Acoustic resonator device

Abstract

An acoustic resonator device (100) comprising: a piezoelectric layer (110) extending in a first plane (P1); a dielectric substrate (120) extending in a second plane (P2); and at least one first conductive electrode (130) and at least one second conductive electrode (140) conductively connected to a first busbar (152) and a second busbar (154), respectively, of a interdigital electrode structure (150), wherein each of the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) has a first end (132, 142) attached to a supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) and a second end (134, 144) having a first part (162) attached to a side surface (116) of the piezoelectric layer (110) being arranged in an angle (α) in relation to the first plane (P1), thereby forming pedestals supporting the piezoelectric layer (110) with a distance (d) from the supporting surface (122) of the dielectric substrate (120); wherein the piezoelectric layer (110) is configured to convert an electrical signal (ES) into an acoustic wave (AW) when the electrical signal (ES) is applied at the first busbar (152) and the second busbar (154). Furthermore, there is an electronic communication device (200) comprising such an acoustic resonator device (100).

Description

ACOUSTIC RESONATOR DEVICETECHNICAL FIELD

[0001] Embodiments of the invention relates to an acoustic resonator device and to an electronic communication device comprising such an acoustic resonator device.BACKGROUND

[0002] A transversely excited bulk acoustic resonator (XBAR) device for operation in the 5 GHz frequency range has been proposed. The XBAR device is based on a lithium niobate (LN) membrane suspended over a cavity. The proposed XBAR device with a membrane suspended over a cavity is fragile as the membrane is very thin. Further, the mentioned XBAR device has poor power-handling properties because of low thermal conductivity of the LN membrane. Also, long and thin electrodes have high resistivity thus increasing the losses and the heating of the XBAR device.

[0003] Another resonator device, exploiting S0 Lamb mode in a LN membrane attached to a high velocity substrate, such as SiC or diamond, has also been described. The resonator device exploiting S0 Lamb mode with the membrane attached to the high-velocity substrate has strongly reduced piezo-coupling.

[0004] Another proposed XBAR device comprises pedestals supporting a suspended membrane in an attempt to decrease the fragility of XBAR devices. However, this only partly mitigates the above-described drawbacks. In particular, the power-handling property of such XBAR device is still not optimal. Also, the device is difficult for manufacturing since the access underneath the membrane is limited and additional step of wafer-to-wafer bonding can be necessary.SUMMARY

[0005] An objective of embodiments of the invention is to provide a solution which mitigates or solves the drawbacks and problems of conventional solutions.

[0006] Another objective of embodiments of the invention is to provide a solution having improved power handling and being mechanically robust compared to conventional solutions.

[0007] The above and further objectives are solved by the subject matter of the independent claims. Further embodiments of the invention can be found in the dependent claims.

[0008] According to a first aspect of the invention, the above mentioned and other objectives are achieved with an acoustic resonator device comprising:

[0009] a piezoelectric layer extending in a first plane;

[0010] a dielectric substrate extending in a second plane; and

[0011] at least one first conductive electrode and at least one second conductive electrode conductively connected to a first busbar and a second busbar, respectively, of a interdigital electrode structure, wherein each of the first conductive electrode and the second conductive electrode has a first end attached to a supporting surface of the dielectric substrate and a second end having a first part attached to a side surface of the piezoelectric layer being arranged in an angle in relation to the first plane, thereby forming pedestals supporting the piezoelectric layer with a distance from the supporting surface of the dielectric substrate; wherein the piezoelectric layer is configured to convert an electrical signal into an acoustic wave when the electrical signal is applied at the first busbar and the second busbar.

[0012] An advantage of the acoustic resonator device according to the first aspect is that the pedestals allow more free vibrations in the piezoelectric layer thus increasing the acoustic energy and increasing resonance –antiResonance (R-aR) frequency gap. Also, the power handling is improved compared to conventional solutions since the heat generated in the piezoelectric layer and mainly, in the electrodes themselves, can be transferred through the bottom side of the interdigital transducer electrodes to the dielectric substrate having high thermal conductivity. Furthermore, the parasitic vibrations / resonances in the electrodes are reduced because the pedestals touch the piezoelectric layer on its sides with different phase of vibrations and the vibrations transferred to the pedestal  partly mutually annihilate, the pedestals therefore allowing reduction of transformation of the main vibration mode (A1) into parasitic waves (such as A0) propagation in the piezoelectric layer and also the transfer of acoustic energy from pedestals to substrate is reduced because the electrodes are fixed / attached to the dielectric substrate having different acoustic impedance. Another advantage is that the resistive losses can be decreased as the electrodes can be rather thick in the present design compared to conventional designs. Yet another advantage is that the general structure of the acoustic resonator device according to the first aspect is more mechanically robust compared to conventional solutions.

[0013] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first plane is arranged in parallel to the second plane.

[0014] An advantage with this implementation form is that such combination of piezoelectric layer on the dielectric substrate, with intermediate sacrificial layer, is commercially available.

[0015] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the side surface of the piezoelectric layer is orthogonal in relation to the first plane.

[0016] An advantage with this implementation form is that the electrode / pedestal partly attached to the vertical wall of the piezoelectric layer creates more uniform horizontal electric field in the piezoelectric layer thus increasing the piezo-coupling i.e., R-aR gap on the admittance curve.

[0017] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first part of the second end penetrates through a first surface of the piezoelectric layer into the piezoelectric layer, the first surface of the piezoelectric layer being directed towards the supporting surface of the dielectric substrate.

[0018] An advantage with this implementation form is more uniform electric field created in the piezoelectric layer and the possibility to optimize free vibrations of the main mode in the piezoelectric layer simultaneously controlling the level of transformation to the propagating parasitic modes.

[0019] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the second end comprises a second part being attached to a first surface of the piezoelectric layer and being directed towards the supporting surface of the dielectric substrate.

[0020] An advantage with this implementation form is that the piezoelectric layer is better attached to the pedestals and the structure is therefore more robust.

[0021] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the second end comprises a third part connecting the first part and the second part of the second end or connecting two first parts.

[0022] An advantage with this implementation form is reduced resistivity and better thermal conductivity of the electrodes resulting in lower heat generation and better heat evacuation, which means higher power handling capacity of the acoustic resonator device.

[0023] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the second part of the second end is arranged in parallel to the first plane; and / or the third part of the second end is arranged in parallel to the first plane.

[0024] An advantage with this implementation form is that it makes the acoustic resonator device more suitable for manufacturing based on commercially available wafers.

[0025] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first conductive electrode and the second conductive electrode are formed from a first conductive material.

[0026] An advantage with this implementation form is in simple technology demanding less steps.

[0027] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first conductive electrode and the second conductive electrode are formed from the first conductive material and a second conductive material enclosed by the first conductive material.

[0028] An advantage with this implementation form is the possibility to optimize pedestals conductivity and acoustic impedance independently.

[0029] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the second conductive material is arranged at the second end.

[0030] An advantage with this implementation form can be convenience in technology, because the metal at the second end may be exposed to etching during deleting the sacrificial layer between the electrodes.

[0031] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first conductive electrode and the second conductive electrode are formed from the first conductive material and a dielectric material.

[0032] An advantage with this implementation form is in more flexible choice of acoustic impedances of materials allowing optimization of mode transformation at the pedestals.

[0033] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the dielectric material is arranged at the first end.

[0034] An advantage with this implementation form is that it would reduce parasitic capacitance, i.e., increase concentration of the electric field in the piezoelectric layer, and thus improve the piezoelectrical-coupling.

[0035] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the dielectric material is attached to the supporting surface of the dielectric substrate.

[0036] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, a width of the first conductive electrode and the second conductive electrode is equal to or less than a thickness of the piezoelectric layer.

[0037] An advantage with this implementation form is that the conductive electrode is the passive part of the acoustic resonator device and usually the metals have much higher acoustic loss than the piezoelectric layer and therefore the reduction of the width reduces acoustic losses and results in increased Q-factor of the acoustic resonator device.

[0038] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the distance is determined based on a thickness of the piezoelectric layer.

[0039] An advantage with this implementation form is that the thickness of the piezoelectric layer may be considered as a scale unit, determining (half of) wavelength λ in the main vibration mode. Thus, the distance does not need to be larger than about λ / 2.

[0040] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the piezoelectric layer is formed from any material in a group comprising: a lithium niobate layer, a lithium tantalate layer, aluminum nitride layer or aluminum scandium nitride layer.

[0041] An advantage with this implementation form is to provide reasonably high piezo-coupling demanded by the resonator application.

[0042] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the dielectric substrate is any of: a diamond substrate, a silicon substrate, a diamond layer on a silicon substrate, a silicon carbide substrate, a sapphire substrate, an yttrium aluminum garnet substrate, or a boron nitride substrate.

[0043] An advantage with this implementation form is that the substrate must be of hard dielectric material with high velocity and high thermal conductivity, which simplifies technology and improves the power handling of the acoustic resonator device.

[0044] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the first conductive electrode and the second conductive electrode are formed from any material in a group comprising: aluminum, copper, molybdenum, tungsten, platinum, silver, and alloys thereof.

[0045] An advantage with this implementation form is that materials with high electric and thermal conductivity are selected allowing to improve resistive losses and reduce the acoustic resonator device heating.

[0046] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, acoustic resonator device comprises a plurality of first conductive electrodes and a plurality of second conductive electrodes equidistantly arranged between the piezoelectric layer and the dielectric substrate with a pitch p .

[0047] An advantage with this implementation form is that the periodic arrangement of the electrodes with the pitch p is convenient for standard lithography.

[0048] In an implementation form of an acoustic resonator device according to the first aspect, the pitch p is dependent on a resonance frequency of the acoustic resonator device.

[0049] An advantage with this implementation form is that by selecting the small pitch determined by resonant frequency one can damp the radiation of the bulk waves into dielectric support, using mutually destructive interference of the bulk waves radiated by electrodes having the opposite electric potentials.

[0050] According to a second aspect of the invention, the above mentioned and other objectives are achieved with an electronic communication device for a communication system, the electronic communication device comprising at least one acoustic resonator device according to any embodiments of the invention.

[0051] Further applications and advantages of embodiments of the invention will be apparent from the following detailed description.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0052] The appended drawings are intended to clarify and explain different embodiments of the invention, in which:

[0053] -FIG. 1 shows an acoustic resonator device in a cross-sectional side view according to embodiments of the invention and FIG. 2 shows the acoustic resonator device in FIG. 1 in a top view along A-Aline;

[0054] -FIGs. 3A-3C illustrate different angles at which the conductive electrode may be attached to the side surface of the piezoelectric layer according to embodiments of the invention;

[0055] -FIGs. 4 and 5 show examples when the conductive electrode fully or partially penetrates into the piezoelectric layer according to embodiments of the invention;

[0056] -FIG. 6 shows the example when the conductive electrode comprises a conductive material and a dielectric material and FIG. 7 shows the example when the conductive electrode comprises of two different conductive materials according to embodiments of the invention;

[0057] -FIGs. 8 and 9 show examples when the conductive electrode is attached to the edge side surface of the piezoelectric layer according to embodiments of the invention;

[0058] -FIG. 10 shows the example when the conductive electrode comprises a first part and a second part according to embodiments of the invention;

[0059] -FIG. 11 shows the example when the conductive electrode comprises a first part, a second part and a third part according to embodiments of the invention;

[0060] -FIG. 12 shows the example when the conductive electrode comprises a first part and a third part according to embodiments of the invention;

[0061] -FIG. 13 shows the example when the dielectric substrate at least partially is displaced in relation to the piezoelectric layer according to embodiments of the invention, and the piezoelectric layer includes sublayers;

[0062] -FIGs. 14 and 15 show admittance curves for embodiments of the invention; and

[0063] -FIG. 16 shows examples of electronic communication devices according to embodiments of the invention.DETAILED DESCRIPTION

[0064] As aforementioned, XBAR devices based on a membrane suspended over a cavity, or S0 Lamb mode device with a membrane attached to a high-velocity substrate, or XBARs with supporting pedestals have been proposed in the art. However, theses XBAR and S0 Lamb mode devices have its drawbacks: The XBAR on pedestals have non-uniform electric field near pedestals reducing piezo-coupling and their technology demands additional bonding of the piezo layer, while S0 mode device have limited frequency if CD > 0.3 μm. Hence, there is a need for a solution mitigating the drawbacks of such conventional solutions. Thus, it is herein disclosed an acoustic resonator device 100 and an electronic communication device 200 mitigating the mentioned drawbacks.

[0065] FIG. 1 shows an acoustic resonator device 100 according to embodiments of the invention in a cross-sectional side view, and FIG. 2 shows the acoustic resonator device 100 in FIG. 1 in a top view. It may be noted that FIG. 1 shows the acoustic resonator device 100 in FIG. 2 in a partial cross-sectional view along line A-A.

[0066] With reference to FIGs. 1 and 2, the acoustic resonator device 100 herein disclosed comprises a piezoelectric layer 110 which extends in a first plane P1, and a dielectric substrate 120 which extends in a second plane P2. The first plane P1 is different to the second plane P2. The acoustic resonator device 100 further comprises at least one first conductive electrode 130 and at least  one second conductive electrode 140 conductively connected to a first busbar 152 and a second busbar 154, respectively, of an interdigital electrode structure 150.

[0067] According to embodiments of the invention, each of the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 has a first end 132, 142 being attached to a supporting surface 122 of the dielectric substrate 120 and a second end 134, 144 having a first part 162 attached to a side surface 116 of the piezoelectric layer 110 being arranged in an angle α in relation to the first plane P1 (see FIGs. 3A-3C) . Thus, pedestals are formed by the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 for supporting the piezoelectric layer 110 with a distance d from the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120. The piezoelectric layer 110 is configured to convert an electrical signal ES into an acoustic wave AW when the electrical signal ES is applied between the first busbar 152 and the second busbar 154. The electrical signal ES may be applied to the busbars 152 and 154 connected to the electrodes 130 and 140 thus converted to an acoustic wave AW in the piezoelectric layer 110 due to lateral (horizontal) electric field created in the piezoelectric layer 110 by the conductive electrodes. The electrical signal ES may be provided by an electrical signal source, see FIG. 2. The acoustic resonator device 100 will therefore act as an acoustic resonator.

[0068] Thus, it is provided an acoustic resonator device 100 in which the piezoelectric layer 110 is supported by pedestals formed of conductive electrodes 130, 140 so that the piezoelectric layer 110 is located with a distance d from the dielectric substrate 120. Hence, a space is formed between the piezoelectric layer 110 and the dielectric substrate 120 with height d. Thereby free vibration in the piezoelectric layer 110 between electrodes 130, 140 can be developed with large amplitude at the resonant frequency and an acoustic resonator device 100 is provided.

[0069] It may be noted that the first plane P1 and the second plane P2 are different planes as previously mentioned and the mentioned planes P1, P2 may be angled in relation to each other. However, for the acoustic resonator device 100 shown in FIGs. 1 and 2, the first plane P1 is arranged in parallel to the second plane P2. Moreover, the piezoelectric layer 110 has a substantial flat shape extending in the first plane P1 and comprises a first surface 112 being directed towards the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120. The piezoelectric layer 110 also has a second surface 114 arranged opposite to the first surface 112 and being directed away from the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120. The first surface 112 may also be denoted a lower surface or a downwards directed surface while the second surface 114 may also be denoted an upper surface or an upwards directed surface of the piezoelectric layer 110. The first surface 112 and the second surface 114 may also be denoted first extension surface and second extension surface, respectively.

[0070] The acoustic resonator device 100 may also include an input and an output (not shown) so that an electrical signal can be applied at the first and second busbars for excitation of the electrical signal into an acoustic wave AW in the piezoelectric layer 110. The acoustic wave AW may have different properties and characteristics.

[0071] Furthermore, the interdigital electrode structure 150 may comprise any number of first conductive electrodes 130 and second conductive electrodes 140, e.g., from a few conductive electrodes up to thousands of conductive electrodes. The number of the first conductive electrodes 130 and second conductive electrodes 140 may be the same in a symmetric configuration. The conductive electrodes are made of any suitable conductive material, such as different metals.

[0072] FIG. 2 thus shows the acoustic resonator device 100 comprising a plurality of first conductive electrodes 130 and a plurality of second conductive electrodes 140 interdigitated between the conductive electrodes 130 equidistantly arranged between the piezoelectric layer 110 and the dielectric substrate 120 with a pitch p . The period of the structure includes two electrodes 130 and 140, and the period is equal to 2p. The first conductive electrodes 130 and the second conductive electrodes 140 have alternating polarity. The pitch p may be defined as the center-to-center distance between two adjacent conductive electrodes and is the geometric / mechanical period of the interdigital electrode structure 150. Since the electrode polarity is alternating, the real structure period equals to 2p.

[0073] The conductive electrodes 130, 140 are attached by one end in aperture direction to the busbars 152, 154 in alternating order, creating the InterDigitated Transducer (IDT) structure. The busbars 152, 154 can be arranged on the dielectric substrate 120 and supported thereon. Normally, the busbars 152, 154 have rather thick metal, not necessarily of the same type and thickness as the electrodes 130, 140, to reduce the total resistivity. The top view of the piezoelectric layer 110 is shown schematically in FIG. 2. It is important that the piezoelectric layer 110 covers the electrode aperture, which is the area where the electrodes overlap on  the top view as shown in FIG. 2 by the dotted line. However, the piezoelectric layer 110 can extend outside of the structure formed by the electrodes 130, 140 and can be attached to the dielectric substrate 120 through additional layer (s) .

[0074] For attachment of the different layers a suitable bonding technology may be used for providing strong attachment of the different layers. For example, a thin adhesion layer (e.g., Ti) can be used. The conductive electrodes 130, 140 may be completely bonded / attached to both the dielectric substrate 120 and the piezoelectric layer 110 since an imperfect or low-quality junction may result in reduced electric field in the piezoelectrical layer, and / or reduced heat evacuation to the dielectric substrate 120. By having direct mechanical contact with the piezoelectric layer 110 and the dielectric substrate 120 heat generated in the piezoelectric layer 110 and in the electrodes 130, 140 can efficiently be transferred to the dielectric substrate 120 via the first ends 132, 142 of the electrodes 130, 140 for improved cooling. Furthermore, a very robust resonator structure is also provided. It may be noted that the dimension and size of the different parts of the acoustic resonator device 100 shown in the figures. may not correspond to actual implementations of the invention but are for illustrative purposes.

[0075] The pitch p may be dependent on a resonance frequency of the acoustic resonator device 100. For example, the formula: 2p < V / FaR, where V is the smallest velocity of the bulk wave in substrate skimming along the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120 and FaR is the anti-resonance frequency of the acoustic resonator device 100. V /  (2p) is the onset frequency of the acoustic bulk wave radiation into the dielectric substrate 120 through electrodes / pedestals. This onset frequency must be as high as possible, and at least higher than the frequencies in the resonance-antiresonance range to avoid dramatic decrease of the Q-factor by the bulk wave radiation.

[0076] In embodiments of the invention, a thickness dP of the piezoelectric layer 110 (see FIG. 4) may be in a range between 0.05 to 2.0 of the pitch. However, the thickness dP of the piezoelectric layer 110 depends on the type of acoustic resonator device. For example, in XBARs (A1 mode) , the thickness dP of the piezoelectric layer 110 only weakly depends on the pitch. Usually, the pitch would be p >> dP, but in case, of S0 propagating wave device the pitch is determined by the frequency and thus the thickness dP of the piezoelectric layer 110 would be smaller than p or comparable to p.

[0077] Furthermore, the piezoelectric layer 110 may be formed from any piezoelectric material in a group comprising: a lithium niobate layer, a lithium tantalate layer, aluminum nitride layer or aluminum scandium nitride layer. When the piezoelectric layer 110 is formed from lithium niobate (LN) layer, a cut of the lithium niobate layer may correspond to a desired type of acoustic wave efficiently excited in the piezoelectric layer, such as Z-cut, 128YLN cut and a like, for A1 mode (XBAR) operation, rotated Y-cuts of LN for SH0 and SH1 operation, X-cut of LN for S0 Lamb mode operation.

[0078] The dielectric substrate 120 on the other hand may be any of: a diamond substrate or a thin diamond layer (e.g., 10-20 μm) on a silicon substrate, a silicon substrate, a silicon carbide substrate, a sapphire substrate, an yttrium aluminum garnet (YAG) substrate, or a boron nitride substrate.

[0079] FIGs. 3A-3C illustrate different angels at which the conductive electrodes 130, 140 may be attached to the side surface 116 of the piezoelectric layer 110 according to embodiments of the invention. It may be noted that only the right or left half of the electrode / pedestal is shown. In the Comsol simulations of periodic structure the half-period was determined as from middle of one electrode 130 (140) to the middle of the next electrode 140 (130) . FIGs. 3A-3C reproduce the structures as simulated in Comsol.

[0080] FIG. 3A shows the example when the side surface 116 of the piezoelectric layer 110 is orthogonal in relation to the first plane P1. This means that the angle is 90 degrees so that the second part 162 is attached vertically to the side surface 116 of the piezoelectric layer 110.

[0081] FIGs. 3B and 3C show examples when the angle is less than 90 degrees and the first part 162 is therefore attached in an angle to the piezoelectric layer 110 at its side surface 116. It is hence noted that the side surface 116 will have an angle in relation to the first surface 112 and / or the second surface 114.

[0082] FIGs. 4 and 5 show examples when the conductive electrode fully 130 / 140 or partially penetrates into the piezoelectric layer 110 according to embodiments of the invention. Thus, the first part 162 of the second end 134, 144 penetrates through the first surface 112 of the piezoelectric layer 110 into the piezoelectric layer 110. As previously mentioned, the first surface 112 of the piezoelectric layer 110 is directed towards the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120.

[0083] FIG. 4 shows the case when the first part 162 fully penetrates through the piezoelectric layer 110 from the first surface 112 to the second surface 114 of the piezoelectric layer 110. It may also be noted from FIG. 4 that a width w of the first conductive  electrode 130 and the second conductive electrode 140 may be equal to or less than a thickness t of the piezoelectric layer 110. The advantage of the electrode 130, 140 penetrating through the piezoelectric layer 110 is that it creates more uniform electric field inside the piezoelectric layer 110. However, very wide electrode might create additional attenuation of acoustic waves. FIG. 5 on the other hand shows the case when the first part 162 only partially penetrates into the piezoelectric layer 110.

[0084] The distance d between the piezoelectric layer 110 and the dielectric substrate 120 is generally an independent parameter but may be related to the thickness t of the piezoelectric layer 110. Thus, the distance d may be determined based on a thickness tof the piezoelectric layer 110. More specifically, the distance d may be comparable of larger than the thickness t of the piezoelectric layer 110. The distance d may be created by etching a sacrificial layer, such as SiO2. In a non-limiting example, when the thickness t of the piezoelectric layer 110 is 300-400 nm, the distance d may be in the range 400nm -1000 nm.

[0085] FIG. 6 shows the example when the conductive electrode 130, 140 comprises a conductive material and a dielectric material while FIG. 7 shows the case when the conductive electrode 130, 140 comprises of two different conductive materials according to embodiments of the invention.

[0086] FIG. 6 shows the case when the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 are formed from the first conductive material C1 and a dielectric material D. The dielectric material D should have high thermal conductivity and low acoustic losses. Since the dielectric material D should not be in contact with the piezoelectric layer 110, the dielectric material D is arranged at the first end 132, 142 of the conductive electrode 130, 140. It may be noted that the dielectric material D may be attached to the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120 as shown in FIG. 6. The dielectric material D may even be partially embedded in the dielectric substrate 120 which however is not shown in the figures.

[0087] Naturally, the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 are formed from a conductive material. In embodiments of the invention, the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 are formed from any material in a group comprising: Al, Cu, Mo, W, Pt, Ag, and alloys thereof.

[0088] FIG. 7 shows the case when the first conductive electrode 130 and the second conductive electrode 140 are formed from the first conductive material C1 and a second conductive material C2, where the second conductive material C2 is enclosed by the first conductive material C1 and is thus surrounded by the first conductive material C1. The second conductive material C2 is arranged at the second end 134, 144 of the conductive electrode 130, 140, i.e., in the part of the conductive electrode 130, 140 penetrating into the piezoelectric layer 110. The combination of these materials and their geometry is used to minimize the generation of parasitic modes.

[0089] FIGs. 8 and 9 show the case when the conductive electrode is attached to an edge side surface of the piezoelectric layer 110 according to embodiments of the invention. This is a basic geometry, i.e., the same as in FIG. 4. It may be noted that the one geometric period (pitch) of the structure is shown (from the middle-to-middle of electrodes) , so that the right / left half of the electrode 130, 140 is only shown. The advantage of this structure is its manufacturability i.e., it can be made using commercially available wafer with thin LN layer on Si (or SiC) substrate. Opening holes in the piezoelectric layer 110 allows to create the electrode structure underneath the piezoelectric layer 110, delete SiO2, etc. FIG. 8 shows an example when the part of the electrode between the piezoelectric layer 110 and the supporting dielectric substrate 120 is additionally thinned, to reduce vibration transfer to the dielectric substrate 120.

[0090] FIG. 10 shows the case when the conductive electrode 130, 140 (the complete single electrode is shown here, not a half of it as in previous FIGs. 8 and 9) comprises a first part and a second part according to embodiments of the invention. Thus, the second end 134, 144 comprises a second part 164 that is attached to a first surface 112 of the piezoelectric layer 110. The first surface 112 is directed towards the supporting surface 122 of the dielectric substrate 120. The electrodes / pedestals play two main roles which are to:

[0091] · create electric field in the piezoelectric layer 110, and

[0092] · support the piezoelectric layer 110 mechanically.

[0093] In this embodiment the thin vertical part 162 of the electrode serves only to create the uniform electric field in the piezoelectric layer 110, while leaving it partly free mechanically. That increases the amplitude of vibrations and increases the piezo-coupling. More thick bottom part 164 of the electrode serves as a robust mechanical support for the piezoelectric layer 110.

[0094] FIG. 11 shows the case when the conductive electrode 130, 140 comprises a first part, a second part and a third part according to embodiments of the invention. Thus, the second end 134, 144 comprises a third part 166 connecting the first part 162 and the second part 164 of the second end 134. The third part 166 of the second end 134, 144 is arranged in parallel to the first plane P1. It is also shown in FIG. 11 that the second part 164 of the second end 134, 144 is arranged in parallel to the first plane P1. Rather wide and thick electrode part 166 serves to provide good electric conductivity thus reducing the resistive loss in the acoustic resonator device 100 and reducing the heat generation by current in the electrode. Meanwhile narrower first end of the electrode attached to the middle of the third part 166 serves to minimize the acoustic wave / vibration transfer to the dielectric substrate 120.

[0095] FIG. 12 shows the case when the conductive electrode 130, 140 comprises a first part and a third part according to embodiments of the invention. Thus, the second end 134, 144 comprises a third part 166 connecting two first parts 162. The third part 166 of the second end 134, 144 is arranged in parallel to the first plane P1 which reduces the mechanical load on the piezoelectric layer 110. The vertical electrode parts 162 attached to the piezoelectric layer 110 are made thin (e.g., less than d / 4) compared to thickness t of the piezoelectric layer 110. The horizontal electrode part is attached (through thin part 162) in the middle of the piezoelectric layer 110 thickness where the amplitude of the vibrations in A1 mode tends to be zero. That provides small transfer of vibrations into the horizontal part of the conductive electrode 130, 140. The top part of the conductive electrode 130, 140 is also attached to the middle section of the horizontal electrode part 166, thereby providing the same effect of decreased transfer of vibrations to the dielectric substrate 120. Thus, the vibrations in the piezoelectric layer 110 are almost free and the energy leakage to the supporting dielectric substrate 120 through the pedestal is minimized.

[0096] Simulations have demonstrated visibly increased piezo-coupling, R-aR = 13.9%. It is approaching to the coupling in freely floating piezoelectric layer 110 with infinitely thin vertical electrodes (15.6%) . However, the parasitic mode amplitude also visibly increases, which can be inacceptable for a number of applications of resonators, including in ladder filters. The study of these parasitic modes has shown that they are A0 plate modes (also called “flexure modes” ) of high order n>10 for a long pitch p, which are generated by transformation from A1 mode when it is reflected by an open (free) edge of the piezoelectric layer 110. Actually, both A0 and A1 mode have the same component of deformation U13 and their transformation at the piezoelectric layer 110 edge can be almost complete.

[0097] Thus, such conductive electrodes 130, 140 acting as pedestals supporting the piezoelectric layer 110 can provide increased coupling due to larger amplitude of vibrations generated in almost free piezoelectric layer 110 and more uniform and strong electric fields in the piezoelectric layer 110. However, strong parasitic modes can appear in case of vertical edges of the piezoelectric layer 110, free or weakly loaded. The conductive electrodes 130, 140 provide mechanical robustness and improve the power-handling due to direct heat evacuation downwards to the supporting dielectric substrate 120.

[0098] FIG. 13 shows the case when the piezoelectric layer 110 according to embodiments of the invention is replaced by periodically polarized piezoelectric layer (3P) , a variant with three sublayers is shown. The piezoelectric layer 110 has in this example three layers 110a, 110b with the middle layer 110b having opposite polarity than the top and bottom layers 110a.

[0099] The non-vertical edge of vertical part 162 or a triangle shape of conductor C2 as shown to the right edge in FIG. 13 can prevent transformation of A1 mode into A0 mode and thus reduce the level of parasitic modes in the admittance curve. Different shape of the first part 162 attached to the vertical wall (i.e., side surface) of the piezoelectric layer 110 (e.g., trapezoidal, serves to reduce the level of the parasitic A0 mode. In examples of the invention, an inclined wall of conductor C2 has a triangular shape. The inclined wall of the edge of the piezoelectric layer (up to 45°) , as in FIGs. 3A-3C, also efficiently reduces the parasitic A0 mode in XBAR-type of resonator. This geometry with inclined side edge of the piezoelectric layer is not shown in FIG. 13 but may be implemented in all embodiments illustrated in FIGs. 4-13. The same goal can be reached by combining materials with low and high acoustic impedance. The example where the deep / groove between flat Mo electrodes is filled with Pt shows lower level of parasitic responses than in the case of thin Al electrodes.

[0100] FIG. 14 shows the admittance curve for the embodiment shown in FIG. 12. The 128LN (128° rotated Y-cut) piezoelectric layer 370nm thick was modelled here with thin (50nm) vertical part 162. Although the R-aR distance is large (13.9%) due to almost free vibration of A1 mode near the end of the piezoelectric layer 110 attached to the thin part 162, the level of parasitic modes A0 is unacceptable. That happens because of efficient A1 to A0 mode transformation at the free edge of the piezoelectric  layer 110. These parasitic modes (especially the ones situated between the resonance and the anti-resonance, Mid1 and Mid2) can be very damaging, e.g., for the application of such resonator in a ladder filter in mobile phones.

[0101] FIG. 15 shows the admittance curves for the resonators shown in FIGs. 11, 12 and 13. For the variants of FIGs. 11 and 12 with almost free side edge of the piezoelectric layer 110 the FEM simulation shows high level of parasitic modes strongly perturbing the admittance curve (dashed lines in FIG. 15) . However, if the empty cavity between the parts 162 is filled with conductor C2 (Pt in this example) , as in FIG. 7, this material with high acoustic impedance, changes conditions of A1 mode reflection at the edge of the piezoelectric layer 110 (triple in this example, FIG. 13) and transformation into the parasitic mode A0 is visibly reduced (solid curve) . The piezoelectric coupling remains about the same (R-aR absolute gap was 0.75 GHz, in FIG. 14, and it is even higher (0.89 GHz) in FIG. 15. ) . These piezo-coupling level is sufficient for design of n79 filter for 5G mobile phones.

[0102] FIG. 16 shows an electronic communication device 200 for a communication system 300 according to embodiments of the invention. The electronic communication device 200 comprises at least one acoustic resonator device 100 according to embodiments of the invention. Non-limiting examples of the electronic communication device 200 are user equipments (UEs) or base stations (BS) in wireless communication systems, such as 3GPP 4G and 5G new radio (NR) . The acoustic resonator device 100 may be part of a filter network in such communication devices.

[0103] The filter network may be a ladder filter comprising a number of series and shunt resonators. For example, to get a low loss wideband filter for 5G mobile devices, a resonator device beneficially has a low impedance at resonance, typically <1 Ohm, and has a high impedance at the anti-resonance (e.g., >1000 Ohm) . This is achievable with the acoustic resonator device of the present disclosure. Further, the resonance to anti-resonance relative frequency gap (R-a-R) may be >10%or even up to 25%, and a resonator static capacitance corresponds to around j*50 Ohm at operating frequency which is achievable with the acoustic resonator device of the present disclosure.

[0104] Moreover, it should be realized that the electronic communication device 200 comprises the necessary communication capabilities in the form of e.g., functions, means, units, elements, etc., for performing or implementing embodiments of the invention. Examples of other such means, units, elements and functions are: processors, memory, buffers, control logic, encoders, decoders, rate matchers, de-rate matchers, mapping units, multipliers, decision units, selecting units, switches, interleavers, de-interleavers, modulators, demodulators, inputs, outputs, antennas, amplifiers, receiver units, transmitter units, DSPs, TCM encoder, TCM decoder, power supply units, power feeders, communication interfaces, communication protocols, etc. which are suitably arranged together for performing the solution.

[0105] A method for producing a part of the acoustic resonator device 100 without wafer-to wafer bonding is also disclosed thereby omitting some photolithography and etching steps.

[0106] Step 1: obtain a commercial wafer of LN / SiO2 / SiC with necessary layer parameters. In this example the piezoelectric layer 110 may be formed of LN (e.g., Z-cut, or 128° rotated Y-cut) , the dielectric substrate 120 may be formed of Si, and SiO2 is the so-called sacrificial layer.

[0107] Step 2: open holes going through the LN layer and the sacrificial layer SiO2 to the supporting surface of the dielectric substrate SiC.

[0108] Step 3: fill-in the conductive electrode which may be formed of two or more different materials, but inside the LN it must be a metal / conductor.

[0109] Step 4: delete the sacrificial layer SiO2 so as to obtain the conductive electrode as a supporting pedestal.

[0110] The technology including an additional wafer-to-wafer bonding step is also possible and may be necessary for manufacturing of pedestals of more complicated form.

[0111] Finally, it should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above, but also relates to and incorporates all embodiments within the scope of the appended independent claims.

Claims

1.An acoustic resonator device (100) comprising:a piezoelectric layer (110) extending in a first plane (P1) ;a dielectric substrate (120) extending in a second plane (P2) ; andat least one first conductive electrode (130) and at least one second conductive electrode (140) conductively connected to a first busbar (152) and a second busbar (154) , respectively, of a interdigital electrode structure (150) , wherein each of the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) has a first end (132, 142) attached to a supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) and a second end (134, 144) having a first part (162) attached to a side surface (116) of the piezoelectric layer (110) being arranged in an angle (α) in relation to the first plane (P1) , thereby forming pedestals supporting the piezoelectric layer (110) with a distance (d) from the supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) ; wherein the piezoelectric layer (110) is configured to convert an electrical signal (ES) into an acoustic wave (AW) when the electrical signal (ES) is applied at the first busbar (152) and the second busbar (154) .2.The acoustic resonator device (100) according to claim 1, wherein the first plane (P1) is arranged in parallel to the second plane (P2) .3.The acoustic resonator device (100) according to claim 1 or 2, wherein the side surface (116) of the piezoelectric layer (110) is orthogonal in relation to the first plane (P1) .4.The acoustic resonator device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first part (162) of the second end (134, 144) penetrates through a first surface (112) of the piezoelectric layer (110) into the piezoelectric layer (110) , the first surface (112) of the piezoelectric layer (110) being directed towards the supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) .5.The acoustic resonator device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the second end (134, 144) comprises a second part (164) being attached to a first surface (112) of the piezoelectric layer (110) and being directed towards the supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) .6.The acoustic resonator device (100) according to claim 5, wherein the second end (134, 144) comprises a third part (166) connecting the first part (162) and the second part (164) of the second end (134, 144) or connecting two first parts (162) .7.The acoustic resonator device (100) according to claim 5 or 6, whereinthe second part (164) of the second end (134, 144) is arranged in parallel to the first plane (P1) ; and / orthe third part (166) of the second end (134, 144) is arranged in parallel to the first plane (P1) .8.The acoustic resonator device (100) according to any one of the preceding claims, wherein the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) are formed from a first conductive material (C1) .9.The acoustic resonator device (100) according to claim 8, wherein the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) are formed from the first conductive material (C1) and a second conductive material (C2) enclosed by the first conductive material (C1) .10.The acoustic resonator device (100) according to claim 9, wherein the second conductive material (C2) is arranged at the second end (134, 144) .11.The acoustic resonator device (100) according to any one of claims 8 to 10, wherein the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) are formed from the first conductive material (C1) and a dielectric material (D) .12.The acoustic resonator device (100) according to claim 11, wherein the dielectric material (D) is arranged at the first end (132, 142) .13.The acoustic resonator device (100) according to claim 12, wherein the dielectric material (D) is attached to the supporting surface (122) of the dielectric substrate (120) .14.The acoustic resonator device (100) according to any one of the preceding claims, wherein a width (w) of the first conductive electrode (130) and the second conductive electrode (140) is equal to or less than a thickness (t) of the piezoelectric layer (110) .15.An electronic communication device (200) for a communication system (300) , the electronic communication device (200) comprising at least one acoustic resonator device (100) according to any one of the preceding claims.

Images