。4. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述底部支撐膜的材料和底部支撐膜的厚度可被選 擇以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而減少工作時(shí)諧振頻率不必要的偏移。5. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于：其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度的范圍是 10 14cm_3到1022cm_3,更優(yōu)選的范圍為10 13 cnf3到102<3cnf3,以控制所述第一直流電壓的靈敏 度，因而控制所述第一壓電層耗盡區(qū)的厚度，因此控制了所述諧振頻率的靈敏度。6. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述第一壓電層的材料選自如下材料組:AlN，GaN， AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs 〇7. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述基片的材料選自如下材料組：Si, GaAs, A1N, Al2〇3,玻璃，藍(lán)寶石，只要具有足夠高的電阻率和熱導(dǎo)率，以及平坦的表面。8. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括未摻雜的具有第二壓電層厚度的第二壓電 層，其位于所述下電極和所述第一壓電層之間，所述第二壓電層和所述第一壓電層耗盡區(qū) 形成具有第一合并壓電活性層厚度的第一合并壓電活性層，其中所述第一合并壓電活性層 厚度是由第一直流電壓控制和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)TFBAR諧振頻率的控制和調(diào)整。9. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào) 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括未摻雜的具有第二壓電層厚度的第二壓電 層，所述上電極和所述第一壓電層之間，所述第二壓電層和所述第一壓電層耗盡區(qū)形成具 有第一合并壓電活性層厚度的第一合并壓電活性層，其中所述第一合并壓電活性層厚度是 由第一直流電壓控制和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)TFBAR諧振頻率的控制和調(diào)整。10. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括對(duì)所述第一壓電層厚度和第一壓電層中立 區(qū)厚度的控制，以控制所述第一壓電層中立區(qū)所引起的負(fù)載效應(yīng)，從而進(jìn)一步通過(guò)第一直 流電壓來(lái)控制和調(diào)整所述諧振頻率。11. 如權(quán)利要求1所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中選擇所述上電極材料，下電極材料，上電極厚 度，下電極厚度，以控制和調(diào)整由于下電極和上電極的存在而產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)。12. -種用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可調(diào)薄膜體聲波諧 振器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個(gè)具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區(qū)域厚度的聲波隔離區(qū)； -具有底部支撐膜厚度的底部支撐膜； -具有下電極材料和下電極厚度的下電極； -至少一個(gè)具有第一壓電層厚度的第一壓電層，所述第一壓電層是具有第一導(dǎo)電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體，所述第一壓電層包含了具有第一壓電耗盡區(qū)厚度的 第一壓電層耗盡區(qū)，以及具有第一壓電中立區(qū)厚度的第一壓電層中立區(qū)； -具有第三壓電層厚度的第三壓電層，所述第三壓電層是具有第三導(dǎo)電類型和摻雜到 第三摻雜濃度的壓電半導(dǎo)體，所述第三導(dǎo)電類型與所述第一導(dǎo)電類型相反，其中，所述第三 壓電層包含了具有第三壓電耗盡區(qū)厚度的第三壓電層耗盡區(qū)和具有第三壓電中立區(qū)厚度 的第三壓電層中立區(qū)； -具有上電極材料和上電極的厚度的上電極， 所述第一壓電層耗盡區(qū)和所述第三壓電層耗盡區(qū)形成了具有第一合并壓電活性層厚 度的第一合并壓電活性層，所述第一合并壓電活性層厚度可通過(guò)施加在所述上、下電極之 間的第一直流電壓來(lái)控制和調(diào)整，以影響施加在上電極和下電極之間的RF電信號(hào)與機(jī)械振 動(dòng)之間的相互作用，從而激勵(lì)聲波來(lái)達(dá)到控制、選擇和調(diào)整所述TFBAR的諧振頻率的目的。13. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括本征和非導(dǎo)電的具有第二壓電層厚度的第 二壓電層，其夾在所述第一壓電層和第三壓電層之間;所述第一壓電層耗盡區(qū)，所述第二壓 電層和所述第三壓電層耗盡區(qū)形成一個(gè)具有第一合并壓電活性層厚度的第一合并壓電活 性層，所述第一合并壓電活性層厚度被施加在上電極和下電極之間的第一直流電壓所控 制，以實(shí)現(xiàn)TFBAR的諧振頻率的控制和調(diào)節(jié)。14. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區(qū)是具有多個(gè)交替的高阻抗層 和低阻抗層組成薄膜反射層堆疊，每層厚度是四分之一波長(zhǎng)，即λ/4，λ為聲波在各反射層中 的波長(zhǎng)，以盡量減少聲波進(jìn)入基片的能量損失。15. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區(qū)是具有聲波隔離區(qū)厚度的空 氣隙，以盡量減少聲波進(jìn)入基片產(chǎn)生的能量損耗。16. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度優(yōu)選范圍是 10 14cnf3到1022cnf3，更優(yōu)選范圍是10 13cnf3到102Qcnf3，其中所述第三壓電層的第三摻雜濃 度優(yōu)選范圍是l〇 14cnf3到1022cnf3,更優(yōu)選范圍是l〇 13cnf3到ΙΟ'πΓ3,以控制和調(diào)節(jié)所述第 一直流電壓的靈敏度來(lái)控制和調(diào)節(jié)第一壓電層耗盡區(qū)厚度和第三壓電層耗盡區(qū)厚度，因此 可以控制和調(diào)節(jié)所述TFBAR諧振頻率的靈敏度。17. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:選擇所述底部支撐膜的材料和底部支撐膜的厚度 來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，以在工作時(shí)減少不期望的諧振頻率偏移。18. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述第一壓電層和所述第三壓電層的材料選擇自 材料組:AIN，GaN，AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs。19. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述第二壓電層的材料選擇自材料組:AlN，GaN， AlGaN，ZnO，GaAs，AlAs，AlGaAs，LiNb03，LiTa03，PZT，BaTi03，石英和KnbO，只要它們是有足 夠高的聲電耦合系數(shù)的壓電材料。20. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述基片的材料選自材料組:Si，GaAs，玻璃，藍(lán)寶 石，AlN，Al 2〇3,只要它們具有足夠高的電阻率和熱導(dǎo)率，以及平坦的表面。21. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于：由于所述下電極和上電極的存在，所述上電極的 材料，下電極的材料，上電極的厚度，下電極的厚度可以被選擇和控制以調(diào)整負(fù)載效應(yīng)。22. 如權(quán)利要求12所述的用于形成微波應(yīng)用中可調(diào)微波聲學(xué)濾波器和可調(diào)振蕩器的可 調(diào)薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括了具有第二壓電層厚度的第二壓電層、具 有第四壓電層厚度的第四壓電層、具有第五壓電層厚度的第五壓電層;所述第二壓電層和 第五壓電層是本征的和不導(dǎo)電的，而所述第四壓電層摻雜到第四摻雜濃度并與第四壓電層 接點(diǎn)相連;所述第二壓電層相鄰的是所述第一壓電層，所述第五壓電層相鄰的是所述第三 壓電層，所述第四壓電層被夾在所述第二壓電層和所述第五壓電層間；所述第一壓電層耗 盡區(qū)和所述第二壓電層形成第一合并壓電活性層;所述第三壓電層耗盡區(qū)和所述第五壓電 層形成的第二合并壓電活性層;第一直流電壓被施加在所述下電極和第四壓電層接點(diǎn)之間 以控制所述第一合并壓電活性層的厚度，第二直流電壓被施加在上電極和第四壓電層接點(diǎn) 之間以控制所述第二合并壓電活性層的厚度，因此實(shí)現(xiàn)了 TFBAR的諧振頻率的控制和調(diào)節(jié)。23. -種可調(diào)的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是包括了： 至少一個(gè)第一串聯(lián)可調(diào)諧振器； 至少一個(gè)第二并聯(lián)可調(diào)諧振器，各對(duì)在第一接點(diǎn)連接； 至少一個(gè)第一耦合電容和至少一個(gè)第二耦合電容，用于阻斷直流電壓； 至少一個(gè)第一隔離電感器，用于阻止RF信號(hào)； 至少一個(gè)具有電壓值V1S的第一直流電壓源VDC1，施加在所述第一隔離電感器和整個(gè)組 合的所述第一串聯(lián)諧振器和第二并聯(lián)諧振器上，以建立所述第一串聯(lián)諧振器和第二并聯(lián)諧 振器的偏壓，從而控制和調(diào)整諧振中心頻率以及施加到第一射頻輸入接點(diǎn)的RF信號(hào)的傳 輸，從而使在所述諧振中心頻率及附近的微波信號(hào)被允許傳播通過(guò)第一諧振器，以達(dá)到RF 輸出接點(diǎn)，使得通過(guò)所述第一直流電壓源的電壓可以選擇和控制所述可調(diào)微波體聲波濾波 器的微波傳輸?shù)闹行念l率。24.如權(quán)利要求23所述的可調(diào)的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是還包括： 至少一個(gè)第二隔離電感器，以隔離RF信號(hào)； 第二直流電壓源，以連接所述第二隔離電感器， 所述第一直流電壓VDC1和所述第二直流電壓VDC2被調(diào)節(jié)，使所述薄膜體聲波濾波器傳輸 微波的中心頻率被選擇和控制到一個(gè)期望值。
【文檔編號(hào)】H03H9/54GK106026964SQ201610361145
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月29日
【發(fā)明人】邱星星, 石以瑄, 邱樹(shù)農(nóng), 石恩地, 邱書涯, 石宇琦, 韓露
【申請(qǐng)人】邱星星, 石以瑄, 邱樹(shù)農(nóng), 石恩地, 邱書涯, 石宇琦, 韓露