本发明涉及谐振器技术领域，特别地是一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器与制备方法。
背景技术：
近年来，被广泛研究的兰姆波谐振器(lambwaveresonator，lwr)具有其特定的声学特征和谐振结构，日益成为较满意的中频器件，它是通过改变叉指电极的间距来实现频率的调节，从而实现同一个晶圆上多个频率滤波器的制备。
但是现有的兰姆波谐振器存在以下缺点：(1)现有的兰姆波谐振器的衬底层和压电层都是使用多晶材料制备的，而多晶材料制备而成的外表都比较粗糙，不够光滑，容易导致插入损耗大；(2)现有的兰姆波谐振器所采用的aln材料本身机电耦合系数较小，所以很容易导致兰姆波谐振器带宽窄，从而使得兰姆波谐振器的传输速度慢。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器与制备方法，解决了现有兰姆波谐振器存在的机电耦合系数较小、带宽较窄、插入损耗大的问题。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，包括单晶衬底层，所述衬底层设置有一凹槽，所述凹槽的台阶面上安装有键合材料，所述衬底层通过所述键合材料与压电层键合，所述压电层安装有叉指电极，所述叉指电极包括安装在所述压电层上表面的顶电极和安装在所述压电层底面的底电极，所述顶电极的正负极交替设置，所述底电极的正负极与所述顶电极的正负极相向设置，所述压电层为钪掺杂单晶氮化铝。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述压电层的厚度为500nm～5um。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述单晶钪掺杂氮化铝中钪的重量分数在0～50％。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述键合材料为ti/au、cr/au、氧化硅、多晶硅、单晶硅和聚酰亚胺中的一种或者多种。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述叉指电极为金属材料，所述金属材料包括pt、mo、w、ti、al、au和ag。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述叉指电极同一侧电极的电极间距为500nm～5um，电极宽度为500nm～3um，电极长度为48um～300um。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的进一步可选方案，所述顶电极的厚度为100nm～1000nm，所述底电极的厚度为100nm～1000nm。
一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1，对双抛高阻硅片进行清洗并旋转干燥；
步骤s2，在清洁干净的双抛高阻硅片表面沉积单晶氮化铝；
步骤s3，对单晶氮化铝进行掺杂钪，形成压电层；
步骤s4，在压电层上沉积金属电极并进行剥离，形成底电极；
步骤s5，利用剥离工艺在硅片表面沉积键合材料；
步骤s6，将另一块刻蚀硅腔的单抛硅片与步骤s5的硅片进行键合，形成键合物；
步骤s7，将步骤s6键合物中的沉积氮化铝的硅片进行减薄，并利用湿法腐蚀去掉剩余的硅片；
步骤s8，在氮化铝表面沉积顶部电极并进行图形化，完成制备。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器制备方法的进一步可选方案，所述步骤s2中沉积单晶氮化铝的方法为金属有机化学气相沉积法。
作为所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器制备方法的进一步可选方案，所述步骤s3采用离子注入或者扩散的方法对氮化铝进行掺杂。
本发明的有益效果：
本发明通过采用单晶材料作为衬底层和压电层，替换现有兰姆波谐振器所采用的多晶材料，能够使得制备而成的兰姆波谐振器表面更加的光滑，降低兰姆波谐振器的插入损耗，解决了现有兰姆波谐振器插入损耗大的问题，此外，本发明还通过压电层采用钪掺杂单晶氮化铝，替换现有兰姆波谐振器的氮化铝材料，使得兰姆波谐振器的机电耦合系数增大，从而使得带宽变宽，提高兰姆波谐振器的传输速度。
附图说明
图1为本发明的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器组成示意图；
图2为本发明的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器中硅片上制备的压电材料以及底电极的剖视图；
图3为本发明的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器中的两个硅晶圆键合的示意图；
图4为本发明的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的制备方法流程图。
附图标记说明：1、单晶衬底层；2、凹槽；3、凹槽台阶面；4、键合材料；5、底电极；6、压电层；7、顶电极；8、硅片。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1至图3所示，一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，包括单晶衬底层1，所述衬底层1设置有一凹槽2，所述凹槽的台阶面3上安装有键合材料4，所述衬底层1通过所述键合材料4与压电层6键合，所述压电层6安装有叉指电极，所述叉指电极包括安装在所述压电层6上表面的顶电极7和安装在所述压电层6底面的底电极5，所述顶电极7的正负极交替设置，所述底电极5的正负极与所述顶电极7的正负极相向设置，所述压电层6为钪掺杂单晶氮化铝。
具体的，本实施例方案中，所述压电层6的厚度为500nm～5um。
具体的，本实施例方案中，所述钪掺杂单晶氮化铝中钪的重量分数在0～50％。
具体的，本实施例方案中，所述键合材料4为ti/au、cr/au、氧化硅、多晶硅、单晶硅和聚酰亚胺中的一种或者多种。
具体的，本实施例方案中，所述叉指电极为金属材料，所述金属材料包括pt、mo、w、ti、al、au和ag。
具体的，本实施例方案中，所述叉指电极同一侧电极的电极间距为500nm～5um，电极宽度为500nm～3um，电极长度为48um～300um；需要说明的是，所述叉指电极同一侧电极表示顶电极7和底电极5。
具体的，本实施例方案中，所述顶电极7的厚度为100nm～1000nm，所述底电极5的厚度为100nm～1000nm。
在本实施例中，通过采用单晶材料作为衬底层和压电层，替换现有兰姆波谐振器所采用的多晶材料，能够使得制备而成的兰姆波谐振器表面更加的光滑，降低兰姆波谐振器的插入损耗，解决了现有兰姆波谐振器插入损耗大的问题，此外，还通过压电层采用钪掺杂单晶氮化铝，替换现有兰姆波谐振器的氮化铝材料，使得兰姆波谐振器的机电耦合系数增大，从而使得带宽变宽，提高兰姆波谐振器的传输速度。
需要说明的是，所述底电极的正负极与所述顶电极的正负极相向设置表示的意思当顶电极在压电层上表面设置的为正电极时，底电极在压电层底面相对应的位置设置为负电极，如果顶电极在压电层上表面设置的为负电极时，则底电极在压电层底面相对应的位置设置为正电极；另外，本发明通过单晶衬底层、键合材料、压电层和底电极形成一个空腔，所述空腔用于反射声波，所述空腔的深度为2um～30um；此外，高浓度钪元素掺杂使得兰姆波型谐振器的机电耦合系数高达30％，有望应用于高宽带、低损耗滤波器；还有，通过改变叉指电极的间距就可以调节滤波器的频率，因此有望在同一片晶圆上制备不同频率的滤波器或者双工器。
如图4所示，一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1，对双抛高阻硅片8进行清洗并旋转干燥；
步骤s2，在清洁干净的双抛高阻硅片表面沉积单晶氮化铝；
步骤s3，对单晶氮化铝进行掺杂钪，形成压电层6；
步骤s4，在压电层6上沉积金属电极并进行剥离，形成底电极5；
步骤s5，利用剥离工艺在硅片表面沉积键合材料4；
步骤s6，将另一块刻蚀硅腔的单抛硅片与步骤s5的硅片进行键合，形成键合物；
步骤s7，将步骤s6键合物中的沉积氮化铝的硅片进行减薄，并利用湿法腐蚀去掉剩余的硅片；
步骤s8，在氮化铝表面沉积顶部电极并进行图形化，完成制备。
具体的，本实施例方案中，所述步骤s2中沉积单晶氮化铝的方法为金属有机化学气相沉积法。
具体的，本实施例方案中，所述步骤s3采用离子注入或者扩散的方法对氮化铝进行掺杂。
实施例1：
本实施例提供了一种钪掺杂aln兰姆波谐振器，如图1-3所示，所述滤波器包括钪掺杂氮化铝102、底电极103、高阻硅衬底105以及顶电极106。
所述底电极和顶电极均为金属材料mo，压电材料为钪掺杂aln。
底电极的厚度为200nm，顶电极的厚度为960nm，钪掺杂aln的厚度为1um，顶部叉指电极的间距为2um，底部叉指电极的间距为2um，顶部与底部叉指电极的宽度均为1um，叉指电极的长度为96um，键合后的硅腔深度为3um。
本实施例还提供了一种制备如上所述的钪掺杂兰姆波谐振器的方法，包括以下步骤：
(1)选用si衬底作为外延衬底101，对外延衬底依次用丙酮、硫酸与过氧化氢混合溶液浸泡并干燥；
(2)利用金属有机化学气相沉积的办法在硅衬底101沉积1um的单晶氮化铝102，其中三甲基铝、氨气做为反应气体，氢气做为载气，衬底的温度为1200摄氏度左右；
(3)利用离子注入对单晶氮化铝进行钪元素掺杂，掺杂浓度约为30％，然后进行退火减小离子注入对氮化铝的电学性能影响；
(4)对氮化铝表面旋涂光刻胶后进行曝光、显影，然后利用磁控溅射沉积200nm金属钼电极103，然后将其置于去胶液中去胶；
(5)利用蒸发法分别沉积40nm和400nm的ti、au104，然后将多余的金属ti和au进行剥离；
(6)利用反应离子刻蚀或者电感耦合等离子体刻蚀多晶硅，其中硅腔的深度为3um；
(7)如图2所示，将上述两片晶圆105、101对齐后然后在360度左右进行金硅键合，然后将硅衬底101减薄直至50um左右，然后放在氢氧化钾溶液中进行湿法腐蚀，此处需要对器件进行合理的保护；
(8)在氮化铝表面沉积960nm顶电极106，并利用湿法腐蚀去掉多余的金属材料，完成制备。
在本实施例中，所述钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器是通过对双面抛光高阻晶圆进行清洗干燥，然后利用金属有机化学气相沉积的方法沉积一层单晶氮化铝，接着在氮化铝表面利用剥离的工艺制备金属叉指电极，并在上述器件表面沉积ti/au键合材料，接着将另一片已经清洁干燥过的单抛硅晶圆与上述晶圆进行金-硅键合，最后将沉积氮化铝的晶圆进行减薄，并利用湿法腐蚀去掉剩下的硅晶圆，在氮化铝表面沉积金属电极并进行图形化刻蚀，从而实现制备的；另外，通过采用单晶材料作为衬底层和压电层，替换现有兰姆波谐振器所采用的多晶材料，能够使得制备而成的兰姆波谐振器表面更加的光滑，降低兰姆波谐振器的插入损耗，解决了现有兰姆波谐振器插入损耗大的问题；此外，还通过压电层采用钪掺杂单晶氮化铝，替换现有兰姆波谐振器的氮化铝材料，使得兰姆波谐振器的机电耦合系数增大，从而使得带宽变宽，提高兰姆波谐振器的传输速度。
需要说明的是，键合方式也不局限于实施案例1中的金-硅键合，也可以为氧化硅-氧化硅键合、多晶硅-多晶硅键合、多晶硅-氧化硅键合、玻璃-硅阳极键合以及有机胶黏剂的键合；此外，利用金属有机化学气相沉积的方法制备的单晶氮化铝提高了晶体的质量，减小了缺陷的密度，可以提高谐振器承受的最大功率。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于，一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，包括单晶衬底层(1)，所述衬底层(1)设置有一凹槽(2)，所述凹槽的台阶面(3)上安装有键合材料(4)，所述衬底层(1)通过所述键合材料(4)与压电层(6)键合，所述压电层(6)安装有叉指电极，所述叉指电极包括安装在所述压电层(6)上表面的顶电极(7)和安装在所述压电层(6)底面的底电极(5)，所述顶电极(7)的正负极交替设置，所述底电极(5)的正负极与所述顶电极(7)的正负极相向设置，所述压电层(6)为钪掺杂单晶氮化铝。
2.根据权利要求1所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述压电层(6)的厚度为500nm～5um。
3.根据权利要求2所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述钪掺杂单晶氮化铝中钪的重量分数在0～50％。
4.根据权利要求3所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述键合材料(4)为ti/au、cr/au、氧化硅、多晶硅、单晶硅和聚酰亚胺中的一种或者多种。
5.根据权利要求4所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述金属材料包括pt、mo、w、ti、al、au和ag。
6.根据权利要求5所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述叉指电极同一侧电极的电极间距为500nm～5um，电极宽度为500nm～3um，电极长度为48um～300um。
7.根据权利要求6所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器，其特征在于：所述顶电极(7)的厚度为100nm～1000nm，所述底电极(5)的厚度为100nm～1000nm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤s1，对双抛高阻硅片(8)进行清洗并旋转干燥；
步骤s2，在清洁干净的双抛高阻硅片表面沉积单晶氮化铝；
步骤s3，对单晶氮化铝进行掺杂钪，形成压电层(6)；
步骤s4，在压电层(6)上沉积金属电极并进行剥离，形成底电极(5)；
步骤s5，利用剥离工艺在硅片表面沉积键合材料(4)；
步骤s6，将另一块刻蚀硅腔的单抛硅片与步骤s5的硅片进行键合，形成键合物；
步骤s7，将步骤s6键合物中的沉积氮化铝的硅片进行减薄，并利用湿法腐蚀去掉剩余的硅片；
步骤s8，在氮化铝表面沉积顶部电极并进行图形化，完成制备。
9.根据权利要求8所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中沉积单晶氮化铝的方法为金属有机化学气相沉积法。
10.根据权利要求9所述的一种钪掺杂氮化铝兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤s3采用离子注入或者扩散的方法对氮化铝进行掺杂。
技术总结