Acoustic resonator and radio frequency filter comprising the same

Abstract

An acoustic resonator is provided, which ensures high piezoelectric coupling and exhibits reduced (e.g., compared to conventional XBARs) acoustic losses at (and around) a resonance frequency. The acoustic resonator comprises an interdigital transducer (IDT), the interleaved fingers of which are provided on or at least partly recessed into a piezoelectric layer. The IDT has a pitch of at least twice the total thickness of the piezoelectric layer. The piezoelectric layer is attached to a support structure and covers an open cavity formed in the latter such that the overlapping portions of the fingers are suspended over the cavity. The acoustic resonator is characterized in that the piezoelectric layer is made of a piezoelectric material having a crystallographic cut at which a lateral electric field produced between adjacent IDT fingers in response to applied RF potentials of periodically opposite polarity causes excitation of the SH1 mode in the piezoelectric layer.

Description

ACOUSTIC RESONATOR AND RADIO FREQUENCY FILTER COMPRISING THE SAMETECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates generally to the field of acoustic devices. In particular, the present disclosure relates to an acoustic resonator functioning as a laterally excited bulk acoustic wave resonator (XBAR) and configured to excite a first-order shear horizontal (SH1) mode in its piezoelectric layer.BACKGROUND

[0002] Acoustic resonators can be used to implement signal processing functions in various electronic applications. For example, the acoustic resonators are used in the existing wireless and wired communication devices, such as mobile phones, to implement radio frequency (RF) filters and / or multiplexers for transmitted and / or received wireless and / or wired signals. Some examples of the acoustic resonators include different types of surface acoustic wave (SAW) resonators, bulk acoustic wave (BAW) resonators, thin-film bulk acoustic resonators (FBARs) , XBARs, transversally excited shear wave resonators (YBARs) , stacked bulk acoustic resonators (SBARs) , double bulk acoustic resonators (DBARs) , and solidly mounted resonators (SMRs) .

[0003] In the conventional XBARs, a shear acoustic wave is excited by a lateral electric field between metal electrodes or fingers of an interdigital transducer (IDT) formed on a suspended piezoelectric membrane typically made of lithium niobate (LN) . Said suspension may be provided by forming a cavity in a support substrate and arranging the piezoelectric membrane on the support substrate so as to cover the cavity, with the overlapping portions of the IDT fingers being over the open cavity. Alternatively, the piezoelectric membrane may be suspended using pedestals distributed over the surface of the support substrate. The resonance frequency of such XBARs is mainly determined by the membrane thickness which, for fundamental-mode operation, corresponds to a half-wavelength, λ / 2, of the shear acoustic wave resonating in the thickness direction of the membrane.

[0004] However, the displacements of the shear wave excited in the conventional XBARs are close to an A1 Lamb mode and occur in opposite directions (i.e., have opposite phases) in neighboring pitches (i.e., between adjacent pairs of interleaved IDT fingers) , creating compressive stresses in the IDT fingers. Such stresses cause parasitic vibrations in the IDT fingers and increase acoustic losses, thereby reducing the XBAR quality factor Q. In case of the piezoelectric membrane suspended on the pedestals, the parasitic vibrations may also propagate through the pedestals, regardless of their width, thus transferring acoustic energy to the support substrate and increasing the acoustic losses even more. Finally, all of this may increase insertion loss of RF filters (e.g., ladder filters) using such acoustic resonators.

[0005] Thus, more engineering is required to reduce the acoustic losses of the XBARs due to the above-mentioned parasitic vibrations.SUMMARY

[0006] This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the detailed description. This summary is not intended to identify key features of the present disclosure, nor is it intended to be used to limit the scope of the present disclosure.

[0007] It is an objective of the present disclosure to provide an acoustic resonator that functions as an XBAR but is configured to excite the SH1 mode in its piezoelectric layer.

[0008] The objective above is achieved by the features of the independent claims in the appended claims. Further embodiments and examples are apparent from the dependent claims, the detailed description, and the accompanying drawings.

[0009] According to a first aspect, an acoustic resonator is provided. The acoustic resonator comprises a support substrate having an open cavity, a piezoelectric layer attached to the support substrate so as to cover the open cavity, and an IDT comprising a set of interleaved fingers. The IDT has a pitch of at least twice a thickness of the piezoelectric layer. The set of interleaved fingers is provided on or at least partly recessed into the piezoelectric layer such that overlapping portions of fingers of the set of interleaved fingers are over the open  cavity. The IDT is configured to produce a lateral electric field between adjacent fingers of the set of interleaved fingers when radio frequency potentials of periodically opposite polarity are applied to the set of interleaved fingers. The acoustic resonator according to the first aspect is characterized in that the piezoelectric layer is made of a piezoelectric material having a crystallographic cut at which the lateral electric field causes excitation of the SH1 mode in the piezoelectric layer. In the acoustic resonator thus configured, the SH1 mode displacements will create shear deformation between the IDT fingers, as well as in the IDT fingers themselves, which generates fewer acoustic losses than in the conventional XBARs (where the A1 mode displacements are excited by the lateral electric field between the IDT fingers and create said compression deformation in the IDT fingers) . Furthermore, the piezoelectric material with such a crystallographic cut may provide strong piezoelectric coupling in the acoustic resonator, thereby increasing a relative Resonance-antiResonance (RaR) frequency separation factor which determines the passband of RF filters where the acoustic resonator according to the first aspect may be used.

[0010] In one exemplary embodiment of the first aspect, the piezoelectric material is one of LiNbO3, LiTaO3, LiIO3, GaAs, langasite and quartz. These materials exhibit proper piezoelectric properties for the efficient operation of the acoustic resonator.

[0011] In one exemplary embodiment of the first aspect, the piezoelectric material is one of: rotated Y-cut LiNbO3 (LN) having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) , rotated Y-cut LiTaO3 (LT) having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) , rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 32.5°±25°, 0°) , rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 122.5°±25°, 0°) , and rotated Y-cut quartz having a propagation direction perpendicular to an X axis and Euler angles of (0°, 145°±25°, 90°) . By using these cuts of LN, LT and quartz, it is possible to achieve stronger piezoelectric coupling (e.g., up to for LN) due to a larger piezoelectric module e14, thereby providing strong excitation of the SH1 mode by the lateral electric field applied between the IDT fingers.

[0012] In one exemplary embodiment of the first aspect, the set of interleaved fingers is provided on the piezoelectric layer and the piezoelectric material is rotated Y-cut LiNbO3 having Euler angles of (0°, 60°, 45°) . In this embodiment, the acoustic resonator further comprises at least one additional piezoelectric layer provided between the piezoelectric layer and the support substrate and covering the open cavity. The at least one additional piezoelectric  layer is made of LiNbO3 having Euler angles of (0°, 60°-180°, ±45°) or (0°, 60°, 45°±180°) . Such a multi-layered structure or membrane with two or more piezoelectric layers may further increase piezoelectric coupling (and the RaR parameter) and reduce parasitic modes.

[0013] In one exemplary embodiment of the first aspect, each finger of the set of interleaved fingers is made of Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof. These metals or their alloys exhibit low acoustic losses and allow for efficient excitation of acoustic waves (i.e., the SH1 mode in this case) . Furthermore, Pt and W provide high durability in harsh operating conditions (high temperature, corrosive environments) . All these materials are also compatible with standard semiconductor techniques, such as sputtering, photolithography, etc., ensuring that the acoustic resonator may be integrated into large-scale production.

[0014] In one exemplary embodiment of the first aspect, each finger of the set of interleaved fingers is configured as a multi-layered structure comprising at least two layers each made of a conductive material. The multi-layered design of the IDT fingers may be used to optimize various properties thereof, such as electrical conductivity, thermal management, mechanical strength, and resistance to environmental factors.

[0015] In one exemplary embodiment of the first aspect, the open cavity has a bottom extending substantially parallel to the piezoelectric layer, and each finger of the set of interleaved fingers is configured as a pedestal comprising a top part and a bottom part adjacent to the top part. The bottom part of each finger of the set of interleaved fingers is attached to and extends from the bottom of the open cavity to the piezoelectric layer. The top part of each finger of the set of interleaved fingers is at least partly recessed into the piezoelectric layer. By recessing the top parts of the IDT fingers into the multi-layered membrane, it is possible to provide better uniformity of electric fields in the piezoelectric layer, thereby providing stronger piezoelectric coupling. Moreover, such pedestals may improve the mechanical stability of the entire resonator structure. It should be also noted that the heat generated in the IDT fingers because of their resistivity may be evacuated directly to the support substrate preferably having a high thermal conductivity. In this way, the power handling capability of the acoustic resonator may be increased.

[0016] In one alternative exemplary embodiment of the first aspect, when the at least one additional piezoelectric layer is provided between the piezoelectric layer and the support substrate, the bottom of the open cavity also extends substantially parallel to the piezoelectric layer, and each finger of the set of interleaved fingers is also configured as a pedestal comprising a top part and a bottom part adjacent to the top part. However, in this embodiment, the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers is attached to and extends from the bottom of the cavity to the at least one additional piezoelectric layer, and the top part of each finger of the set of interleaved fingers is at least partly recessed into the piezoelectric layer and the at least one additional piezoelectric layer. In addition to the above-mentioned advantages provided by the presence of the additional piezoelectric layer (s) , such pedestal-shaped IDT fingers may also result in improved piezoelectric coupling, mechanical stability, and power handling capability.

[0017] In one exemplary embodiment of the first aspect, the top part of each finger of the set of interleaved fingers is made of a conductive material, and the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers is made of a conductive material or a dielectric material. The ability to choose different materials for the top and bottom parts of the IDT fingers allows for greater design flexibility. For example, the top part may be made of a material with good acoustic and electrical properties, and the bottom part may be made of a material that provides adequate mechanical support and thermal stability.

[0018] In one exemplary embodiment of the first aspect, the conductive material of each of the top part and the bottom part is one of Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof. These metals or their alloys exhibit low acoustic losses and allow for efficient excitation of acoustic waves (i.e., the SH1 mode in this case) . Furthermore, Pt and W provide high durability in harsh operating conditions (high temperature, corrosive environments) . All these materials are also compatible with standard semiconductor techniques, such as sputtering, photolithography, etc., ensuring that the acoustic resonator may be integrated into large-scale production.

[0019] In one exemplary embodiment of the first aspect, the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers has a vertical dimension (i.e., height) of where n is a positive odd number, and λpedestal is a wavelength of a bulk shear wave at an operational  frequency of the acoustic resonator in the bottom part. The bulk shear wave may have a polarization identical to that of the SH1 mode. The pedestals with such a thickness of the bottom part may additionally result in improved piezoelectric coupling and mechanical stability.

[0020] In one exemplary embodiment of the first aspect, the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers has a horizontal dimension (i.e., width) less than λpedestal / 2. In this case, the SH1 mode wave excited in the piezoelectric layer (s) exponentially decays downwardly along each pedestal, thereby further improving the acoustic isolation of the piezoelectric layer (s) from the support substrate and hence minimizing acoustic losses in the acoustic resonator.

[0021] In one exemplary embodiment of the first aspect, the support substrate is made of SiC, Si, SiO2, BN or diamond. Such materials have a high acoustic velocity, for which reason they may contribute to better piezoelectric coupling and consequently improve the performance of the acoustic resonator. Furthermore, these materials are good in terms of mechanical and dielectric properties, for which reason they may provide a strong support for the piezoelectric layer (s) carrying the set of interleaved fingers. These materials have a high thermal conductivity which may increase the power handling capability of the acoustic resonator.

[0022] According to a second aspect, an RF filter is provided, which comprises a set of acoustic resonators according to the first aspect. In this filter design, the set of acoustic resonators is arranged in a ladder scheme. The RF filter thus configured may be efficiently (especially in a gigahertz frequency band) used for duplexers and multiplexers in user equipment (e.g., mobile phones, etc. ) and network nodes (e.g., base stations, gNBs, etc. ) . By using the ladder scheme, it is possible to electrically connect the acoustic resonators both in series and in shunt branches of the “ladder” within the same RF filter. The ladder scheme also provides a close-packed arrangement of the acoustic resonators.

[0023] Other features and advantages of the present disclosure will be apparent upon reading the following detailed description and reviewing the accompanying drawings.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0024] The present disclosure is explained below with reference to the accompanying drawings in which:

[0025] FIG. 1 schematically shows an A1-mode shear acoustic wave excited in a conventional XBAR;

[0026] FIGs. 2A-2C show different schematic views of an acoustic resonator according to a first exemplary embodiment, namely: FIG. 2A shows a top view of the acoustic resonator; FIG. 2B shows a sectional side view of the acoustic resonator, as obtained by using section line A-A in FIG. 2A; and FIG. 2C shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers of an interdigital transducer (IDT) included in the acoustic resonator, with the magnified sectional side view taken inside the area defined by rectangle B in FIG. 2B;

[0027] FIG. 3 schematically shows an SH1-mode shear acoustic wave excited in a piezoelectric layer included in the acoustic resonator according to the first exemplary embodiment;

[0028] FIG. 4 shows an admittance curve of optimized parameters (i.e., an absolute value of admittance Abs (Y11) and its real part Re (Y11) on a logarithmic scale) for the acoustic resonator according to the first exemplary embodiment;

[0029] FIGs. 5A and 5B show different schematic views of an acoustic resonator according to a second exemplary embodiment, namely: FIG. 5A shows a sectional side view of the acoustic resonator; and FIG. 5B shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers of an IDT included in the acoustic resonator, with the magnified sectional side view taken inside the area defined by rectangle C in FIG. 5A;

[0030] FIG. 6 shows an admittance curve of optimized parameters (i.e., the absolute value of admittance Abs (Y11) and its real part Re (Y11) on the logarithmic scale) for the acoustic resonator according to the second exemplary embodiment;

[0031] FIG. 7 shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers of an IDT included in an acoustic resonator according to a third exemplary embodiment; and

[0032] FIG. 8 shows a general block diagram of an RF filter according to one exemplary embodiment.DETAILED DESCRIPTION

[0033] Various embodiments of the present disclosure are further described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present disclosure may be embodied in many other forms and should not be construed as limited to any certain structure or function discussed in the following description. In contrast, these embodiments are provided to make the description of the present disclosure detailed and complete.

[0034] According to the detailed description, it will be apparent to the ones skilled in the art that the scope of the present disclosure encompasses any embodiment thereof, which is disclosed herein, irrespective of whether this embodiment is implemented independently or in concert with any other embodiment of the present disclosure. For example, the apparatuses disclosed herein may be implemented in practice by using any numbers of the embodiments provided herein. Furthermore, it should be understood that any embodiment of the present disclosure may be implemented using one or more of the features presented in the appended claims.

[0035] The word “exemplary” is used herein in the meaning of “used as an illustration” . Unless otherwise stated, any embodiment described herein as “exemplary” should not be construed as preferable or having an advantage over other embodiments.

[0036] Any positioning terminology, such as “left” , “right” , “top” , “bottom” , “above” “below” , “upper” , “lower” , “horizontal” , “vertical” , etc., may be used herein for convenience to describe one element’s or feature's relationship to one or more other elements or features in accordance with the figures. It should be apparent that the positioning terminology is intended to encompass different orientations of the apparatus disclosed herein, in addition to the orientation (s) depicted in the figures. As an example, if one imaginatively rotates the apparatus in the figures 90 degrees clockwise, elements or features described as “left” and “right” relative to other elements or features would then be oriented, respectively, “above”  and “below” the other elements or features. Therefore, the positioning terminology used herein should not be construed as any limitation of the present disclosure.

[0037] Furthermore, although the numerative terminology, such as “first” , “second” , etc., may be used herein to describe various embodiments, elements or features, it should be understood that these embodiments, elements or features should not be limited by this numerative terminology. This numerative terminology is used herein only to distinguish one embodiment, element or feature from another embodiment, element or feature. For example, a first piezoelectric layer discussed below could be called a second piezoelectric layer, and vice versa, without departing from the teachings of the present disclosure.

[0038] FIG. 1 schematically shows an A1-mode shear acoustic wave excited in a conventional XBAR 100. For simplicity, FIG. 1 shows only two interleaved fingers 102 on a piezoelectric layer or membrane 104 of the XBAR 100. However, it is implied that the interleaved fingers 102 are periodically repeated on the surface of the piezoelectric layer 104, so that there are hundreds of such fingers along a direction 1. The piezoelectric layer 104 of the XBAR 100 is typically made of a LN cut. When RF potentials of periodically opposite polarity are fed to the interleaved fingers 102, a time-varying electric field E is created between the interleaved fingers 102 inside the piezoelectric layer 104. The direction of the electric field E is mainly lateral due to the high dielectric permittivity of the piezoelectric layer 104 and oppositely directed in the neighboring sections or pitches of the piezoelectric layer 104 (i.e., on opposite sides of each of the interleaved fingers 102) , as indicated by the solid arrows labeled “E” . The direction of the electric field E shows that the XBAR 100 is “laterally excited” , which accounts for its name. The lateral electric field E causes shear deformations in the piezoelectric layer 104, resulting in the excitation of the shear acoustic wave with displacements in direction 1. The shear deformations are shown in FIG. 1 by means of curves 106 illustrating the mechanical displacements in the shear acoustic wave. Basically, it is a standing shear wave thickness resonance. As also follows from FIG. 1, there is substantially no horizontal electric field under the interleaved fingers 102 themselves, and the shear acoustic wave is only minimally excited under them, and its amplitude (see the dotted arrows) turns to zero under the middle of each of the interleaved fingers 102. Since acoustic vibrations are almost not excited under the interleaved fingers 102, the acoustic energy coupled to the interleaved fingers 102 is low (i.e., almost all the acoustic  energy is retained in the piezoelectric layer 104) . This schematic illustration of the shear acoustic wave also shows that the interleaved fingers 102 are positioned in the nodes of the acoustic wave (i.e., in the points where the acoustic wave has a zero or minimum amplitude) .

[0039] However, since the displacements occurring in the XBAR 100 are of opposite directions in the neighboring sections of the piezoelectric layer 104, compression stresses acting on the interleaved fingers 102 are created. Such stresses generate parasitic compressional deformations in the interleaved fingers themselves and consequently increase acoustic losses, thereby decreasing the XBAR quality factor Q.

[0040] The exemplary embodiments disclosed herein relate to an acoustic resonator that provides high piezoelectric coupling and exhibits reduced (e.g., compared to the conventional XBARs) acoustic losses at (and around) a resonance frequency. More specifically, the acoustic resonator comprises an IDT, the interleaved fingers of which are either provided on a piezoelectric layer or at least partly recessed into the piezoelectric layer. The IDT has a pitch of at least twice the total thickness of the piezoelectric layer. The piezoelectric layer itself is attached to a support structure and covers an open cavity formed in the latter such that the overlapping portions of the IDT fingers are suspended over the cavity. The acoustic resonator is characterized in that the piezoelectric layer is made of a piezoelectric material having a crystallographic cut at which a lateral electric field produced between adjacent IDT fingers in response to applied RF potentials of periodically opposite polarity causes excitation of the SH1 mode in the piezoelectric layer.

[0041] FIGs. 2A-2C show different schematic views of an acoustic resonator 200 according to a first exemplary embodiment. More specifically, FIG. 2A shows a top view of the acoustic resonator 200, FIG. 2B shows a sectional side view of the acoustic resonator 200 (as obtained by using section line A-A in FIG. 2A) , and FIG. 2C shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers 202 of an IDT included in the acoustic resonator 200 (this magnified sectional side view is taken inside the area defined by rectangle B in FIG. 2B) . The interleaved fingers 202 are formed on a piezoelectric layer or membrane 204 attached to a support substrate 206 (see FIG. 2B) . In one other embodiment, the interleaved fingers 202 may be partly or fully recessed into the piezoelectric layer 204. The interleaved fingers 202 may be made of any suitable  conductive (e.g., metal) material, such as Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof. The support substrate 206 provides mechanical support to the piezoelectric layer 204. Preferably, the support substrate 206 is made of any robust non-conductive material having a high acoustic velocity, such as SiC, diamond, BN, sapphire, Si and SiO2. The piezoelectric layer 204 may be bonded to the support substrate 206 using a wafer bonding process, or grown on the support substrate 206, or attached to the support substrate 206 in some other manner. Furthermore, the piezoelectric layer 204 may be attached directly to the support substrate 206 or may be attached to the support substrate 206 via one or more intermediate layers.

[0042] As shown in FIGs. 2A and 2B, the support substrate 206 has an open cavity 208 covered with the piezoelectric layer 204 such that the overlapping portions or parts of the interleaved fingers 202 are over the cavity 208. Although the cavity 208 is shown in FIG. 2B as a hole passing entirely through the support substrate 206, this should not be construed as any limitation of the present disclosure. In other embodiments, the cavity 208 may be implemented as a dead hole or recess. In general, the term “cavity” used herein should be understood as an empty space within a solid object. As also follows from FIG. 2B, the cavity 208 has a rectangular shape, but it is again worth noting that any other shape of the cavity 208, such as a regular or irregular polygon, is also possible, provided that the entire set of interleaved fingers 202 is suspended over it. The cavity 208 may be formed in the support substrate 206 either before or after the piezoelectric layer 204 is attached to the support substrate 206. For this purpose, different techniques may be used, such as bulk micromachining, selective etching, etc. Optionally, the support substrate 206 may comprise a top layer of a different material (e.g., a top SiO2 layer) , and the cavity 208 may be formed by deleting a part of this top layer under the IDT.

[0043] As follows from FIG. 2A, the set of interleaved fingers 202 comprises a first subset of fingers extending from a first (top) busbar 210 and a second subset of fingers extending from a second (bottom) busbar 212. Both subsets of fingers are interleaved. The interleaved fingers 202 overlap for a distance AP that is commonly referred to as the “aperture” of the IDT. Preferably, the open cavity 208 is dimensioned to coincide with the aperture of the IDT. The busbars 210 and 212 serve as two different-polarity terminals of the acoustic resonator 200. In FIG. 2C, the left finger 202 is assumed to be connected to the  busbar 210, and the right finger 202 is assumed to be connected to the busbar 212, with the busbars 210 and 212 being fed with RF potentials of opposite polarity. It should be noted that the dimensions of the interleaved fingers 202 and the piezoelectric layer 204 are not to scale in FIG. 2C for convenience –in practice, the thickness of the interleaved fingers 202 may be smaller than, comparable to, or even at least twice the thickness of the piezoelectric layer 204 (in the latter case, such thick IDT fingers may be used to decrease their resistivity and to improve heat evacuation through the IDT fingers to the busbars) . As for the width of the interleaved fingers 202, it is typically at least comparable with the total thickness of the piezoelectric layer 204. Also, the IDT has a pitch p which is at least twice the total thickness of the piezoelectric layer 204.

[0044] During operation, an RF or microwave signal having a frequency comparable with the resonance frequency of the acoustic resonator 200 is applied to the busbars 210 and 212. As a result of the piezoelectric effect, a shear acoustic wave is excited within the piezoelectric layer 204. The shear acoustic wave has a mode that is mainly defined by the piezoelectric material of the piezoelectric layer 204 (e.g., its cut with certain Euler angles) . More specifically, the acoustic resonator 200 is characterized in that the piezoelectric layer 204 is made of a piezoelectric material having such a crystallographic cut at which the lateral electric field created in the piezoelectric layer 204 between the interleaved fingers 202 in response to the applied RF signal causes excitation of the SH1 mode of the shear acoustic wave.

[0045] The present authors have found that some new (not previously used for the XBARs) cuts of LN, LiTaO3, LiIO3, GaAs, TeO2, Langasite and quartz may provide such SH1 mode excitation by the lateral electric field between the interleaved fingers. In general, what is needed for this purpose is a crystal / cut with strong coupling of the horizontal component of the electric field to shear deformation with displacements in direction “2” , that is, with a large piezo-module e14. For example, a search for suitable LN cuts has showed that the maximum value of e14 is achieved in rotated Y-cut LN having Euler angles of (0°, 60°, 45°) , for which e14=2.5484, resulting in an electromechanical coupling coefficient where ε11 and c44 are dielectric and elastic constants, respectively. The electromechanical coupling coefficient is suitable for design of acoustic  resonators (of XBAR type) with a RaR parameter of around 10%-12%, for example, for Sub-Band n79.

[0046] Given below are non-restrictive examples of other suitable cuts of LN and other materials:

[0047] - rotated Y-cut LN having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) ;

[0048] - rotated Y-cut LT having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) ;

[0049] - rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 32.5°±25°, 0°) ;

[0050] - rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 122.5°±25°, 0°) ; and

[0051] - rotated Y-cut quartz having a propagation direction perpendicular to an X axis and Euler angles of (0°, 145°±25°, 90°) .

[0052] Some examples of suitable quartz cuts may also include, but are not limited to:

[0053] - 36°YX-cut 90°X-propagation quartz having Euler angles of (0°, -54°±10°, 90°) ;

[0054] - 144°YX-cut 90°X-propagation quartz having Euler angles of (0°, -54°±10°, 90°) ;

[0055] - 36°YX-cut quartz having Euler angles of (0°, 54°±10°, 0°) ;

[0056] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (30°±5°, 45°±5°, 135°±5°) ;

[0057] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (30°±5°, 60°±5°, 45°±5°) ;

[0058] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (30°±5°, 120°±5°, 45°±5°) ;

[0059] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (30°±5°, 135°±5°, 135°±5°) ;

[0060] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (90°±5°, 45°±5°, 45°±5°) ;

[0061] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (90°±5°, 60°±5°, 135°±5°) ;

[0062] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (90°±5°, 120°±5°, 135°±5°) ;

[0063] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (90°±5°, 135°±5°, 45°±5°) ;

[0064] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (150°±5°, 45°±5°, 135°±5°) ;

[0065] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (150°±5°, 60°±5°, 45°±5°) ;

[0066] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (150°±5°, 120°±5°, 45°±5°) ; and

[0067] - double-rotated cut quartz having Euler angles of (150°±5°, 135°±5°, 135°±5°) .

[0068] It should be noted that the number, shape and arrangement of the constructive elements constituting the acoustic resonator 200, which are shown in FIGs. 2A-2C, are not intended to be any limitation of the present disclosure, but merely used to provide a general idea of how the constructive elements may be implemented within the acoustic resonator 200. For example, the width of the cavity 208 in the direction of the interleaved fingers 202 of the  IDT may correspond to the aperture AP, voids in LN may be made near the tips of the interleaved fingers 202, different types of reflectors may be implemented at the ends of the IDT, etc. Other well-known features used in the conventional XBARs to reduce the resistivity of fingers or electrodes and improve a Q-factor may be implemented in the acoustic resonator 200 by those skilled in the art. Furthermore, each of the interleaved fingers 202 may be configured as a multi-layered structure comprising two or more layers each made of a conductive material and having a different or similar thickness.

[0069] FIG. 3 schematically shows the SH1-mode shear acoustic wave excited in the piezoelectric layer 104 of the acoustic resonator 200. For simplicity, FIG. 3 again shows only two interleaved fingers 202 on the piezoelectric layer 204 of the acoustic resonator 200. The RF potentials of periodically opposite polarity are fed to the interleaved fingers 202, thereby creating the lateral electric field E between the fingers 202 and inside the piezoelectric layer 104. The direction of the electric field E is mainly lateral due to the high dielectric permittivity of the piezoelectric layer 204 and oppositely directed in the neighboring sections of the piezoelectric layer 204, as indicated by the solid arrows labeled “E” . The direction of the electric field E shows that the acoustic resonator 200 is “laterally excited” , i.e., may function as an XBAR. Given the specific LN cut used as the piezoelectric material of the piezoelectric layer 204 (i.e., Y-cut LN having Euler angles of (0°, 60°, 45°) ) , the shear displacements excited by the lateral electric field E go in direction 2, i.e., perpendicular to the plane of FIG. 3. Moreover, like in the conventional XBAR 100, these shear displacements are concentrated mainly between the interleaved fingers 202 and occur in opposite directions on both sides of each finger 202. As can be seen, in this case, the interleaved fingers 202 of the IDT should not be subjected to compressive stress, thereby eliminating the excitation of parasitic vibrations inherent in conventional XBARs (e.g., the XBAR 100) ; instead, the interleaved fingers 202 of the IDT are subjected to shear deformations which are less “lossy” compared to the compressive ones.

[0070] FIG. 4 shows an admittance curve for the acoustic resonator 200. More specifically, the admittance curve illustrates the frequency dependences of the absolute value of admittance Y11, i.e., Abs (Y11) , (designated as “400” ) and its real part Re (Y11) (designated as “402” ) with a logarithmic vertical scale. These frequency dependences have been obtained using FEM simulation with the following device geometry parameters: the  thickness of the LN piezoelectric layer 204 is hLN = 390 nm, p = 7.5 μm, the thickness of the interleaved fingers 202 (made of Al) is tAl = 60 nm, and the width of the interleaved fingers is wAl = 400 nm. In this case, the LN cut has been used with maximal e14. As can be seen, the RaR frequency gap is about 550 MHz, which must be sufficient of using the acoustic resonator 200 in n79 filter designs.

[0071] FIGs. 5A and 5B show different schematic views of an acoustic resonator 500 according to a second exemplary embodiment. More specifically, FIG. 5A shows a sectional side view of the acoustic resonator 500, and FIG. 5B shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers 502 of an IDT included in the acoustic resonator 500, with the magnified sectional side view taken inside the area defined by rectangle C in FIG. 5A.

[0072] As shown in FIGs. 5A and 5B, the acoustic resonator 500 comprises a piezoelectric layer 504 attached to a support substrate 506 such that an open cavity 508 formed in the support substrate 506 is covered with the piezoelectric layer 504. The piezoelectric layer 504 and the support substrate 506 may be made of the same materials as the piezoelectric layer 204 and the support substrate 206, respectively. Unlike the open cavity 208, the open cavity 508 is made as a dead hole and has a bottom extending substantially parallel to the piezoelectric layer 504. In this embodiment, it is again implied that the IDT pitch p is at least twice the total thickness of the piezoelectric layer 504.

[0073] As shown in FIG. 5B, each of the interleaved fingers 502 is configured as a pedestal comprising a top part 510 and a bottom part 512 adjacent to the top part 510. The bottom part 510 of each finger 502 is attached to and extends from the bottom of the open cavity 508 to the piezoelectric layer 504. The top part 510 of each finger 502 is partly recessed into the piezoelectric layer 504. In one other embodiment, the top part 510 of each finger 502 may be fully recessed into the piezoelectric layer 504. It should be noted that the top and bottom parts 510 and 512 of each finger 504 may be made of a (different or same) conductive material (e.g., Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof) , or the top part 510 may be made of a conductive material and the bottom part 512 may be made of a dielectric material. Preferably, the bottom part 512 of each finger 504 has a vertical dimension (i.e., height or thickness) of and a horizontal dimension (i.e., width)  less than λpedestal / 2, where n is a positive odd number, and λpedestal is a wavelength of a bulk shear wave at an operational frequency of the acoustic resonator 500 in the bottom part 512.

[0074] Like in the acoustic resonator 200, when the interleaved fingers 502 (i.e., their top parts 510) are fed with RF potentials of periodically opposite polarity, the lateral electric filed is created between the top parts 510 of the fingers 502 inside the piezoelectric layer 504. As a result of the piezoelectric effect, the SH1-mode shear acoustic wave is excited, which is like the one shown in FIG. 3. The SH1-mode shear acoustic wave may propagate downwardly along the pedestals to the support substrate 506, but if the bottom parts 512 are sized as discussed above (namely, their width is less than λpedestal / 2) , the SH1-mode shear acoustic wave will exponentially attenuate along the bottom parts 512. This may provide strong acoustic isolation from the support substrate 506, thereby improving the Q-factor of the acoustic resonator 500.

[0075] FIG. 6 shows an admittance curve for the acoustic resonator 500. More specifically, the admittance curve illustrates the frequency dependences of the absolute value of admittance Abs (Y11) (designated as “600” ) and its real part Re (Y11) (designated as “602” ) with a logarithmic vertical scale. These frequency dependences have been obtained using FEM simulation with the following device geometry parameters: the thickness of the LN piezoelectric layer 504 is hLN = 500 nm, p = 3 μm, the thickness of the part 512 of each of the interleaved fingers 202 (made of Al) is tAl = 300 nm, and the width of the interleaved fingers (i.e., the parts 510) is wAl = 400 nm. In this case, the LN cut with maximal e14 has been again used. As can be seen, the RaR frequency gap is about 355 MHz (or 9.4%) , which must be again sufficient (scaling it to 4.7 GHz) of using the acoustic resonator 500 in n79 filter designs.

[0076] FIG. 7 shows a magnified sectional side view of one period comprising two interleaved fingers of an IDT included in an acoustic resonator 700 according to a third exemplary embodiment. More specifically, interleaved figures 702 are provided on a piezoelectric membrane which may comprise two or more piezoelectric layers. In this embodiment, the membrane comprises a first (top) piezoelectric layer 704 and a second (bottom) piezoelectric layer 706. The membrane is assumed to be attached to a support substrate (not shown in FIG. 7) with an open cavity such that the overlapping portions of the  interleaved fingers 702 are over the cavity. For example, such a membrane may be formed on the support substrate 206 with the cavity 208. The first piezoelectric layer 704 is made of rotated Y-cut LN having Euler angles (0°, 60°, 45°) , and the second piezoelectric layer 706 covering the open cavity of the support substrate is made of LN having Euler angles of (0°, 60°-180°, ±45°) or (0°, 60°, 45°±180°) with opposite polarity. Such a multi-layered piezoelectric membrane allows one to further increase coupling (i.e., RaR parameter) and reduce parasitic modes. Three layered (or more) membrane is also possible with periodically opposite polarity of piezoelectric in every next layer. Furthermore, such a multi-layered piezoelectric membrane may be suspended on pedestals extending from the bottom of the open cavity to the lowest layer of the membrane (in this case, the open cavity is intended to be made as a dead hole, and the pedestals may be, for example, arranged under the IDT fingers 702) .

[0077] FIG. 8 shows a general block diagram of an RF filter 800 according to one exemplary embodiment. The RF filter 800 comprises a first set of series acoustic resonators 802-1, 802-2 and 802-3 and a second set of shunt resonators 804-1 and 804-2, which are arranged in a ladder scheme. Each of the acoustic resonators 802-1, 802-2, 802-3, 804-1, 804-2 may be implemented as any of the acoustic resonators 200, 500, and 700. For example, each of the acoustic resonators 802-1, 802-2, 802-3 may be implemented as the acoustic resonator 200, while each of the acoustic resonators 804-1 and 804-2 may be implemented as the acoustic resonator 500. In general, any combination of the acoustic resonators discussed above is possible within the RF filter 800. Furthermore, depending on desired filter performance, the “ladder” RF filter 800 may include even more acoustic resonators. The frequency shift between the series and parallel (shunt) acoustic resonators can be achieved using a different pitch, or by adjusting the thickness of the piezoelectric layer (s) in each acoustic resonator. A top thin dielectric layer (such as amorphous SiO2) covering the IDT fingers and the piezoelectric layer (s) may also be used for shifting the parallel branch resonator frequency down, as well as for tuning the frequency.

[0078] Although the exemplary embodiments of the present disclosure are described herein, it should be noted that any various changes and modifications could be made in the embodiments of the present disclosure, without departing from the scope of legal protection which is defined by the appended claims. In the appended claims, the word  “comprising” does not exclude other elements or operations, and the indefinite article “a” or “an” does not exclude a plurality. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage.

Claims

1.An acoustic resonator comprising:a support substrate having an open cavity;a piezoelectric layer attached to the support substrate so as to cover the open cavity; andan interdigital transducer (IDT) comprising a set of interleaved fingers, the IDT having a pitch of at least twice a thickness of the piezoelectric layer;wherein the set of interleaved fingers is provided on or at least partly recessed into the piezoelectric layer such that overlapping portions of fingers of the set of interleaved fingers are over the open cavity;wherein the IDT is configured to produce a lateral electric field between adjacent fingers of the set of interleaved fingers when radio frequency potentials of periodically opposite polarity are applied to the set of interleaved fingers; andwherein the piezoelectric layer is made of a piezoelectric material having a crystallographic cut at which the lateral electric field causes excitation of a first-order shear horizontal (SH1) mode in the piezoelectric layer.2.The acoustic resonator of claim 1, wherein the piezoelectric material is one of LiNbO3, LiTaO3, LiIO3, GaAs, langasite and quartz.3.The acoustic resonator of claim 2, wherein the piezoelectric material is one of:rotated Y-cut LiNbO3 having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) ;rotated Y-cut LiTaO3 having Euler angles of (0°, 60°±5°, 45°±5°) ;rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 32.5°±25°, 0°) ;rotated Y-cut quartz having Euler angles of (0°, 122.5°±25°, 0°) ; androtated Y-cut quartz having a propagation direction perpendicular to an X axis and Euler angles of (0°, 145°±25°, 90°) .4.The acoustic resonator of claim 3, wherein the set of interleaved fingers is provided on the piezoelectric layer and the piezoelectric material is rotated Y-cut LiNbO3 having Euler angles of (0°, 60°, 45°) , and wherein the acoustic resonator further  comprises at least one additional piezoelectric layer provided between the piezoelectric layer and the support substrate and covering the open cavity, the at least one additional piezoelectric layer being made of LiNbO3 having Euler angles of (0°, 60°-180°, ±45°) or (0°, 60°, 45°±180°) .5.The acoustic resonator of any one of claims 1 to 4, wherein each finger of the set of interleaved fingers is made of Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof.6.The acoustic resonator of any one of claims 1 to 4, wherein each finger of the set of interleaved fingers is configured as a multi-layered structure comprising at least two layers each made of a conductive material.7.The acoustic resonator of any one of claims 1 to 3, wherein the open cavity has a bottom extending substantially parallel to the piezoelectric layer, and wherein each finger of the set of interleaved fingers is configured as a pedestal comprising a top part and a bottom part adjacent to the top part, the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers being attached to and extending from the bottom of the open cavity to the piezoelectric layer, and the top part of each finger of the set of interleaved fingers being at least partly recessed into the piezoelectric layer.8.The acoustic resonator of claim 4, wherein the open cavity has a bottom extending substantially parallel to the piezoelectric layer, and wherein each finger of the set of interleaved fingers is configured as a pedestal comprising a top part and a bottom part adjacent to the top part, the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers being attached to and extending from the bottom of the cavity to the at least one additional piezoelectric layer, and the top part of each finger of the set of interleaved fingers is at least partly recessed into the piezoelectric layer and the at least one additional piezoelectric layer.9.The acoustic resonator of claim 7 or 8, wherein the top part of each finger of the set of interleaved fingers is made of a conductive material, and the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers is made of a conductive material or a dielectric material.10.The acoustic resonator of claim 9, wherein the conductive material of each of the top part and the bottom part is one of Al, Cu, Au, Pt, W, Mo, or any alloy thereof.11.The acoustic resonator of any one of claims 7 to 10, wherein the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers has a vertical dimension of where n is a positive odd number, and λpedestal is a wavelength of a bulk shear wave at an operational frequency of the acoustic resonator in the bottom part.12.The acoustic resonator of claims 7 to 11, wherein the bottom part of each finger of the set of interleaved fingers has a horizontal dimension less than λpedestal / 2.13.The acoustic resonator of any one of claims 1 to 12, wherein the support substrate is made of SiC, Si, SiO2, BN or diamond.14.A radio frequency (RF) filter comprising a set of acoustic resonators according to any one of claims 1 to 13, wherein the set of acoustic resonators is arranged in a ladder scheme.

Images