DE102004035812A1

DE102004035812A1 - Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator

Info

Publication number: DE102004035812A1
Application number: DE102004035812A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-03-16
Also published as: JP2008507869A; US7719388B2; WO2006010399A1; US20080258845A1

Abstract

Für einen auf einem Substrat aufgebauten, mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator, der über einem akustischen Spiegel angeordnet ist, wird vorgeschlagen, den Grundmodus der im Resonator erzeugbaren akustischen Volumenwelle zu unterdrücken. Durch Anpassen des akustischen Spiegels gelingt es, parallel dazu eine höhere Schwingungsmode anzuregen und für den Resonator zu nutzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator (oder FBAR, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator), auch BAW-Resonator (Bulk Acoustic Wave Resonator) genannt.

Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator weist eine piezoelektrische Schicht auf, die zwischen zwei Metallschichten (Elektroden) angeordnet ist. Anstelle nur einer piezoelektrischen Schicht kann auch eine Schichtenfolge benutzt werden. Die Schichten werden auf einem Substrat aufeinanderfolgend abgeschieden und zu Resonatoren strukturiert, welche miteinander elektrisch verbunden sind und zusammen z. B. eine Filterschaltung realisieren können. Die durch die Elektroden bzw. deren Überlappungsfläche definierte Resonatorfläche wird auch aktiver Bereich genannt. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht eines BAW-Resonators, dessen Resonanzfrequenz im Frequenzbereich zwischen 0,1 bis 10 GHz liegen kann, beträgt meistens etwa 0,1 bis 10 Mikrometer.

Beim Anlegen des elektrischen Feldes an die Elektroden des BAW-Resonators, senkrecht zur Schichtanordnung werden in der piezoelektrischen Schicht des BAW-Resonators durch Auslenkung der Atome in Feldrichtung mechanische Spannungen (Dehnung oder Stauchung des Materials) ausgelöst. Die Auslenkung der Atome erfolgt (bei einer senkrecht auf der piezoelektrischen Schicht stehenden c-Achse) hauptsächlich in senkrechter Richtung.

Ein BAW-Resonator kann mit einem akustischen Spiegel versehen werden, der vorzugsweise zwischen einem Trägersubstrat und dem BAW-Resonator angeordnet ist. Der akustische Spiegel besteht aus alternierenden Schichten mit jeweils einer hohen und einer niedrigen akustischen Impedanz, deren Schichtdicken jeweils ungefähr eine Viertelwellenlänge der akustischen Hauptmode (bezogen auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle im jeweiligen Material) betragen. Der akustische Spiegel stellt daher eine bzw. mehrere Grenzflächen bereit, welche bei Resonanzfrequenz die akustische Welle zurück in den Resonator reflektieren und das Austreten der Welle in Richtung des Trägersubstrates verhindern.

Die Dicke der piezoelektrischen Schicht bestimmt die Grenzfrequenz des BAW-Resonators. Die Grenzfrequenz ist die Resonanzfrequenz der Hauptmode, welche die erste Harmonische der vertikalen longitudinalen akustischen Volumenwelle ist. Die Durchlaufzeit der Hauptmode (erste Harmonische der vertikalen longitudinalen Welle) in der piezoelektrischen Schicht der Dicke d beträgt 2d/v_L (v_L = Ausbreitungsgeschwindigkeit der longitudinalen akustischen Welle). Die Frequenz der Hauptmode ist dann f_L1 ≈ v_L/2d.

FBAR-Resonatoren können zur Herstellung von Bandpass-Hochfrequenzfiltern eingesetzt werden und z. B. in Endgeräten der mobilen Kommunikation verwendet werden. Auch als frequenzbestimmendes Element in Oszillatoren und für Sensoren finden diese Resonatoren Verwendung.

FBAR-Filter finden zunehmend in Applikationen Anwendung, bei denen die Verwendung von Oberflächenwellenfiltern (SAW-Filtern) aufgrund von technischen Limitierungen bei der Fertigung nicht möglich ist. Während bei SAW-Filtern die Filter struktur durch eine zweidimensionale Lithographie erzeugt werden muss, ist bei FBAR-Filtern allein die Schichtdicke der eingesetzten Schichten frequenzbestimmend. Diese kann wesentlich genauer und einfacher kontrolliert erden als eine 2-D-Strukturuierung. Während bei SAW-Filtern eine technologisch machbare Obergrenze derzeit bei ca. 5 GHz liegt, wird für die FBAR-Technologie momentan eine Obergrenze bei ca. 10 GHz gesehen. Es existieren jedoch Filteranwendungen zwischen 10 und 12 GHz, beispielsweise bei Satellitenempfängern. Dieser Frequenzbereich wird momentan von Filtern auf der Basis der DRO-Technik abgedeckt, die dielektrische Resonatoren einsetzt. Nachteilig an dieser Technik ist, dass sie hohe Kosten verursacht.

Es sind zwar bereits FBAR-Filter und Resonatoren für den Bereich über 10 GHz bekannt geworden, doch sind diese aufgrund der aufwändigen Technologie nicht für die Massenfertigung geeignet und befinden sich nach wie vor im Laborstadium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator anzugeben, der kostengünstig herzustellen ist und der auch für hohe Frequenzen bis über 10 GHz einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Resonator mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Grundlegende Idee der Erfindung ist es, den Grundmodus eines FBAR-Resonators zu unterdrücken und vorzugsweise eine höhere Mode anzuregen und für den Resonator zu nutzen.

Höhere Schwingungsmoden bei FBAR-Resonatoren sind zwar bekannt, wurden bislang jedoch ausschließlich als störend angesehen. Es war daher allgemein das Bestreben, störende höhere Moden so gut wie möglich zu unterdrücken, um die gesamte akustische Energie des Resonators in der Grundmode zu halten. Demgegenüber wird mit der Erfindung ein Resonator angegeben, der die Grundmode der im Resonator erzeugbaren akustischen Volumenwelle unterdrückt. Damit wird ein Resonator erhalten, der bei gegebener Dicke der piezoelektrischen Schicht, die für die Bestimmung der Resonanzfrequenz im Grundmodus maßgeblich ist, eine Resonanzfrequenz aufweist, die bei einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz der Grundmode liegt. Die Frequenzlagen der höheren Moden ergeben sich dabei nicht als ganzzahlige Vielfache des Grundmodus, sondern liegen auch bei ungeradzahligen Faktoren, beispielsweise 1,6, 2,4, 3,15 usw.. Die höheren Frequenzen werden erhalten, ohne die technologische Probleme in Kauf nehmen zu müssen, die ansonsten mit einer weiteren Verringerung der mithin frequenzbestimmenden Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht einher gehen. Erfindungsgemäße Resonatoren sind außerdem im Gegensatz zu bekannten Höchstfrequenzresonatoren in der Herstellung technologisch sicherer beherrschbar.

Ein erfindungsgemäßer Resonator weist über einem Substrat einen Schichtaufbau auf, der einen akustischen Spiegel, eine erste Elektrode, eine piezoelektrische Schicht und eine zweite Elektrode umfasst. Der Grundmodus kann in einem solchen Resonator beispielsweise dadurch unterdrückt werden, dass der akustische Spiegel variiert wird. Dieser umfasst eine Folge von Spiegelschichten mit unterschiedlicher akustischer Impedanz, die die nötigen Grenzflächen zur Reflexion der akustischen Welle zur Verfügung stellen. In Abhängigkeit von der Schichtdicke der Spiegelschichten ergibt sich bei konstrukti ver Überlagerung der reflektierten akustischen Wellen ein Stoppband, bei dem der Spiegel eine maximale Reflexion zeigt.

Erfindungsgemäß wird dieses Stoppband nun so eingestellt, dass die Reflektivität des akustischen Spiegels bei der Frequenz der Grundmode minimal, bei der Frequenz einer höheren harmonischen Mode dagegen maximal ist. Bezeichnet man die Grundmode als erste harmonische Schwingung, so können erfindungsgemäß höhere Moden angeregt werden, beispielsweise die dritte, fünfte und siebte harmonische Schwingung (alle Schwingungsmoden mit Modenzahl N > 2). Da die Anregung einer höheren Mode in einem Resonator mit einer Modenzahl N ≥ 5 nur noch sehr schwach ausgeprägt ist, sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um noch höhere Moden zu unterdrücken. Bei Unterdrückung der Grundmode wird daher überwiegend die dritte harmonische Mode angeregt.

Um den Grundmodus effektiv zu unterdrücken, wird bei einem erfindungsgemäßen Resonator der Spiegel so modelliert, dass das Stoppband des Spiegels, oberhalb der Frequenz der Grundmode liegt. Dies gelingt in einfacher Weise durch Reduzierung der Schichtdicken der einzelnen Spiegelschichten. Dabei ist zu beachten, dass die Schichtdickenreduktion der Spiegelschichten nicht in dem Ausmaß erfolgen kann, wie das Stoppband des akustischen Spiegels in Richtung Resonanzfrequenz der höheren Mode verschoben werden soll. Dies hängt damit zusammen, dass durch Schichtdickenänderungen das gesamte System des Resonatoraufbaus gestört wird und zusätzlicher weiterer Anpassungen bedarf. Diese können beispielsweise darin bestehen, auch die Dicke der Elektrodenschichten zu variieren. Als Faustregel gilt dabei nach wie vor, dass ein akustischer Spiegel bei einer gegebenen Wellenlänge λ eine maximale Reflexion hat, wenn die Dicke der Spiegelschichten jeweils un gefähr λ/4 beträgt. Mit einem dermaßen eingestellten Spiegel ist es möglich, in einem Fenster oberhalb der Resonanzfrequenz der Grundmode eine maximale Reflexion zu erhalten. Das Fenster ist breit genug, dass eine höhere Mode sicher getroffen und durch die erfindungsgemäß angepassten Spiegelschichten auch angeregt wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der akustische Spiegel des Resonators so angepasst, dass zwei Resonanzen annähernd gleich stark angeregt werden bzw. dass der Resonator gleichzeitig in zwei Moden schwingen kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise die Dicke einer Elektrodenschicht eines herkömmlichen, im Wesentlichen in der Grundmode schwingenden Resonators um einen Faktor n > 2 erhöht wird. Diese Maßnahme ist ausreichend, eine zweite Mode so zu bevorzugen, dass sie neben der Grundmode gleichberechtigt angeregt wird.

Wenn die Frequenz der höheren Mode kein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Grundmode ist, kann ein solcher mit zwei Resonanzfrequenzen schwingender Resonator vorteilhaft für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Durch den nicht-ganzzahligen Unterschied ist es möglich, die beiden Resonanzfrequenzen des Resonators eindeutig von eventuellen Oberwellen und anderen technischen Artefakten des Grundmodus zu unterscheiden. Ein Resonator mit zwei Resonanzfrequenzen kann beispielsweise in einer Sensoranwendung eingesetzt werden, bei der ein äußerer Parameter so auf den Resonator einwirkt, dass eine der beiden Resonanzen bevorzugt bzw. unterdrückt wird. Durch einfachen Vergleich der Resonanzstärke der beiden Resonanzen wird dann ein Messwert des Sensors ermittelt, der dem äußeren Parameter zugeordnet werden kann.

Mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gelingt es, das Anschwingen des Resonators zu erleichtern. Durch eine äußere Verschaltung des erfindungsgemäßen Resonators mit seriellen Induktivitäten gelingt es, den Abstand zwischen der Polstelle und der Nullstelle des Resonators zu vergrößern. Der Effekt wirkt auf alle anregbaren Schwingungsmoden gleichermaßen, wobei erfindungsgemäß der Grundmodus unterdrückt ist, sodass der mit einer Serieninduktivität verschaltete erfindungsgemäße Resonator eine verbesserte Schwingung in der höheren Mode zeigt. Dies lässt sich in einfacher Weise am Verlauf der Phase erkennen, die bei einem mit einer Serieninduktivität verschalteten Resonator einen wesentlich verbesserten Phasenverlauf zeigt, der annähernd der maximalen Phasenänderung von 180° am Resonanzpunkt entspricht. Dies ist insbesondere bei erfindungsgemäßen Resonatoren vorteilhaft, da die Güte der höheren Mode notgedrungen niedriger ist und der Resonator daher in der höheren Mode schlechter schwingt. Mit der Serienverschaltung einer Induktivität wird dies verbessert.

Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, wenn als Material für die piezoelektrische Schicht ein PZT-Material (Blei-Zirkonat-Titanat) verwendet wird. Dieser hier materialspezifische Effekt kann zusätzlich durch eine serielle Verschaltung des Resonators mit einem passiven Netzwerk und insbesondere mit einer seriellen Induktivität verstärkt werden. Jede der beiden Maßnahmen verbessert die Anregung der höheren Mode und erhöht damit deren Güte.

Ein erfindungsgemäßer Resonator lässt sich auch als Stapelresonator oder CRF-Anordnung (Coupled-Resonator-Filter) oder als SCF (Stacked Crystal Filter) verwirklichen. Dabei wird über einem herkömmlichen Resonator ein weiterer Resonator un ter Dazwischenschalten eines Koppelschichtsystems aufgebaut. Über der zweiten Elektrode des ersten Resonator wird daher ein Koppelschichtsystem und darüber eine dritte Elektrode, eine zweite piezoelektrische Schicht und eine vierte Elektrode vorgesehen.

Das Koppelschichtsystem dient zur Einstellung einer akustischen Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten in Stapeln übereinander angeordneten Resonator. Das Koppelschichtsystem kann eine Abfolge unterschiedlicher Schichten umfassen, beispielsweise eine Folge aus Schichten von alternierend höherer und niedriger akustischer Impedanz. Möglich ist es jedoch auch, ein Koppelschichtsystem als einheitliche Schicht niedriger Impedanz auszubilden, beispielsweise in Form einer relativ dünnen BCB-Schicht (Benzo-Cyclo-Buten). Einschichtige „Koppelschichtsysteme" lassen sich auch mit anderen Niederimpedanzmaterialien verwirklichen, die ebenfalls aus organischen Material ausgewählt sein können.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Aus den Figuren lassen sich weder absolute noch relative Maßangaben entnehmen. Gleiche oder gleichwertige Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1A zeigt einen bekannten Resonator im schematischen Querschnitt,
1B zeigt eine mögliche Verschaltung, mit der der Resonator zwischen einem ersten und einem zweiten Port P1, P2 betrieben werden kann,
2 zeigt den Verlauf der Admittanz des bekannten Resonators,
3 zeigt den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen Resonators,
4 zeigt den Verlauf der Admittanz des erfindungsgemäßen Resonators,
5 zeigt das Reflexionsspektrum eines akustischen Spiegels gemäß der Erfindung,
6 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Resonator im schematischen Querschnitt,
7 zeigt den Verlauf der Admittanz für diesen Resonator,
8 zeigt eine mögliche Verschaltung eines Resonators,
9 zeigt die Auswirkung einer seriellen Induktivität auf den Verlauf der Phase,
10 zeigt den Verlauf der Admittanz und der Phase für ein drittes Ausführungsbeispiel.
11 zeigt den Schichtaufbau eines CRF-Filters.
1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch den Schichtaufbau einen bekannten Resonator vom SMR-Typ (Spiegeltyp, Solidly Mounted Resonator) sowie eine mögliche Verschaltung des Resonators beim Betrieb. Als Substrat S wird hier beispielsweise Silizium verwendet. Der akustische Spie gel umfasst hier über einer Oxidschicht OS vier Schichten, wobei hier als Niederimpedanzschichten ZL SiO₂-Schichten und als Hochimpedanzschichten ZH Wolframschichten eingesetzt sind. Die erste Elektrode E1 ist aus Aluminium, die piezoelektrische Schicht PS beispielsweise aus Aluminiumnitrid und die zweite Elektrode E2 aus Molybdän.
1B zeigt eine mögliche Verschaltung, in der der Resonator zwischen einem ersten und einem zweiten Port P1, P2 betrieben werden kann. Der jeweils zweite Anschluss jeden Ports P ist mit Masse verbunden.
2 zeigt den Grundmodus dieses Resonators anhand seiner Admittanzkurve A, der in einer Verschaltung wie in 1B bestimmt wurde, wobei der Resonator gegen Luft schwingt. Der Verlauf der Admittanz A über die Frequenz lässt die Resonanzfrequenz an der Nullstelle der Kurve bei ca. 2000 MHz erkennen. Bei ca. 2045 MHz liegt eine Polstelle, die der Antiresonanzfrequenz und damit dem Ort einer maximalen Admittanz entspricht. Die beiden dargestellten Kurven sind für Resonatoren mit unterschiedlichen Grundflächen bestimmt, wobei einmal die Resonanz und einmal die Antiresonanz schärfer ausgeprägt ist.
2B zeigt die gleiche Darstellung im gröberen Maßstab. Neben der starken Resonanz bei 2 GHz sind in der Admittanzkurve A minimal ausgeprägte, aber noch sichtbare höhere Moden erkennbar, auf die in der Figur mit Pfeilen verwiesen ist und die hier bei ca. 3,2 GHz, 4,8 GHz und 6,3 GHz liegen. Die bei 3 GHz liegende Resonatormode kann als Spiegelmode identifiziert werden, die aufgrund eines Resonanzeffekts des Spiegels auftritt. Es zeigt sich, dass die höheren Moden signifikant unterdrückt sind und in einem Zahlenverhältnis zur Frequenz der Grundmode von 1.00, 1.60, 2.40 bzw. 3.15 usw. stehen. Ein solcher bekannter Resonator ist daher ausschließlich zum Betrieb in der Grundmode geeignet und optimiert. Der akustische Spiegel des Resonators ist so eingestellt, dass er bei der Resonanzfrequenz der Grundmode eine maximale Reflexion zeigt.
3 zeigt den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels anhand eines schematischen Querschnitts. Der erfindungsgemäße Resonator weist die gleiche Anzahl von Schichten auf, die lediglich bezüglich der Schichtdicke variiert sind. Zusätzlich ist zur besseren Anpassung die zweite Elektrode E2 aus Aluminium ausgeführt und in der Schichtdicke reduziert. Würde man für dieses System den akustischen Spiegel aus dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 wählen, so würde der Resonator in seinem Grundmodus bei einer Frequenz von ca. 2 GHz schwingen. Erfindungsgemäß sind nun sämtliche Spiegelschichten bezüglich ihrer Dicke durch den Faktor 4 dividiert. Damit wird eine höhere, bei ca. 6,1 GHz liegende Schwingungsmode bevorzugt, während gleichzeitig der Grundmodus bei ca. 2 GHz gut unterdrückt wird. Das Ausführungsbeispiel ist auf einem Substrat S aus Silizium und einer ersten Oxidschicht OS angeordnet. Darüber sind wieder alternierend Hochimpedanzschichten ZH und Niederimpedanzschichten ZL angeordnet.
4 zeigt den Verlauf von Impedanz A (4A) und Phase P (4B) dieses erfindungsgemäßen Resonators. Es ist zu erkennen, dass der Resonator nun eine ausgeprägte Schwingung bei ca. 6,1 GHz aufweist, deren Phasenverhalten gemäß 4B eine gute Phasenvariation von nicht ganz 180° zeigt. Da bei der Resonanzfrequenz des Grundmodus nur eine geringe Phasenvariation beobachtet wird, macht die Figur deutlich, dass der erfindungsgemäße Resonator überwiegend in seiner höheren Mode, hier der dritten harmonischen Mode, schwingt. Damit ist gezeigt, dass bereits mit einem nicht optimierten Ausführungsbeispiel gezielt höhere Moden angeregt und die Grundmode fast vollständig unterdrückt werden kann.
Wesentlich für das Funktionieren der Erfindung ist die Variation des Spiegels. 5 zeigt das Reflexionsverhalten R_N des im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellten Spiegels, bei dem alle Spiegelschichten gegenüber einem auf die Grundmode abgestimmten akustischen Spiegel um den Faktor 4,1 reduziert sind. Aufgetragen ist die relative Reflektivität des Spiegels gegen die Frequenz. Zum Vergleich ist demgegenüber das Reflexionsverhalten RA des entsprechenden bekannten, auf die Grundmode abgestimmten akustischen Spiegels dargestellt, der ansonsten den gleichen Aufbau aufweist.
Ein optimaler erfindungsgemäßer Spiegel sollte bei der Frequenz der Grundmode bei etwa 2 GHz eine Nullstelle aufweisen, bei der die Grundmode maximal gedämpft wird, damit der Spiegel an dieser Stelle für die Welle durchlässig ist. Der in der 5 durch sein Reflexionsverhalten R_N dargestellte auf Grund von noch vorhandenen Spiegelverzerrungen noch nicht optimierte Spiegel zeigt bei der Frequenz der Grundmode bei etwa 2 GHz eine zwar gedämpfte aber nicht ganz verschwundene Reflektivität. Für höhere Frequenzen allerdings fungiert bereits dieser nicht optimierte Spiegel als nahezu ideal reflektierendes Element. Daher sind alle höheren Moden prinzipiell ausbreitungsfähig. Für den Bereich um 6 GHz besitzt der Spiegel den maximalen Wert der Reflexion von 1,0, sodass hier eine maximale Anregung der dort angesiedelten dritten harmonischen Mode gewährleistet ist. In Verbindung mit 4 wird auch klar, dass das Spiegelspektrum die Anregung höherer Moden erlauben würde, dies aber nicht erfolgt, sodass zur Unterdrückung noch höherer Moden keine weiteren Maßnahmen an einem erfindungsgemäßen Resonatoraufbau vorgenommen werden müssen.
Allgemein ist festzustellen, dass die genaue Lage der Reflexionszentren, also die Orte, an denen ein Spiegel optimal reflektiert, auch noch von der Dicke der Elektroden E abhängig ist. Dies führt dazu, dass ausgehend von einem bekannten, bei einer gegebenen Grundmode reflektierenden Spiegel ein bei einer höheren Mode optimal reflektierender Spiegel in der Regel nicht ausschließlich durch eine Reduzierung der Spiegelschichten in dem Verhältnis der jeweiligen Frequenzen zueinander vorgenommen werden kann. Vielmehr sind weitere Faktoren zu berücksichtigen, die nicht einfach darstellbar sind. Es ist aber prinzipiell jederzeit möglich, das Stoppband des Spiegels oberhalb der Grundmode anzuordnen, wobei zumeist ein Reflexionsverhalten erhalten wird, welches den gewünschten Zweck, nämlich der Unterdrückung der Grundmode und die maximale Reflexion der höheren Mode, erfüllt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist anhand eines schematischen Querschnitts ein Schichtaufbau für einen Resonator, der bei zwei unterschiedlichen Frequenzen, also in zwei unterschiedlichen Moden, eine annähernd gleich starke Resonanz zeigt. Es wird wieder von einem Resonator ausgegangen, der ähnlich wie der in 1 abgebildete Resonator auf eine bei ca. 2 GHz liegende Grundmode optimiert ist. Durch Variation, insbesondere der Schichtdicke der ersten Elektrode E1, wird der hier dargestellte Aufbau erhalten. Gegenüber 1 ist hier die obere Elektrode E2 aus Aluminium ausgebildet und die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht etwas angepasst. Die Schichtdicken sind im Einzelnen: OS = 533 nm, ZH1 = 638 nm, ZL1 = 641 nm, ZH2 = 639 nm, ZL2 = 655 nm, E1 = 1000 nm, PS = 1885 nm und E2 = 150 nm.
7 zeigt das Resonanzverhalten dieses Resonators anhand der Impedanzkurve A (7A) und dem Phasenverlauf P (7B). Gut zu erkennen ist, dass neben einer ersten Mode bei ca. 1700 MHz auch die zweite Harmonische bei etwa 2750 MHz eine signifikante Anregung erfährt. Damit liegt ein Resonator vor, der in zwei Moden annähernd gleich stark schwingt.
8 zeigt eine Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Resonator R mit externen Schaltelementen zu verschalten. Dargestellt ist die serielle Verschaltung des Resonators mit zwei Serieninduktivitäten L1, L2. Dabei ist der Resonator als Zweitorresonator gegen Masse geschaltet. Mit Hilfe dieser externen Schaltelemente L1, L2 gelingt es, den Pol/Nullstellenabstand zu vergrößern.
9A und 9B zeigen dies anhand der entsprechenden Admittanzkurven bzw. anhand des Phasenverhaltens eines entsprechend verschalteten Resonators, wobei als Resonator der in 3 beschriebene Schichtaufbau verwendet wird. 9A zeigt die Durchlasskurve N des Ausführungsbeispiel gemäß 8, während die mit eingezeichnete Kurve A dem bereits beschriebenen Verhalten eines Resonators gemäß 3 ohne äußere Verschaltungselemente gegenübergestellt ist. Während die Polstelle nahezu unverändert bleibt, ändert sich die Nullstelle hin zu tieferen Frequenzen. Dies bewirkt eine Vergrößerung des Pol/Nullstellenabstands. Dieser höhere Abstand, der einer höheren Bandbreite aber gleichzeitig auch einer geringeren Güte entspricht, ermöglicht ein besseres Anschwingen des Resonators. Dies zeigt sich anhand der 9B, in der der Phasengang des erfindungsgemäßen Resonators dargestellt ist. Die Phasenänderung des extern beschalteten Resonators ist wesentlich stärker ausgeprägt als die eines nicht extern beschalteten Resonators, wie z.B. die eines Resonators gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3.
10A/10B zeigen das Durchlassverhalten A und den Phasengang P eines weiteren erfindungsgemäßen Resonators, bei dem die piezoelektrische Schicht aus PZT hergestellt ist. Dieses Material besitzt einen wesentlich größeren Pol/Nullstellenabstand als das in den bisherigen Ausführungsbeispielen eingesetzte Aluminiumnitrid, sodass auch die höheren Moden einen höheren Pol/Nullstellenabstand besitzen. Auch dieses Beispiel zeigt, was insbesondere am Phasengang gemäß 10B ablesbar ist, dass mit Hilfe von PZT ein gut ausgeprägter Phasenwechsel der höheren Mode erreicht werden kann.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel den Schichtaufbau eines als CRF-Filter (Coupled Resonator Filter) ausgebildeten Resonators, der im Wesentlichen aus zwei übereinander erzeugten Resonatoren R1, R2 besteht. Während der untere Resonator R1 wie bisher über einem akustischen Spiegel AS aus Spiegelschichten ZH, ZL mit alternierend relativ hoher und relativ niedriger akustischer Impedanz aufgebaut ist, ist darüber als Koppelschichtsystem KS eine alternierende Schichtenfolge aus SiO₂-Schichten KS1, KS3, KS5 und Aluminiumnitridschichten KS2, KS4 vorgesehen. Abschließend bzw. obenauf ist der zweite Resonator mit der dritten Elektrode E3, der zweiten piezoelektrischen Schicht PS2 und der vierten Elektrode E4 angeordnet. Während der akustische Spiegel entsprechend dem in den 3 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein kann, weisen in diesem Ausführungsbeispiel die übrigen Schichten folgende Schichtdicken auf:
E1 (Al, 174 nm) ; PS1 (AlN, 2541 nm), E2 (Al, 174 nm), KS1 (SiO₂, 800 nm), KS2 (AlN, 1531 nm), KS3 (SIO2, 408 nm); KS4 (AlN, 1531 nm), KS5 (SiO₂, 800 nm), E3 (Al, 174 nm), PS2 (AlN, 2541 nm), E4 (Al, 174 nm).
Während bisher einzelne Resonatoren betrachtet wurden, ist hier ein komplettes Filter durch die zwei übereinander angeordneten Resonatoren mit dem dazwischen angeordneten Koppelschichtsystem KS realisiert. Port 1 wird durch die beiden Anschlüsse 1 und 2, Port 2 dagegen durch die beiden Anschlüsse 3 und 4 gebildet, die jeweils an den Elektroden anliegen. Dieses Filter weist ein Passband auf, das der Resonanzfrequenz der höheren Mode entspricht. Bei der eigentlichen Grundmode des Filters, die durch die entsprechende Modifizierung des akustischen Spiegels unterdrückt ist, wird eine hohe Dämpfung erzielt. Eine weitere Variation dieses Resonatorfilters besteht darin, das Koppelschichtsystem KS durch eine einzelne Koppelschicht zu ersetzen, beispielsweise durch eine BCB-Schicht von 175 nm. Bei ansonsten gleichbleibenden Schichtdicken und Schichtmaterialien wird auch mit dieser Ausführung ein Filterverhalten erzielt, welches ein Passband im Bereich der höheren Mode aufweist.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegt es, Schichtdicken weiter zu variieren und zu optimieren, um eine optimale Unterdrückung der Grundmode zu erreichen. Entsprechende Schichtdickenanpassungen sind auch dann erforderlich, wenn Materialien von Spiegel-, Elektroden- und piezoelektrischer Schicht verändert werden. Da bei einem einmal optimierten System jede Veränderung das gesamte System stört, sind nach Veränderung einer einzelnen Schicht zumeist weitere Anpassungen im geringeren Umfang bei anderen Schichten erforderlich. Im Rahmen der Er findung liegt es auch, durch geeignete Schichtdickenreduzierung noch höhere Frequenzen anzuregen.
Da bekannte Resonatoren, die ausschließlich die Grundmode nutzen, Resonanzfrequenzen bis ca. 8 GHz ohne Probleme erreichen, kann mit erfindungsgemäßen Resonatoren, die höhere Moden anregen, die Grundmode aber unterdrücken, ohne Probleme ein zwischen 10 und 15 GHz arbeitender Resonator erhalten werden. Gelingt es darüber hinaus, die Schichtdicken ohne gleichzeitige Verschlechterung der Eigenschaften weiter zu reduzieren, so sind mit der Erfindung auch noch höhere Resonanzfrequenzen bzw. Resonatoren mit höheren Resonanzfrequenzen möglich. Mehrere solcher Resonatoren können dann zu einem Filter oder einem Duplexer verschaltet werden, die bei den entsprechenden hohen Frequenzen betrieben werden können.

Claims

Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator, aufweisend einen Schichtaufbau über einem Substrat (S) aus – einem akustischen Spiegel (AS) – einer ersten Elektrode (E1) – einer piezoelektrischen Schicht (PS1) – einer zweiten Elektrode (E2) bei dem die Grundmode der im Resonator erzeugbaren akustischen Volumenwelle unterdrückt ist.
Resonator nach Anspruch 1, bei dem der akustische Spiegel (AS) eine Kombination von Spiegelschichten (ZH, ZL) aufweist, deren Schichtdicken so eingestellt sind, dass bei der Frequenz der Grundmode die Reflektivität minimal, bei der Frequenz einer höheren Mode dagegen maximal ist.
Resonator nach Anspruch 2, bei dem die Dicke zumindest einer Spiegelschicht (ZH, ZL) gegenüber einem idealen Spiegel, der die Schwingung des Resonators im Grundmodus unterstützt, erniedrigt ist.
Resonator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Dicke zumindest einer Elektrodenschicht (E1, E2) gegenüber einem ausschließlich im Grundmodus schwingenden Resonators erhöht ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der mit einem passiven Netzwerk (L) verschaltet ist, das den Abstand zwischen der Polstelle und der Nullstelle des Resonators erhöht.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) ein PZT Material umfasst.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der bei mehr als einer Frequenz signifikant schwingt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem oberhalb der zweiten Elektrode (E1) eine Koppelschicht (KS) und darüber ein weiterer Resonator mit einer dritten Elektrode (E3), einer zweiten piezoelektrischen Schicht (PS) und einer vierten Elektrode (E4) angeordnet ist.
Resonator nach Anspruch 8, bei dem die Koppelschicht (KS) eine Schichtenfolge aus Spiegelschichten (ZH, ZL) mit alternieren hoher und niedriger akustischer Impedanz umfasst.
Resonator nach Anspruch 8, bei dem die Koppelschicht (KS) eine einheitliche Schicht niedriger akustischer Impedanz ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Stopband des Spiegels (AS), bei der dieser maximal reflektiert, bei einer Frequenz oberhalb des Grundmodus des Resonators gewählt wird.
Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der mit weiteren gleichartigen Resonatoren zu einem Filter verschaltet ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der mit weiteren gleichartigen Resonatoren zu einem Duplexer verschaltet ist.