可調薄膜體聲波諧振器和濾波器的制造方法

可調薄膜體聲波諧振器和濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了可調薄膜體聲波諧振器和濾波器，涉及到與半導體壓電結構相關的結特性，通過調整施加的直流偏壓進而改變具有受控摻雜濃度的半導體壓電結構使諧振器的中心頻率或帶寬可調，以形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器。
【專利說明】
可調薄膜體聲波諧振器和濾波器
技術領域
[0001] 本發明涉及薄膜體聲波諧振器和濾波器，更具體地，是涉及可調諧并具有受控摻 雜水平的壓電半導體諧振器和濾波器結構。
【背景技術】
[0002] 工作頻率在射頻(Radio Frequency，縮寫為RF )范圍的通信系統需要小型化、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送或接收某 一頻帶寬度(BW)內的指定的頻率信號，并拒絕頻帶寬度之外的頻率信號。例如全球定位系 統(GPS)，移動通信系統(GSM)，個人通信服務(PCS)，通用移動電信系統(UMTS)，長期演進技 術(LTE)，數據傳送單元:藍牙，無線局域網(WLAN)和衛星廣播和未來的交通控制的通信。帶 通濾波器也用在其它高頻系統，如空間飛行器高速率數據的傳輸或采集。
[0003] 用于RF信號濾波的帶通濾波器和振蕩器通常使用以下技術制造：（a)基于電介質 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。為了簡單起見，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，本領域技術人員將很容易從濾波器原理推導到振蕩器。
[0004] 在諸如手機的個人移動通信系統中，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，手機的RF 濾波器通常由半導體微電子工藝制造，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。
[0005] 圖1A示出了典型的基于壓電基片110S的SAW 100a的示意圖。通過壓電基片的逆壓 電效應，將輸入射頻信號經輸入叉指換能器（IDT1)120S轉化為聲能，激勵起沿壓電基片表 面傳播的聲表面波140S，其傳播速度為V，再通過輸出叉指換能器(IDT2)150S經壓電效應將 聲能轉化為射頻信號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，其中心頻率和頻帶寬度也固定了。由于有限的光刻技術限制 了最小的指條間距，使得SAW濾波器的工作頻率相對較低，應用在接近或低于1G的頻率。
[0006] 聲波在壓電材料的傳播速度是用于設計聲學濾波器重要參數。聲波在幾個壓電基 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，當基于鈮酸鋰壓電材料的濾波器 的中心頻率f〇=2GHz時，聲波的波長為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，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，那么更先進的光刻工具和更嚴 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，與電極有關的不期望的串聯 電阻會升高從而降低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，另一個濾波器結構已經被開發： 薄膜體聲波諧振器(FBAR)。基于FBAR的聲學濾波器能夠工作的頻率是從幾百MHz到40GHz。 應該注意的是，在具有相同電學性能和相似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 生創造了有利條件。FBAR是指利用薄膜形態的金屬電極和壓電材料產生體聲波，并通過聲 學諧振實現電學選頻的器件。FBAR的諧振頻率受壓電層厚度影響，最高中心頻率可達 40GHz。在FBAR器件的壓電層中，實現了電能到機械能的轉化，使電信號轉化為聲波的形式 在壓電層中傳導并形成駐波，當聲波的頻率和外加電壓的頻率相同（聲波半波長為壓電層 厚度奇數倍)時，即可產生諧振。由于壓電薄膜的厚度通常遠遠小于單位時間內聲波的傳輸 的距離，FBAR的諧振點通常在GHz頻段，最高可達40GHz，可以很好的滿足RF通訊系統的需 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。空氣隙115的目的是為了防止聲波 185進入所述基片110,并把聲波限制在壓電層150內。諧振頻率主要由壓電層厚度150t決 定。通過空氣隙115的隔離，聲波被限制在壓電層150內，這使聲波進入基片的能量損失最 小。然而，由于空氣隙（115)的出現，壓電層150和金屬電極（140,160)產生的熱在基片中的 耗散也是有限的，因為沒有其它的熱傳導路徑。因此，包含了具有空氣隙115的FBAR系統的 工作功率也不能太高，以防止由于壓電層150的過度加熱而導致的電路不穩定。為了提高壓 電層的散熱，FBAR的另一種結構被采用，并在RF濾波器使用。
[0009] 圖1C示出了典型的固態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是在各個層中的聲波波 長。
[0010]由于在壓電層150和基片110之間沒有了空氣隙115,在壓電層150和金屬電極 (140,160)產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FBARs的濾波器被制造，其傳輸的中心頻率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信號的頻率和帶寬已被確定并通過地區或國家分配。用于移動通信 有大約40個頻帶。其余頻帶為下一代通訊技術預留。表1給出了幾種移動通信頻帶，由不同 地區或國家選擇使用。每個頻帶有具有發射中心頻率f。?和發射頻帶寬度(BWtr)的發射頻帶 (Tx Band)，以及相關的具有接收中心頻率foRE和接收帶寬(BWre)的接收頻帶(Rx Band)。發 射頻帶和接收頻帶的分離偏差由發送中心頻率和接收中心頻率的差值定義:ff-f。?。
[0012] 表1移動手機和基站頻帶頻率和帶寬
圖ID展示了無線通信系統中用于發射和接收的頻率窄帶圖，示出了發射中心頻率f。?， 發射帶寬BWTR，接收中心頻率f ORE，接收帶寬BWRE。發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，有時在兩者之間的重疊顯示。在實際的通信系統中，濾波器的接收頻帶能力由 圖1D的曲線1(d)所示(發射頻帶具有類似特性曲線）。插入損耗應盡可能小，隔離度應盡可 能地大。
[0013] FBAR(圖1C)類似于一個平行板電容器，如圖中所示的簡化圖1E含有兩個金屬電極 (140，160 )和電極之間的壓電層150。如前所述，FBAR的響應由材料特性尤其是壓電層的材 料性質;兩個電極;壓電層和兩個電極的物理尺寸(面積和厚度)來確定。
[0014] 圖1F是FBAR的電學阻抗特性曲線，它存在串聯諧振頻率fs和并聯諧振頻率fp，串 聯諧振時，其阻抗近似為〇，并聯諧振時，其阻抗近似無窮大。這兩個頻率之間，所述FBAR表 現為電感。兩個頻率之外，則表現為電容C〇。
[0015] 由于每個RF濾波器僅具有一個固定的中心頻率和一個帶寬，不同的國家和地區大 約有40種頻帶或者頻率范圍用于無線通信領域。在不遠的將來，將使用更多的從3GHz到 6GHz的頻率范圍。因此，一個真正的全球通移動手機將需要有80個濾波器。由于資源有限， 一些設計師設計的移動電話手機，可以覆蓋5-10個頻帶所屬地區或國家。即使有頻帶的這 個數目減少，目前所需的RF濾波器的數量仍然較大:從10到20個單位。因此，市場趨勢是_. 減少的RF濾波器的尺寸和成本，通過具有可調的射頻濾波器來減少工作頻帶中的相同 數量的濾波器，每個至少覆蓋兩個頻帶。如果這是成功的，在移動手機和其它許多微波和無 線系統的濾波器的數目可以大為減少。因此，開發這種RF濾波器有很有必要的，這能使移動 電話手機和微波系統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] 隨著無線通信技術的飛速發展，通信終端設備的普及，物聯網和可穿戴設備的興 起，現代通信設備體積越來越小，集成度越來越高，射頻收發電路朝著集成化和小型化的方 向發展。
[0017] FBAR( Film bulk acoustic resonator，薄膜體聲波諧振器）擁有工作頻率高 (GHz范圍）、品質因數高（1000以上）、器件尺寸小(微米級），且可集成的特點，近幾十年來得 到了廣泛的重視，并在無線通信領域得到了廣泛的應用。在FBAR眾多研究方向里，對其諧振 頻率調諧特性的研究一直受到廣泛關注，特別受到企業界的關注。現有的FBAR調諧技術或 多或少有不足。假設擁有這樣一種可調諧FBAR，在其上施加直流偏壓，可以實現幾十到幾百 MHz的諧振頻率偏移量，則通過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 同一制式不同國家的不同頻段上，這樣就能真正實現手機的全球通。所以說，市場對FBAR 電調技術有著很大的需求。
[0018] 目前電調技術存在的不足： 浙江大學碩士論文《新型電調薄膜體聲波諧振器FBAR研究》提出了一種在壓電層和電 極之間引入了一層半導體薄層，形成了肖特基結，相當于在FBAR的等效電路中并聯了一個 肖特基電容，實現了3MHz@15V的調諧范圍，但該調諧范圍太小，不具有實用性。

【發明內容】

[0019] 本發明的目的之一是提供一種具有金屬-摻雜壓電半導體-金屬結構，即MDM結構 的RF諧振器，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一直流偏壓使諧振器的中心 頻率或帶寬可調。
[0020] 本發明的目的之二是提供一種射頻諧振器與金屬-本征壓電層-摻雜壓電半導體-金屬結構，即MIDM結構，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一直流偏壓使諧振 器的中心頻率或帶寬可調。
[0021] 本發明的目的之三是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導體-本征壓電 層-金屬結構，即MD頂結構，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一直流偏壓使 諧振器的中心頻率或帶寬可調。
[0022] 本發明的目的之四是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導體-本征壓電 層-摻雜壓電半導體-本征壓電層 -摻雜壓電半導體-金屬結構，即MDIDIDM結構，用于形成振 蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調。
[0023] 實現上述本發明目的一至目的四的技術方案如下所述： 一種用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波諧振 器TFBAR，其特征是包括了 -至少一個具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區域厚度的聲波隔離區； -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電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導體； -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厚度的第一壓電層耗盡區和具有 第一壓電層中立區厚度的第一壓電層中立區，第一壓電層耗盡區形成了第一壓電活性層， 其厚度可通過施加在所述上、下電極之間的第一直流電壓來控制和調整，以影響施加在上 電極和下電極之間的RF電信號與機械振動之間的相互作用，從而激勵聲波來達到控制、選 擇和調整所述TFBAR的諧振頻率的目的。
[0024] 其中所述聲波隔離區是具有多個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λ/4，λ為聲波在各反射層中的波長，以盡量減少聲波進入基片 的能量損失。
[0025] 其中所述聲波隔離區是具有聲波隔離區厚度的空氣隙，以盡量減少聲波進入基片 所產生的能量損失。
[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現溫度補償，從而減 少工作時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 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，藍寶石，只要具有足 夠高的電阻率和熱導率，以及平坦的表面。
[0030] 所述用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波 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 和調整，從而實現TFBAR諧振頻率的控制和調整。
[0031] 所述用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波 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 整，從而實現TFBAR諧振頻率的控制和調整。
[0032] 所述用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波 諧振器TFBAR，還包括對所述第一壓電層厚度和第一壓電層中立區厚度的控制，以控制所述 第一壓電層中立區所引起的負載效應，從而進一步通過第一直流電壓來控制和調整所述諧 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，以控制和調整由于 下電極和上電極的存在而產生的負載效應。
[0034] 本發明的目的之五是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導體-本征壓電 層-摻雜壓電半導體-金屬結構，即MDIDM結構，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調 整第一直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調。
[0035] 本發明的目的之六是提供一種金屬-摻雜壓電半導體-摻雜壓電半導體-金屬結 構，即MDDM結構，用于RF諧振器在基片上用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一 直流偏壓使諧振器的中心頻率或帶寬可調。
[0036] 實現上述本發明目的五和目的六的技術方案如下所述： 一種用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波諧振 器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區域厚度的聲波隔離區； -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電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導體，所述第一壓電層包含了具有第一壓電耗盡區厚度的 第一壓電層耗盡區，以及具有第一壓電層中立區厚度的第一壓電層中立區； -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電類型和摻雜到 第三摻雜濃度的壓電半導體，所述第三導電類型與所述第一導電類型相反，其中，所述第三 壓電層包含了具有第三壓電耗盡區厚度的第三壓電層耗盡區和具有第三壓電中立區厚度 的第三壓電層中立區； -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和所述第三壓電層耗盡區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施加在所述上、下電極之 間的第一直流電壓來控制和調整，以影響施加在上電極和下電極之間的RF電信號與機械振 動之間的相互作用，從而激勵聲波來達到控制、選擇和調整所述TFBAR的諧振頻率的目的。
[0037] 所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲 波諧振器TFBAR，還包括本征和非導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，所述第二壓電層和所述第三壓電層 耗盡區形成一個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，以實現TFBAR的諧振頻 率的控制和調節。
[0038] 其中所述聲波隔離區是具有多個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，即λ/4，λ為聲波在各反射層中的波長，以盡量減少聲波進入 基片的能量損失。
[0039] 其中所述聲波隔離區是具有聲波隔離區厚度的空氣隙，以盡量減少聲波進入基片 產生的能量損耗。
[0040] 其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度優選范圍是1014cnf3到1022cnf 3,更優選范圍 是1013cm-3到102Qcm- 3,其中所述第三壓電層的第三摻雜濃度優選范圍是1014cm-3到1022cm 一3,更優選范圍是l〇13cnf3到102%πΓ 3,以控制和調節所述第一直流電壓的靈敏度來控制和調 節第一壓電層耗盡區厚度和第三壓電層耗盡區厚度，因此可以控制和調節所述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實現溫度補償，以在工作時 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用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲 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的 壓電材料。
[0044] 所述基片的材料選自材料組:Si，GaAs，玻璃，藍寶石，A1N，Al2〇3，只要它們具有足 夠高的電阻率和熱導率，以及平坦的表面。
[0045] 所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲 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整負載效應。
[0046] 所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲 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之間以控制所述第二合并 壓電活性層的厚度，因此實現了 TFBAR的諧振頻率的控制和調節。
[0047] 本發明的目的之七是提供一種可調濾波器，具有多個可調串聯諧振器，多個可調 并聯諧振器，多個耦合電容器，多個隔離電感器，通過第一直流電壓源來控制和選擇諧振器 的諧振頻率，并控制微波傳輸的中心頻率的可調濾波器。
[0048] 發明的目的之八是提供一種可調濾波器，具有多個可調串聯諧振器，多個可調并 聯諧振器，多個耦合電容器，多個隔離電感器，通過第一直流電壓源和第二直流電壓源來控 制和選擇所述諧振器和調諧諧振頻率，并控制微波傳輸的中心頻率的可調濾波器。
[0049] 實現上述本發明目的七和目的八的技術方案如下所述： 一種可調的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是包括了： 至少一個第一串聯可調諧振器； 至少一個第二并聯可調諧振器，各對在第一接點連接； 至少一個第一耦合電容和至少一個第二耦合電容，用于阻斷直流電壓； 至少一個第一隔離電感器，用于阻止RF信號； 至少一個具有電壓值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組 合的所述第一串聯諧振器和第二并聯諧振器上，以建立所述第一串聯諧振器和第二并聯諧 振器的偏壓，從而控制和調整諧振中心頻率以及施加到第一射頻輸入接點的RF信號的傳 輸，從而使在所述諧振中心頻率及附近的微波信號被允許傳播通過第一諧振器，以達到RF 輸出接點，使得通過所述第一直流電壓源的電壓可以選擇和控制所述可調微波體聲波濾波 器的微波傳輸的中心頻率。
[0050] 所述的可調的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是還包括： 至少一個第二隔離電感器，以隔離RF信號； 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被調節，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期望值。
【附圖說明】
[0051] 圖1A:現有技術的在壓電基片上的聲表面波(SAW)濾波器100a。
[0052] 圖1B:現有技術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確定。
[0053]圖1C:現有技術的聲波諧振器(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確定。
[0054]圖1D:用于無線通信發送和接收微波的窄傳輸頻帶圖。在實際通信系統中，每個發 送窄頻帶時使用具有曲線1(d)所示特性的濾波器來實現。
[0055] 圖1E:FBAR類似于具有兩個金屬電極之間的壓電層的平行板電容器，FBAR的響應 由壓電層的材料特性和物理尺寸決定。
[0056] 圖IF:FBAR的無損輸入阻抗與頻率關系的示意圖，示出在兩個諧振頻率:fP和fs。
[0057] 圖2A:具有MDM結構的TFBAR(200a)的示意剖面圖，在第一中心頻率f。!實現諧振，該 頻率是由直流偏壓V DC1調諧得到。
[0058] 圖2B:具有MDIM結構的TFBAR(200b)的示意剖面圖，在第一中心頻率fca實現諧振， 該頻率是由直流偏壓VDC1調諧得到。
[0059] 圖2C:具有MD頂結構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:壓電半導體基片的導電率σ與變量Δv/v。的關系圖。基片導電性的聲波速度 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體的導電率的變化關系。在低導電區、高導電區域 衰減小，在過渡區域衰減大。
[0062]圖2F示出了具有多個TFBARs(200a或200b)形成的可調微波濾波器的傳輸特性，當 第一直流電壓從VDC1改為V ' DQ時，微波傳輸的中心頻率從f ca偏移至f。2。
[0063] 圖3A示出了具有可調的微波濾波器的直流偏壓（曲線3A)與中心諧振頻率f。的關 系，沒有考慮第一壓電層中立區厚度和聲波速度的差異變化導致的的負載效應變化。因此 df〇(VDC)/ dVDC為正。
[0064] 圖3B示出可調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 區和耗盡區以及負載變化的差異效應，諧振頻率與直流偏壓關系與圖3A是相反的。因此 df0(VDC)/ cIVdc 為負。
[0065] 圖3C:可調微波濾波器的諧振中心頻率與直流偏壓變化關系的示意圖。曲線3C是 綜合考慮了直流偏壓（曲線3A)導致的壓電活性層厚度降低效應，中等的聲波速度差異影 響，以及通過曲線3B-1表示的弱負載效應而得到。
[0066]圖3D:可調微波濾波器的諧振中心頻率與直流偏壓變化關系的示意圖。曲線3D是 綜合考慮了直流偏壓（曲線3A)導致的壓電活性層厚度增加效應，大的聲波速度差異影響， 以及通過曲線3B-2表示的強負載效應而得到。
[0067] 圖4A是表示一個具有MIDM結構的TFBAR(400a)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實現諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調諧得到。
[0068] 圖4B是表示一個具有MDIDM結構的TFBAR(400b)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實現諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調諧得到。
[0069] 圖4C是表示一個具有MDDM結構的TFBAR(400c)示意性橫截面圖，在第一中心頻率 fed實現諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調諧得到。
[0070] 圖4D是表示一個具有MDIDIDM結構的TFBAR(400d)示意性橫截面圖，在第一中心頻 率fed實現諧振，該頻率是由直流偏壓VDQ調諧得到。
[0071] 圖4E示出在整個具有MDIDM結構的TFBAR中，電場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。當具有VDCla%壓值的直流電 壓施加時電場分布由實線表不。當具有VDClb電壓值的直流電壓施加時的電場分布由虛線表 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示出了在整個具有MDIDM結構的TFBAR中，電場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。當具有VDClai壓值的直流電 壓施加時電場分布由實線表不。當具有VDClb電壓值的直流電壓施加時的電場分布由虛線 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是一個改進的MBVD模型，用于描述理想的FBAR等效電路。
[0074]圖4H是本發明TFBAR的等效電路。通過第一直流偏壓VDC對其中的靜態電容Co,動 態元件Lm，Cm和Rm實現調諧和調節。
[0075]圖5A示出了通過連接根據本發明的TFBAR諧振器(340,350)形成一個可調的微波 濾波器電路(500a)的一個不意圖。
[0076]圖5B示出了通過連接根據本發明的2個TFBAR諧振器(340,350)形成一個可調的微 波濾波器電路(500b)的示意圖。
[0077]圖5C示出了根據本發明一個3.5級階梯可調微波聲濾波器(500c)的示意圖。
[0078]圖f5D示出根據本發明的一個3.5級可調階梯微波聲濾波器(500d)的示意圖。
[0079]附圖標記說明 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215,隔離區厚度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2501，第一壓電層耗盡區厚度250It，第一壓電層中立區厚度250Nt， 第一壓電層中立區250N 上電極290,上電極厚度290t，上電極觸點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215,隔離區厚度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2501，第一壓電層耗盡區厚度250It，第一壓電層中立區厚度250Nt， 第一壓電層中立區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290C 400b 第三壓電層270,第三壓電層中立區270N，第三壓電層中立區厚度270Nt，第三壓電層摻 雜區2701，第三壓電層摻雜區厚度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 320 RF輸出觸點 330公共接地點 340第一串聯諧振器 340C第一耦合電容器 340L第一隔離電感器 340ST第一電源點350ST第二電源點 350第二并聯諧振器 350T第一觸點 350C第二耦合電容器 360 RF信號 圖? 分級階梯濾波器(500D)包括： 第一串聯諧振器(340-1，340-2,340-3 ); 第二并聯諧振器（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。
【具體實施方式】
[0080] 這里將對影響本發明壓電固體聲學特性的幾種材料與器件效應進行說明。這些效 應被有利地用于本發明，通過改變直流偏壓的方式提供了具有可調諧振特性和頻率的諧振 器和濾波器。另外，術語"直流電壓"與術語"直流偏壓"本質上是一回事，只是基于不同的表 達習慣而被應用在不同的描述中。
[0081] 活性壓電層厚度效應： 由于傳統的薄膜體聲波諧振器(FBAR)沒有調諧能力，諧振頻率由材料特性來確定。當 電極的負載效應和厚度影響被忽略時，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) "計算機實驗設計：一個強大的工 具，可用于BAW濾波器的數值設計"（2008年IEEE國際研討會超聲波論文集，2185 -2188頁） 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系。壓 電疊堆的41~厚度為1以111，諧振頻率1為2.2 6他。當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，上述的結果來自單獨制造 的具有不同A1N厚度的FBARs，以便獲得不同的諧振頻率。
[0082] 根據本發明，薄膜體聲波諧振器(FBAR)或固態裝配型聲波諧振器(SMRs或SMBARs) 的諧振特性可以被調諧的，其原理是通過改變施加的直流電壓，進而改變了具有受控摻雜 濃度(Nd)的半導體壓電層耗盡區的厚度。根據本實施方式，中立區和耗盡區在摻雜的半導 體壓電層中形成。壓電層的中立區是導電的，電導近似正比于Nd，而壓電層的耗盡區本征的 和電絕緣的，因其具有低的自由載流子密度。壓電層耗盡區的厚度通過改變直流電壓來調 節，耗盡區構成整個或部分壓電活性層，以允許RF信號與聲波信號之間發生相互作用。由于 RF信號與聲波信號之間的相互作用主要發生在壓電活性層，它們受壓電活性層厚度的影 響。因此，根據本發明，基于所述半導體壓電層的FBARs和SMRS或SMBARs)和任何濾波器，開 關或其它裝置諧振特性和頻率可以通過改變直流電壓的大小被調諧和調整。
[0083]電極負載效應： 對于傳統的FBAR，諧振頻率也受加載到上電極的附加材料影響。當某材料的規定量加 入到上電極，所述附加材料的質量引起了負載效應，并導致從沒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，因負載效應導致了FBAR諧振頻率△ f的改變這一現象已 被用于監測如添加到上電極的蛋白質材料的質量變化。見論文"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電極對重力生物 傳感"（2011年傳感器和執行器雜志B，V. 160,第1386-1393頁）。應當指出，引起傳統FBARs的 諧振頻率的變化的負載效應是由于將不同質量的物理材料添加到FBARs的上電極。添加到 下電極也可能出現的諧振頻率改變的負載效應，但未見報道。
[0084]根據本發明的另一實施方案中，當FBARs，SMRs，SMBARs諧振特性通過施加在電極 上直流電壓而被調諧時，壓電層中形成了耗盡區和中立區。耗盡區厚度由摻雜水平和直流 電壓來確定，而中立區的厚度是由半導體壓電層總厚度、摻雜水平和直流電壓值所確定。耗 盡區是本征的和電絕緣的，自由載流子密度很低，且構成活性壓電層，它是確定FBARs， SMRs，SMBARs的諧振頻率的第一貢獻。當所述偏壓直流電壓的變化引起了中立區厚度的變 化，電極，特別是上電極會有關聯的負載效應。這將是影響諧振頻率的第二貢獻。因此， FBARs，SMRs，SMBARs和濾波器，開關和根據本發明的其它微波器件(微波聲學濾波器或濾波 器)的諧振頻率可通過改變直流電壓來調諧。為了簡化說明，術語FBAR將用于還表示在本發 明的后續描述的SMR和SMBARs。
[0085] 基片導電性對聲波傳播速度的影響： 涉及本發明的另一個影響是基片的導電性。基片的導電性對聲波速度的影響已報道在 "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) "因具有壓電結構的導電薄膜而異常增加的SAW速度》一文（2000年的IEEE超聲波研討會 P449-452)。文中表明，聲波在壓電基片的傳播速度受一個放在附近的半導體薄膜的導電性 影響。用于具有低導電性的半導體層時，聲波速度保持不變，并在半導體層的影響是最小 的。對于具有適中導電性的半導體層時，聲波速度減小到一個新值。當具有高導電性的半導 體層被置于鄰近所述壓電基片，所述聲波速度下降到一個較低的恒定值。
[0086] 在本發明中，半導體壓電層被采用形成諧振器及微波濾波器。因此，如果半導體層 的導電性變化，聲學諧振器或濾波器的諧振中心頻率也將發生變化。值得注意的是，頻率的 變化可以從1%到超過25%，這取決于壓電層的材料。應該指出，正如上面文獻引用導電性的 變化發生在壓電層相鄰的半導體薄膜層。因此耦合效應不太強，可以通過更換一個新的半 導體薄層而獲得的導電性的變化。在本發明中，半導體壓電層作為壓電活性層和非活性導 電層，以實現聲波速度的減少。
[0087]根據本發明的另一個實施例，當FBARs的諧振特性被調諧是通過施加和改變直流 電壓來改變具有受控摻雜的半導體壓電層的耗盡區厚度時，相關的中立區的厚度也會變 化。由于聲波在電絕緣的耗盡區的傳播速度高，在導電的中立區的傳播速度低，因此耗盡 區形成了部分壓電活性層，而中立區形成了部分負載。因此通過直流偏壓控制壓電耗盡區 的厚度和壓電中立區的厚度，使聲波在包含壓電耗盡區和壓電中立區的合并壓電區的平均 傳播速度得到調整。最終，包含了半導體壓電層的FBARs的諧振頻率被進一步調諧和調整。 [0088]從上面的說明中，本發明的可調中心頻率的FBAR結構涉及到與半導體壓電結構相 關的結特性（junction properties)。在壓電諧振器，振蕩器或濾波器中，由于壓電效應，壓 電活性層中電能和機械能發生交換，由于電壓的施加，壓電活性層建立了強電場。在構成結 器件的半導體壓電材料，它可以是一個P-N結，P-I-N結，M-I-N結，或M-I-P結。P是p-型摻雜 壓電半導體材料，N是η型摻雜的壓電半導體材料，I是本征的未摻雜的壓電半導體材料，Μ是 金屬。當施加電壓時，電場主要產生在未摻雜的I層，η型和/或ρ型摻雜的壓電材料的耗盡 區。在η型摻雜或ρ型摻雜壓電半導體的耗盡區，由于電荷載流子復合，電阻率是非常大的， 并可能會超過1〇 6歐姆-厘米。而在中立區，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，取決于雜質的摻雜濃度。
[0089] 由于低電阻或高導電性，中立區表現為金屬。它們與具有較高的電阻率值的耗盡 區串聯連接。當一個電壓施加在半導體壓電材料的耗盡區和中立區，中立區的電場百分比 是很小的，而在耗盡區電場百分比是非常大的。因此，根據本發明，當FBAR或濾波器采用ρ型 摻雜或η型摻雜的半導體壓電材料時，施加的電能和所產生的機械能或聲波之間的相互作 用將發生在耗盡區，而不是在中立區。本發明提供的可調FBARs有利地通過一個偏壓直流電 壓施加在采用P型或η型摻雜半導體壓電材料上來實現頻率調諧和調整。
[0090] 可調ΜΛΜ2或MDM諧振器和微波濾波器： 本發明的一些實施例將使用特定的可調諧振器結構進行說明。可調薄膜體聲波諧振器 (TFBAR)具有iWhMs或MDM結構用于形成用于微波通信的可調微波聲學濾波器。除了微波聲 學濾波器，例如MDM TFBARs也適合于微波聲學開關等微波器件。
[0091] 圖2A示出了根據本發明的的結構的可調薄膜體聲諧振器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;聲波隔離區厚度215t的聲波隔離 區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，足夠的熱導率和平坦的表面。
[0093]其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。
[0094]同時，聲波隔離區215也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。
[0095]聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入基片所產生的能量損失。
[0096]所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現 所述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據另一本發明實施例，保護層（未在圖2A中示出）可以被采用，以進一步穩定 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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導體，優 選為η型半導體。所述第一壓電層250包含了具有第一壓電層耗盡區厚度250It的第一壓電 層耗盡區2501和具有第一壓電層中立區厚度250Nt的第一壓電層中立區250N，這兩個區域 由第一壓電耗盡區邊緣250B分割（圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區2501是本征的和電 絕緣的。第一壓電耗盡區邊緣250B的位置是由施加到下電極240(通過下電極接點240C)和 上電極290(通過上電極接點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厚度 250It和第一壓電層中立區厚度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，以產生一個新的諧振頻率 能是同一頻帶的發送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。
[0100] 應該提到的是，第一壓電層耗盡區2501的形成與第一壓電中立區250N的相似，如 Si和GaAs半導體微電子芯片用的原理和理論已在各種文本書籍和文獻被描述，在此將不再 重復。在壓電半導體的耗盡區，電荷載流子密度小，低于10 1<3Cnf3的，所以導電率非常低，耗 盡區表現為絕緣體，而在中立區中的載流子密度大和通常的范圍為l〇 14cnf3至1021cnf3的這 樣的導電率大，中立區表現為導體。
[0101] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區厚度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2501形成了第一壓電活性層。當具有第一頻率fca的第一 RF信號RF1加到上電極290 時，第一壓電層耗盡區2501和第一壓電中立區250N可以實現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中聲波速度和應用中所需的諧振的第一頻率fca。對于給定的工作頻率，所述第一壓電層 厚度250t被選擇，以致于當施加最大的第一直流電壓V DC1時，能獲得最大的第一壓電層耗盡 區厚度250It和最小的第一壓電層中立區厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進入第一壓 電層中立區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的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導體。
[0104] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(200a)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第一 RF信號RF1以具有 第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個為給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于LjPBWl以外其它RF信號不允許通過。
[0105] 因此，根據本發明，具有施0通2或MDM結構的TFBAR(200a)的諧振特性是可通過改變 第一直流電壓Vdq來調諧。當第一直流偏壓Vdq改變，所述第一壓電層耗盡區厚度25011和第 一壓電層中立區厚度250Nt將發生變化。在第一壓電層耗盡區厚度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2501)2501，并在諧振頻率中產生了第一變化 分量。另一方面，在第一壓電層中立區厚度250Nt的變化，改變負載效應和速度效應，并在諧 振頻率中產生了第二變化分量。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] 通過改變第一直流電壓VDC1從而改變所述第一壓電層耗盡區厚度250It來控制具 有MDM結構的TFBAR( 200a)的諧振頻率將用于本發明。在應用中，多個具有MDM結構的TFBARs (200a)的連接成梯形濾波器或網格濾波器，且具有窄帶通特性，以允許射頻信號以頻率fQl 傳輸，多個第一直流電壓值：Vdci-1，Vdci-2,---Vdci-N，可被應用于一次一個，以產生多個 諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于發射頻率或接收頻率。第一壓電層耗盡區的形成是由 于多數載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的從一個諧振頻率切換到另一個頻率， 僅由TFBAR的RC時間常數所限制。
[0107] 可調MiDihife或MDIM諧振器和濾波器： 本發明的目的之三是提供一種射頻諧振器，具有金屬-摻雜壓電半導體-本征壓電層-金屬結構，即MD頂結構，用于形成振蕩器或微波聲濾波器，并通過調整第一直流偏壓使諧振 器的中心頻率或帶寬可調。
[0108] 根據一個本發明另一個實施例，一個可調或MDIM結構的薄膜體聲波諧振 器TFBAR，用于微波通信單元的，形成可調微波聲學濾波器。除了微波聲學濾波器，例如MDIM TFBARs也適合于微波聲學開關等微波器件。
[0109] 如圖2B所示，一個有或MD頂結構的可調薄膜體聲諧振器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 厚度215t的聲波隔離區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結構的RF諧振器。
[0111] 該MDIM結構的TFBAR(200b)與MDM結構的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，足夠的熱導率和平坦的表面。
[0113] 其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。
[0114] 同時，聲波隔離區215也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。
[0115] 聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入基片所產生的能量損失。
[0116] 所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現 所述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據另一本發明實施例，保護層（未在圖2B中示出）可以被采用，以進一步穩定 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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導體，優 選為η型半導體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導體，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厚度250It的第一壓電層耗盡區2501和具有第一壓電中 立區厚度250Nt的第一壓電中立區250N，這兩個區域由第一壓電耗盡區邊緣250B分割（圖中 由虛線示出）。第一壓電層耗盡區2501是本征的和電絕緣的。第一壓電耗盡區邊緣250B的位 置是由施加到下電極240(通過下電極接點240C)和上電極290(通過上電極接點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)，當具有第一頻率匕:的第一射頻信號RF1加到上 電極290時，以實現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厚度250It和第一壓電層中立區厚度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RF1的傳輸或阻斷。
[0120]所述第一壓電層250的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區厚度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中聲波速度和應用中所需的諧振的第一頻 率fca，和其它多個需要的諧振頻率。對于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t被選 擇，以致于當施加最大的第一直流電壓V DC1時，能獲得最大的第一壓電層耗盡區厚度250It 和最小的第一壓電層中立區厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進入第一壓電層中立區造 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的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導體。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-電耦合系數的壓電材 料，同時需與第一壓電層250兼容。 因此，根據本發明，MDIM的諧振特性是可通過改變第一直流偏壓VDC1實現調諧。當第一 直流偏壓發生變化，所述第一壓電層耗盡區厚度250It和第一壓電層中立區厚度250Nt將發 生變化。在第一壓電層耗盡區厚度250It的變化改變了第一合并壓電活性層厚度（255t+ 250It)或250T't，在諧振頻率中產生第一變化分量。另一方面，在第一壓電層中立區厚度 250Nt的變化改變了負載效應和速度效應，并在諧振頻率中產生了第二變化分量。因此，具 有MD頂結構的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，以產生一個新的諧振頻率 能是同一頻帶的發送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。
[0?24] 因此，很明顯該多個第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2，---Vdci -N，可被依次分另lj施 加，以產生多個諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一個或者多個頻帶的發射頻率或接收 頻率。第一壓電層耗盡區的形成是由于多數載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的 從一個諧振頻率切換到另一個頻率，僅由TFBAR的RC時間常數所限制。可調MDIM TFBAR可使 用在微波應用中的可調濾波器和振蕩器。
[0125] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(200b)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第一射頻信號RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號不允許通過。
[0126] 通過改變第一直流偏壓使第一壓電層耗盡區厚度250It和相關的第一壓電層中立 區厚度250Nt發生改變，因此使MD頂結構的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，TFBAR(200b'）示意剖面圖。
[0128] 當施加在上電極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厚 度為新的值250I't和第一壓電層中立區厚度為新的值250N't，兩者邊界由新的第一壓電耗 盡區邊緣250B'。新的第一壓電層耗盡區250Γ和第二壓電層255形成一個新的第一合并壓 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的變化導致了TFBAR(200b '）的諧振頻率變化到了第二頻率f。2，以促進被施加到上 電極290第二射頻信號RF2的傳輸或阻斷。
[0129] 因此，根據本發明，MD頂結構TFBAR的諧振特性是可通過改變第一直流偏壓V'DC1實 現調諧。當第一直流偏壓發生變化，所述第一壓電層耗盡區厚度2501't和第一壓電層中立 區厚度250N' t將發生變化。在第一壓電層耗盡區厚度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，在諧振頻率中產生第一變化分量。另一方面，在第一壓 電層中立區厚度250N't的變化改變了負載效應和速度效應，并在諧振頻率中產生了第二變 化分量。因此，具有MD頂結構的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] 根據本發明，多個第一直流電壓值:V ' dci-1，V ' dci-2，......V ' dci-N，可被依次施加， 以產生多個諧振頻率數匕2-1，匕2-2,……f〇2-N，用于發射頻率或接收帶或其他頻段的頻率。 第一壓電層耗盡區的形成是由于多數載流子的疏散，快速的從一個諧振頻率切換到頻率， 僅受TFBAR的RC時間常數的限制。
[0131] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(200b'）連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第二射頻信號RF2以具 有第二帶寬BW2的第二頻率f〇 2傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于匕2和頻帶BW2以外其它RF信號不允許通過。
[0132] 圖2D示出了壓電半導體基片的導電率σ與Δν/ν。的變化關系。在這里，八￥=奴 〇)-VmvO)表示在聲波在導電率為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。當基片具有在低導電率區域，Av/ Vci= 0,聲波的衰減為最小(如圖2Ε所示）。當基片具有 在高導電率區域，基片表現為金屬，ν(σ)小于v。，即ν(σ)-ν〇〈〇,使得Δ v/v。為負。圖2D中間是 低導電率區域和高導電率區域之間的過渡區域。聲波速度ν(σ)與導電率σ的變化關系被用 于在本發明，通過施加第一直流電壓部分地控制或調整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體基片的導電率σ的變化關系。在低導電率 區域，電荷載流子密度小，聲波的衰減最小。在高導電率區域，基片表現為金屬，由于大的載 流子密度，聲波的衰減又是最小的。在過渡區中，A ν/ν。從0減小到負值。由于電子的存在和 在過渡區中相對低的導電率，在過渡區聲波有能量的損失，所以，相對于低導電率區域和高 導電率區域，過渡區的聲波衰減是最大的。聲波能量的最大衰減值出現在Ρ點。
[0134] 當多個TFBAR(圖2Α的200a，圖2Β的200b，圖2C的200b '）被采用而形成一個可調的 微波濾波器時（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，見圖2F的實線曲線。當在上電極290和下電極240施加第一直流偏壓V DC1，如圖2B所示， 第一壓電層耗盡區厚度250It和第一合并壓電活性層厚度(255t+250It)形成。當一個新的 第一直流電壓V' DC1施加時（參照圖20,所述第一壓電層耗盡區厚度會加寬，形成了一個新 的本征的第一壓電層耗盡區250Γ，其新的厚度是250I't，該新厚度大于原來的第一壓電層 耗盡區厚度250It。因此，第一合并壓電活性層厚度也相應增加，引起了微波傳輸的中心頻 率從fca偏移到f〇 2,如圖由虛線曲線與通帶寬BW2在左側，形成一個微波濾波器可調或可調 的第一直流偏壓:Vdci，V ' DC1。
[0135] 當只考慮第一壓電層耗盡區厚度（250It或2501't)對中心諧振頻率f。的影響時， 由多個TFBARs形成的可調微波濾波器的f。的變化與第一直流電壓V DC的關系見圖3A(曲線 3A)〇
[0136] 當沒有考慮由于第一壓電層中立區厚度的變化(250Nt或250N't)引起負載效應變 化以及沒有考慮聲波在所述第一壓電層中立區和所述第一壓電層耗盡區的傳播速度差異 時，當大幅度的反向電壓V DC施加時，所述第一壓電層耗盡區厚度(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小（255t+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TFBARs構成的微波濾波 器的中心頻率f。得以調諧。在曲線3A中，f。隨著V DC的增加而增加，同時，df。(VDC)/dVDC是正 的。
[0137] 當只考慮負載效應的結果時，由于第一壓電層中立區厚度的變化，以及與第一壓 電層中立區厚度變化相關聯的聲波速度影響，f。與第一直流電壓V DC的變化關系由圖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變化的趨勢與曲線3A(圖3A)是相 反的，并在前面的段落中描述。圖3B中，當V DC增加時，所述第一壓電層中立區厚度的增加會 導致與上電極相關聯的負載效應的增加和聲波平均速度的下降（參照圖2D)。因此，中心頻 率f。會隨著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的影 響程度來確定。當某些壓電材料的負載效應不太強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 的負載效應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，第一壓電層中立區厚度的增加引起了更快的負載效應以及 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。
[0138] 更接近現實的是，同時考慮如在前面段落所述的兩者影響，即a)由VDC引起的第一 壓電層耗盡區厚度的變化對中心諧振頻率f。的影響，b)由Vdc引起的第一壓電層中立區厚度 的變化導致的相關的負載效應和聲波速度的變化對中心諧振頻率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厚度的變 化對中心諧振頻率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厚度的 變化，導致的相關聯的負載效應和聲波速度的變化對中心諧振頻率f。的影響。那么對于較 弱的負載效應和中等聲波速度差異的影響時，中心頻率f。與第一直流電壓Vdc引起的總體 影響關系見曲線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表示的另一個由Vdc引起的第一壓電層中立區厚度的變化，導致的 相關聯的負載效應和聲波速度的變化對中心諧振頻率f。的影響。那么對于較強的負載效應 和較大聲波速度差異的影響時，中心頻率f。與第一直流電壓Vdc引起的總體影響關系見曲線 3D，此處f〇(V Dc)隨著Vdc增加而減少，df^VDcVdVDc是負的。
[0141] 6.可調沁1山通2或MIDM諧振器和濾波器： 根據本發明的另一個實施例，通過切換圖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結構的可調薄膜體聲波諧振器（TFBAR)， 用于形成用于微波通信的可調微波聲學濾波器。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體，M 2是第二金屬。除了微波聲學濾波器，例 如MIDM TFBARs也適合于微波聲學開關等微波器件。
[0142] 圖4A給出了一個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;具有聲波隔離區厚度215t的聲波隔離區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)形成了一個在基片上的 Μ! I山通2或MI DM結構的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，足夠的熱導率和平坦的表面。
[0144] 其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。
[0145] 同時，聲波隔離區215也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。
[0146] 聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入基片所產生的能量損失。
[0147]所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現 所述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據另一本發明實施例，保護層（未在圖4A中示出）可以被采用，以進一步穩定 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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導 體，優選為η型半導體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導體，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厚度250It的第一壓電層耗盡區2501和具有第一 壓電中立區厚度250Nt的第一壓電中立區250N，這兩個區域由第一壓電耗盡區邊緣250B分 害J(圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區2501是本征的和電絕緣的。第一壓電耗盡區邊緣 250B的位置是由施加到下電極240(通過下電極接點240C)和上電極290(通過上電極接點 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)，當具有第一頻率匕:的第一射頻信號RF1加到上 電極290時，以實現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厚度250It和第一壓電層中立區厚度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RF1的傳輸或阻斷。
[0152]所述第一壓電層250的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓(VDC1)控制第一壓電層耗 盡區厚度(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中聲波速度和應用中所需的諧振的第一頻 率fca，和其它多個需要的諧振頻率。對于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t被選 擇，以致于當施加最大的第一直流電壓V DC1時，能獲得最大的第一壓電層耗盡區厚度250It 和最小的第一壓電層中立區厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進入第一壓電層中立區造 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的壓電材料，而且可以被摻雜為p型和/或η型半 導體。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-電耦合系數的壓電材 料，同時需與第一壓電層250兼容。 當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 壓電耗盡區厚度250It增加，第一壓電中立區厚度250Nt減小，這將導致具有第一壓電活性 區厚度250Tt的第一壓電活性區（2501+255)的建立，和在中心頻率1!產生諧振。因此，允許 第一RF信號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 信號不允許通過。
[0155] 第一直流電壓VDC1的電壓值可增加或減少，以產生一個新的諧振頻率f ' ca，f ' ^可 能是同一頻帶的發送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。因此，很明顯該 多個第一直流電壓為:Vdci_1，Vdci_2， Vdq-N，可被依次分別施加，以產生多個諧振頻率 f 〇1-1, f 〇1-2,――fca-N用于一個或者多個頻帶的發射頻率或接收頻率。第一壓電層耗盡區 的形成是由于多數載流子的疏散(evacuation)，因此可以快速的從一個諧振頻率切換到另 一個頻率，僅由TFBAR的RC時間常數所限制。可調MIDM TFBAR可使用在微波應用中的可調濾 波器和振蕩器。
[0156] 因此，根據本發明，MIDM結構TFBAR(400a)的諧振特性是可通過改變第一直流偏壓 Vdci實現調諧。當第一直流偏壓發生變化，所述第一壓電層耗盡區厚度250It和第一壓電層 中立區厚度250Nt將發生變化。在第一壓電層耗盡區厚度250It的變化改變了第一合并壓 電活性層厚度(255t+250I t)或250T ' t，在諧振頻率中產生第一變化分量。另一方面，在第一 壓電層中立區厚度(250Nt)的變化改變了負載效應和速度效應，并在諧振頻率中產生了第 二變化分量。因此，具有MIDM結構的TFBAR的諧振頻率和性能因第一直流偏壓變化而 變化。
[0157] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(400a)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第二射頻信號RF2以具 有第二帶寬BW2的第二頻率f〇 2傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于匕2和頻帶BW2以外其它RF信號不允許通過。
[0158] 可調或MDIDM諧振器和濾波器： 根據又一本發明的實施方式，可調薄膜體聲波諧振器具有MiDdiDiifeSMDIDM結構，用 于形成用于微波通信的可調微波聲學濾波器。除了微波聲學濾波器，例如MDIDM TFBARs也 適合于微波聲學開關等微波器件。
[0159]根據本發明的又一個實施例，圖4B示出了一個MDIDM結構的可調薄膜體聲諧振 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 隔離區厚度215t的聲波隔離區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具有或MDIDM結構的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，足夠的熱導率和平坦的表面。
[0161] 其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。
[0162] 同時，聲波隔離區215也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。
[0163] 聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入基片所產生的能量損失。
[0164] 所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現 所述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率^勺不必要 的偏移。根據另一本發明實施例，保護層（未在圖4B中示出）可以被采用，以進一步穩定 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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導體，優 選為η型半導體。第二壓電層255是未摻雜的本征半導體，而且是電絕緣的。所述第三壓電層 270是摻雜的半導體，并且部分地導電的，第三壓電層的導電類型與第一壓電層導電類型是 相反的。所述第一壓電層250包含了具有第一壓電層耗盡區厚度250It的第一壓電層耗盡區 2501和具有第一壓電中立區厚度250Nt的第一壓電中立區250N，這兩個區域由第一壓電耗 盡區邊緣250B分割（圖中由虛線示出）。第一壓電層耗盡區2501是本征的和電絕緣的。第一 壓電耗盡區邊緣250B的位置是由施加到下電極240(通過下電極接點240C)和上電極290(通 過上電極接點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厚度270IT的第三壓電層耗盡 區2701和具有第三壓電層中立區厚度270Nt的第三壓電層中立區270N，這兩個區域又第三 壓電耗盡區邊緣270B分割（圖中虛線示出）。第一壓電層耗盡區2501和第三壓電層耗盡區 2701是本征的和電絕緣的。所述第三壓電耗盡區邊緣270B的位置由施加的下電極240(通過 下電極接點240C)和上電極290(通過上電極接點290C)之間的具有第一電壓值的第一直流 電壓Vdci控制。
[0168] 當具有第一直流電壓值Vdq第一直流電壓施加在上電極接點290C的上電極290和 下電極接點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厚度25011的第一壓電 層耗盡區2501，具有第一壓電中立區厚度250Nt的第一壓電層中立區250N，具有第三壓電層 耗盡區厚度270It的第三壓電層耗盡區2701，具有第三壓電中立區厚度270Nt的第三壓電層 的中立區270N。這將產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)，以實現在第一頻率f 〇1的諧振，以使施加到上電極290的第一RF信號RF1 的傳輸或阻擋。
[0169] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 10 22cm_3,更優選范圍在1013cm_3至10 2<3cnf3，以增強由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗 盡區厚度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的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗盡 區厚度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中聲波速度和應用中所需的諧振的第一頻率fca。對于給定的工 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厚度250It和第三壓電層耗盡區厚度 270It，以及最小的第一壓電層中立區厚度250Nt和第三壓電層中立區厚度270Nt，最好接近 為零，使得聲波進入第一壓電層中立區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的壓電材料，而且可以被摻雜為p型 和/或η型半導體。 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-電耦合系數的壓電材料，同時需與第一壓電層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，以產生一個新的諧振頻率f'c^f'ca可能是 同一頻帶的發送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。因此，根據本發明， MDIDM的諧振特性可通過改變直流偏壓而被調諧。當第一直流電壓變化時，所述第一壓電層 耗盡區厚度250It，所述第三壓電層耗盡區厚度270It，第一壓電層中立區厚度250Nt和第三 壓電層中立區厚度270Nt將全部改變。在第一壓電層耗盡區厚度250It和第三壓電層耗盡區 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)是在諧振頻率產生第一變化分量。同時，在第一壓電層中立區厚度 250Nt和第三壓電層中立區厚度270Nt的變化將改變負載效應和速度效應。因此，MDIDM TFBAR(400b)的諧振頻率和性能可通過直流偏壓的變化而被調諧。
[0173] 因此，很明顯該多個第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2， Vdci-N，可被依次分另lj施 加，以產生多個諧振頻率fca-Ufca-2,一一fca-N用于一個或者多個頻帶的發射頻率或接收 頻率。第一壓電層耗盡區和第三壓電層耗盡區的形成是由于多數載流子的疏散 (evacuation)，因此可以快速的從一個諧振頻率切換到另一個頻率，僅由TFBAR的RC時間常 數所限制。可調MDIDM TFBAR可使用在微波應用中的可調濾波器和振蕩器。
[0174] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(400b)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第一射頻信號RF1以具 有第一帶寬BW1的第二頻率fca傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號不允許通過。
[0175] 可調關山通2或MDDM諧振器和微波濾波器： 根據又一本發明的實施方式，具有MDDM結構的可調薄膜體聲波諧振器，用于微波通信 的可調微波聲學濾波器。除了微波聲學濾波器，MDDM TFBARs也適合于微波聲學開關等微 波器件。
[0176] 圖4C示出了根據本發明在一個MDDM形式的可調薄膜體聲諧振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;具有聲波隔離區厚度215t的 聲波隔離區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結構的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，足夠的熱導率和平坦的表面。 其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。同時，聲波隔離區 215也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入 基片所產生的能量損失。
[0178]所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現所 述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率f Ql的不必要的 偏移。根據另一本發明實施例，保護層(未在圖4c中示出）可以被采用，以進一步穩定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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導體，優選為 η型半導體。所述第三壓電層270是摻雜的半導體，并且部分地導電的，可以是ρ型或η型，第 三壓電層的導電類型與第一壓電層導電類型是相反的。
[0180] 當具有第一直流電壓值Vdq第一直流電壓施加在上電極接點290C的上電極290和 下電極接點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厚度250It的第一壓電層耗 盡區2501，具有第一壓電中立區厚度250Nt的第一壓電層中立區250N，具有第三壓電層耗盡 區厚度270It的第三壓電層耗盡區2701，具有第三壓電中立區厚度270Nt的第三壓電層的中 立區270N。這將產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)，以實現在第一頻率f〇1的諧振，以利于使施加到上電極290的第一RF信號RF1的傳輸 或阻擋。
[0181] 根據本發明，MDDM TFBAR的諧振特性可通過改變第一直流偏壓￥^進行調諧。當直 流偏壓是變化，所述第一壓電層耗盡區厚度250It，所述第三壓電層耗盡區厚度270It，第一 壓電層中立區厚度250Nt和第三壓電層中立區厚度270Nt會改變。第一壓電層耗盡區厚度 250It和第三壓電層耗盡區厚度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厚度250Nt和第三壓電 層中立區厚度270Nt的變化將改變負載效應和速度效應，成為影響諧振頻率變化的第二變 化分量。因此，具有MDDM結構的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] 當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(400c)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第一射頻信號RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號不允許通過。
[0183] 所述第一壓電層250和第三壓電層270的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范 圍為1014cm_ 3到1022cm_3,更優選范圍在1013cm_ 3至102Qcm_3,以增強由第一直流電壓VDC1控制 第一壓電層耗盡區厚度250It和第三壓電層耗盡區厚度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中聲波速度和應用中所需的諧振的第一頻 率fca。對于給定的工作頻率，所述第一壓電層厚度250t和第三壓電層厚度270t被選擇，以致 于當施加最大的第一直流電壓V DC1時，能獲得最大的第一壓電層耗盡區厚度250It和最大 的第三壓電層耗盡區厚度270It，以及最小的第一壓電層中立區厚度250Nt和最小的第三壓 電層中立區厚度270Nt，最好接近為零，使得聲波進入第一壓電層中立區造成的能量損失最 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的壓電材料，而且可以被摻雜 為p型和/或η型半導體。
[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，以產生一個新的諧振頻率f'ca，f'。:可能是同一頻帶的發送頻率或接收頻 率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。
[0187] 因此多個第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2，---Vdci-N，可被依次分另lj施加，以產生多 個諧振頻率fca-Ufca-2,--fca-N用于一個或者多個頻帶的發射頻率或接收頻率。第一壓 電層耗盡區的形成是由于多數載流子的疏散，快速的從一個諧振頻率切換到頻率，僅由 TFBAR的RC時間常數所限制。可調MDDM TFBAR可使用在微波應用中的可調濾波器和振蕩器。
[0188] 可調MDIDIDM諧振器和微波濾波器： 根據又一本發明實施例，具有MDIDIDM結構的可調薄膜體聲波諧振器，用于微波通信的 可調微波聲學濾波器。除了微波聲學濾波器，例如MDIDIDM TFBARs也適合于微波聲學開關 等微波器件。
[0189] 圖4D示出了根據又一本發明實施方式的可調薄膜體聲諧振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;具有聲波隔離區厚度215t的聲 波隔離區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結構的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，足夠的熱導率和平坦的表面。 其中所述聲波隔離區215是具有多個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的四分之一，即λ/4，λ為聲波在各反射層里的波長。同時，聲波隔離區 也可以是具有聲波隔離區厚度215t的空氣隙。聲波隔離區的作用是盡量減少聲波進入基片 所產生的能量損失。
[0191]所述底部支撐膜厚度230t的值優選的范圍為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，以實現所 述第一壓電層250的溫度補償，從而減少工作時由于溫度變化引起諧振頻率f Ql的不必要的 偏移。根據另一本發明實施例，保護層(未在圖4C中示出）可以被采用，以進一步穩定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載效應。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是摻雜的和部分導電的半導體，其可以是η型或p型半導體，優選為 η型半導體。第二壓電層255是未摻雜的，不導電的；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 是摻雜的半導體，并且部分地導電的，可以是P型或η型，第三壓電層的導電類型與第一壓電 層導電類型是相反的。第四壓電層260是一個重摻雜的、導電的半導體，與第四壓電層接點 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] 當具有第一電壓值Vdq的第一直流電壓施加經過下電極接點240C的下電極240和， 經過第四壓電層接點260C的第四壓電層260之間，成為第一合并壓電層(250+255)的偏壓， 以產生具有第一壓電層耗盡區厚度250It的第一壓電層耗盡區2501和第一壓電層中立區厚 度250Nt的第一壓電層中立區250N，兩者由第一壓電耗盡區邊緣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] 當具有第二電壓值VDC2的第二直流電壓施加在經過上電極接點290C的上電極290 和經過第四壓電層接點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，以產生具有第三壓電層耗盡區厚度270It的第三壓電層耗盡區2701，具有第三壓電層中 立區厚度270Nt的第三壓電層中立區270N，兩者由第三壓電耗盡區邊緣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 現諧振。第一直流電壓值Vdq的變化和第二直流電壓值V DC2的變化會引起在整個合并壓電活 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RF1的傳輸或阻斷。
[0196] 所述第一壓電層250的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓VDC1控制第一壓電層耗盡 區厚度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的摻雜水平被優選控制為具有雜質濃度范圍為1014cnf3到 1022cnf3,更優選范圍在1013cnf3至10 2<3cnf3,以增強由第一直流電壓VDC1控制三壓電層耗盡區 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的壓電材料，而且 可以被摻雜為P型和/或η型半導體。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，以致于當施加最大的第 一直流電壓Vdq時，能獲得最大的第一壓電層耗盡區厚度250It和最小的第一壓電層中立區 厚度250Nt，最好接近為零，使得聲波進入第一壓電層中立區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，以致于當施加最大的第二直流電壓VDC2 時，能獲得最大的第三壓電層耗盡區厚度270It和最小的第三壓電層中立區厚度270Nt，最 好接近為零，使得聲波進入第三壓電層中立區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，以產生一個新的諧振頻率 能是同一頻帶的發送頻率或接收頻率，或其他頻帶的發送頻率或接收頻率。因此，根據本發 明，MDIDIDM TFBAR的諧振特性是可通過改變第一直流偏壓VDC1實現調諧。當第一直流偏壓 發生變化，所述第一壓電層耗盡區厚度250It、第三壓電層耗盡區厚度270It和第一壓電層 中立區厚度250Nt、第三壓電層中立區厚度270Nt將發生變化。在第一壓電層耗盡區厚度 250It第三壓電層耗盡區厚度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，在諧振頻率中產生第一變化分量。另一方面，在第一壓電層中 立區厚度250Nt和第三壓電層的中立區厚度270Nt的變化改變了負載效應和速度效應，并在 諧振頻率中產生了第二變化分量。因此，具有MDIDM結構的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，多個第一直流電壓為:Vdci-1，Vdci-2,---Vdci-N，可被依次分別施加，以產生 多個諧振頻率?·〇ι-1，?·〇ι_2,--fca-N用于一個或者多個頻帶的發射頻率或接收頻率。第一 壓電層耗盡區的形成是由于多數載流子的疏散，快速的從一個諧振頻率切換到頻率，僅由 TFBAR的RC時間常數所限制。可調MDIDIDM TFBAR可使用在微波應用中的可調濾波器和振蕩 器。
[0204]當多個薄膜體聲波諧振器TFBAR(400d)連接成梯形濾波器或網格濾波器，以及與 其它無源器件，如電容器和電感器相連，窄帶通特性被實現，以允許第一射頻信號RF1以具 有第一帶寬BW1的第一頻率fca傳輸，這可能是一個給定的通信頻帶的接收頻率或發射頻率。 在頻率高于fca和頻帶BW1以外其它RF信號不允許通過。
[0205] 圖4E示出了在具有的結構(400b，圖4B)的TFBAR整個按距離X變化的電場 ξ(χ)的示意圖。施021山道2結構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)和無摻雜第二本征壓電層（ID。當具有第一偏壓值的第一直流電壓 VDCla被施加，電場分布由實曲線給出。當具有第二偏壓值的第二直流電壓VDClb被施加，電場 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耗盡區厚度增加了 AWl和第三壓電層(D2)耗盡區厚度增加了 AW'r，以使第一合并壓 電活性層厚度增加了W2-WF △ WL+ △ WR= △ W。耗盡區厚度的變化△ W是由于在第一直流電壓 的變化Δ Vdq和調諧靈敏度的變化可以通過Δ W/ Δ Vdq來表示。
[0206]應當指出的是，調諧靈敏度△ 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結構的TFBAR整個電場ξ(χ)隨距離X的變化而變化的 示意圖。MDIDM結構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)和無摻雜第二壓電層（ID。當具有第一偏壓值的第一直流電壓V'DCla被施加，電 場分布由實曲線給出。當具有第二偏壓值的第二直流電壓V' DClb被施加，電場分布由虛線給 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 區厚度增加了 A W'L和第三壓電層(D2)耗盡區厚度增加了 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'。耗盡區厚度的變化八1'是由于第一直流電壓的變 化Δ V ' dci和調諧靈敏度的變化可以通過Δ W7 Δ V ' dci來表示。Δ W 7 Δ V ' dci明顯比圖4E的Δ W/AVDC1大，其中的第一半導體壓電層與所述第三半導體壓電層的摻雜濃度都很高。因此， 很顯然的是，調諧靈敏度與在摻雜壓電層的摻雜濃度有關。
[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諧振器和自動測量系統 的被修改的巴特沃思-范戴克電路"（2000年的IEEE超聲波研討會第863-868頁）。其中，Co是 通過壓電層厚度定義的靜態板電容器，L m，Cm，Rm，分別是動態電感，電容和電阻，2^是輸入阻 抗。串聯諧振頻率為fWi/^Ki/uCm] 1/2和并聯諧振頻率fWi/^Hi/amCda+cVc。)]1/2 (k2eff ) = (V2)2[(fP-fs)/fP]。當幾個諧振器連接成梯形濾波器，發射頻率的頻帶和帶寬是 由并聯諧振器的串聯諧振頻率fsjP串聯諧振器的并聯諧振頻率f PS確定。根據本發明一個 可調FBAR或TFBAR，靜態電容0)，動態元件1^，(^和心可由第一直流偏壓來調諧和調節。在階 梯或網格濾波器的設計中，對于調整帶寬的給定的第一直流偏壓值，并聯諧振器的尺寸選 擇與串聯諧振器的稍有不同。當第一直流電壓變化，第一合并壓電活性層厚度 Wl，W2(圖4E)， 或250IT(圖2A)或250T't(圖2B)或250T' 't(圖2C)會增加或減少，導致靜態電容C〇,動態元 件Lm，C4PRm的值的變化。因此，并聯諧振器的串聯諧振頻率f sp和串聯諧振器的并聯諧振頻 率fPS被調整為新的值。這導致使用TFBAR構造的濾波器的傳輸頻率被調諧和調整。此外，當 第一直流電壓施加時，第一壓電層中立區的形成導致了上電極負載效應，這是諧振頻率變 化的第二分量。
[0208]圖4H是根據本發明含有摻雜壓電半導體層的TFBAR的等效電路，其中的靜態電容 靜態電容G)，動態元件Lm，Cm和Rm的值由第一直流偏壓VDC調諧和調整。當第一直流電壓變化， 壓電層耗盡區厚度變化。這導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)會增加或減少，導致靜態電容C〇,動態元件Lm，Cm和1的值 的變化。因為合并的第一壓電活性層負責的電能和機械能或聲波之間的相互作用，在靜態 電容Co，動態元件Lm，Cm和Rm值會相應的變化。因此，并聯諧振器的串聯諧振頻率fsp和串聯 諧振器的并聯諧振頻率fPS被調整為新的值。這導致使用TFBAR構造的濾波器的傳輸頻率被 調諧和調整。此外，當第一直流電壓施加時，第一壓電層中立區的形成導致了上電極負載效 應，這是諧振頻率變化的第二分量。
[0209]可調TFBAR微波濾波器電路： 根據本發明的實施方式，多個可調的諧振器TFBARs連接，并通過可調直流偏壓來實現 調諧或調節諧振頻率，用于形成微波通信應用的薄膜體聲波諧振濾波器TFBAR。
[0210]圖5A是含有兩個可調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350T連接的第一串聯諧振器340和第二并聯諧振器 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340 ST連接。當具有電壓值V1S的第 一直流電壓源VDC1在第一電源點340ST和公共點330之間施加，第一直流電壓V 1S通過第一隔 離電感器340L施加到第一串聯諧振器340和第二并聯諧振器350,以建立所述第一串聯諧振 器340和第二并聯諧振器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310的RF信號360的傳輸，使在中心頻率fol 及附近的微波信號以及帶寬BW1內微波信號被允許通過第一諧振器340,并傳播到達到RF輸 出接點3 20。根據本發明，微波傳輸的中心頻率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是顯示了兩個連接的可調TFBAR諧振器(340,350)，以形成根據本發明的微波 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350T連接的第一串聯 諧振器340和第二并聯諧振器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340ST連接的第一直流電壓源V DC1和在第二源點350ST連接的第二直流電壓源VDC2。根據本 發明，微波濾波器電路(500b)采用該兩個電壓源以維持第一串聯諧振器和第二并聯諧振器 的偏壓。
[0213]當具有第一電壓值V1S的第一直流電壓VDC1施加在第一電源點340ST和公共接地點 330之間，所述第一直流電壓V1S通過第一隔離電感器340L施加在第一串聯諧振器340和第二 并聯諧振器350,來建立所述第一串聯諧振器340和第二并聯諧振器350的偏壓。當具有第二 電壓值V 1P的第二直流電壓源VDC2施加在第二電源點350ST和公共接地點330之間，所述第二 直流電壓V 2S通過第二隔離電感器350L施加在第二并聯諧振器350，以建立所述第二并聯諧 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310的RF信號360的傳輸，使在中心頻率匕丄及 附近的微波信號以及帶寬BW1內微波信號被允許通過第一諧振器340,并傳播到達到RF輸出 接點320。根據本發明，微波傳輸的中心頻率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。通過改變第一直流電壓值V1S和所述第二直流電壓值￥^，第一串聯諧振 器340和第二并聯諧振器350上的偏壓可被控制為不同的值。
[0215] 圖5C示出了根據本發明一個3?級梯形濾波器(500c)示意圖。這個3?級梯形濾波器 (500c)包括第一串聯諧振器(340-1，340-2，340-3);第二并聯諧振器(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350ST連接。所述第一直流電壓 Vdq可以為三個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也可以是單個直流電壓源VDC1具有V1S或V2S或V 3S的某個電壓值。在3V2級 梯形濾波器(500c)中，每對串聯諧振器和并聯諧振器在第一接點（340-1Τ，340-2Τ，340-3Τ) 連接，第二并聯諧振器(350-1)在第二接點（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￥^通過第一隔離電 感器（340-1L，340-2L，340-3L)，施加到第一串聯諧振器（340-1，340-2，340-3)和第二并聯 諧振器(350-2，350-3，350-4)，以建立第一串聯諧振器(340-1，340-2，340-3)和第二偏置并 聯諧振器(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通過第 二隔離電感器（350-1L)施加到第二并聯諧振器（350-1)，以建立偏壓至第二并聯諧振器 (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310的RF信號360的傳 輸，使在中心頻率fca及附近的微波信號以及帶寬BW1內微波信號被允許通過第一諧振器 (340-1，340-2，340-3)，并傳播到達到RF輸出接點320。根據本發明，微波傳輸的中心頻率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。每個第二并聯諧振器和接地 (公用）之間可加入附加的電感器。
[0217] 圖f5D是級階梯濾波器的示意圖。該分級階梯濾波器(500d)包括： 第一串聯諧振器（340-1，340-2，340-3);第二并聯諧振器（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] 在該分級階梯濾波器(500d)，每對串聯諧振器和并聯諧振器在第一接點（340-1T， 340-2T，340-3T)連接，第二并聯諧振器（350-1)在第二接點（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￥^通過第一隔離電感器(340-11^， 340-2L，340-3L)施加在第一串聯諧振器(340-1，340-2，340-3 )和第二并聯諧振器（350-2， 350-3,350-4)，以建立第一串聯諧振器（340-1，340-2,340-3)和第二并聯諧振器（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通過第二隔離電 感器（350-1L，350-2L，350-3L，350-4L)施加到所述第二并聯諧振器（350-1，350-2，350-3， 350-4)，以建立每個并聯諧振器(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310的RF信號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內的信號被允許傳播通過第一串聯諧振器(340-l，340-2,340-3)，達到RF輸出接點320。根據本發明，通過調整所述第一直流電壓源V DC1和第二直流電壓源 VDC2的值，微波傳輸的中心頻率匕:的被選擇或控制。每個第二并聯諧振器和接地(公用)之間 可加入附加的電感器。
【主權項】
1. 一種用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波諧 振器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區域厚度的聲波隔離區； -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電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導體； -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厚度的第一壓電層耗盡區和具有 第一壓電層中立區厚度的第一壓電層中立區，第一壓電層耗盡區形成了第一壓電活性層， 其厚度可通過施加在所述上、下電極之間的第一直流電壓來控制和調整，以影響施加在上 電極和下電極之間的RF電信號與機械振動之間的相互作用，從而激勵聲波來達到控制、選 擇和調整所述TFBAR的諧振頻率的目的。2. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區是具有多個交替的高阻抗層和 低阻抗層組成薄膜反射層堆疊，每層厚度是四分之一波長λ/4，λ為聲波在各反射層中的波 長，以盡量減少聲波進入基片的能量損失。3. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區是具有聲波隔離區厚度的空氣 隙，以盡量減少聲波進入基片所產生的能量損失。4. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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 擇以實現溫度補償，從而減少工作時諧振頻率不必要的偏移。5. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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的厚度，因此控制了所述諧振頻率的靈敏度。6. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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，藍寶石，只要具有足夠高的電阻率和熱導率，以及平坦的表面。8. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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 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整，從而實現TFBAR諧振頻率的控制和調整。9. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調 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整，從而實現TFBAR諧振頻率的控制和調整。10. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括對所述第一壓電層厚度和第一壓電層中立 區厚度的控制，以控制所述第一壓電層中立區所引起的負載效應，從而進一步通過第一直 流電壓來控制和調整所述諧振頻率。11. 如權利要求1所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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，以控制和調整由于下電極和上電極的存在而產生的負載效應。12. -種用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可調薄膜體聲波諧 振器TFBAR，其特征是包括了： -至少一個具有基片厚度的基片； -具有聲波隔離區域厚度的聲波隔離區； -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電類型 和摻雜到第一摻雜濃度的壓電半導體，所述第一壓電層包含了具有第一壓電耗盡區厚度的 第一壓電層耗盡區，以及具有第一壓電中立區厚度的第一壓電層中立區； -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電類型和摻雜到 第三摻雜濃度的壓電半導體，所述第三導電類型與所述第一導電類型相反，其中，所述第三 壓電層包含了具有第三壓電耗盡區厚度的第三壓電層耗盡區和具有第三壓電中立區厚度 的第三壓電層中立區； -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和所述第三壓電層耗盡區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施加在所述上、下電極之 間的第一直流電壓來控制和調整，以影響施加在上電極和下電極之間的RF電信號與機械振 動之間的相互作用，從而激勵聲波來達到控制、選擇和調整所述TFBAR的諧振頻率的目的。13. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:還包括本征和非導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，所述第二壓 電層和所述第三壓電層耗盡區形成一個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，以實現TFBAR的諧振頻率的控制和調節。14. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區是具有多個交替的高阻抗層 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，即λ/4，λ為聲波在各反射層中 的波長，以盡量減少聲波進入基片的能量損失。15. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述聲波隔離區是具有聲波隔離區厚度的空 氣隙，以盡量減少聲波進入基片產生的能量損耗。16. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:其中所述第一壓電層的第一摻雜濃度優選范圍是 10 14cnf3到1022cnf3，更優選范圍是10 13cnf3到102Qcnf3，其中所述第三壓電層的第三摻雜濃 度優選范圍是l〇 14cnf3到1022cnf3,更優選范圍是l〇 13cnf3到ΙΟ'πΓ3,以控制和調節所述第 一直流電壓的靈敏度來控制和調節第一壓電層耗盡區厚度和第三壓電層耗盡區厚度，因此 可以控制和調節所述TFBAR諧振頻率的靈敏度。17. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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 來實現溫度補償，以在工作時減少不期望的諧振頻率偏移。18. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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的壓電材料。20. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器TFBAR，其特征在于:所述基片的材料選自材料組:Si，GaAs，玻璃，藍寶 石，AlN，Al 2〇3,只要它們具有足夠高的電阻率和熱導率，以及平坦的表面。21. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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整負載效應。22. 如權利要求12所述的用于形成微波應用中可調微波聲學濾波器和可調振蕩器的可 調薄膜體聲波諧振器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 之間以控制所述第二合并壓電活性層的厚度，因此實現了 TFBAR的諧振頻率的控制和調節。23. -種可調的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是包括了： 至少一個第一串聯可調諧振器； 至少一個第二并聯可調諧振器，各對在第一接點連接； 至少一個第一耦合電容和至少一個第二耦合電容，用于阻斷直流電壓； 至少一個第一隔離電感器，用于阻止RF信號； 至少一個具有電壓值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組 合的所述第一串聯諧振器和第二并聯諧振器上，以建立所述第一串聯諧振器和第二并聯諧 振器的偏壓，從而控制和調整諧振中心頻率以及施加到第一射頻輸入接點的RF信號的傳 輸，從而使在所述諧振中心頻率及附近的微波信號被允許傳播通過第一諧振器，以達到RF 輸出接點，使得通過所述第一直流電壓源的電壓可以選擇和控制所述可調微波體聲波濾波 器的微波傳輸的中心頻率。24.如權利要求23所述的可調的微波薄膜體聲波濾波器，其特征是還包括： 至少一個第二隔離電感器，以隔離RF信號； 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被調節，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期望值。
【文檔編號】H03H9/54GK106026964SQ201610361145
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月29日
【發明人】邱星星, 石以瑄, 邱樹農, 石恩地, 邱書涯, 石宇琦, 韓露
【申請人】邱星星, 石以瑄, 邱樹農, 石恩地, 邱書涯, 石宇琦, 韓露