FR3158015A1 - Elastic wave device - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un dispositif à ondes élastiques comprenant un matériau piézoélectrique 3, en particulier un matériau ferroélectrique avec des premiers domaines 3a d’un premier sens de polarisation 13a et des deuxièmes domaines 3b avec un second sens de polarisation 13b, le premier sens 13a étant opposé au second sens, dans laquelle les premiers et deuxièmes domaines 3a, 3b sont alternés de manière périodique selon une direction d, dite direction périodique, perpendiculaire à la normale n de la surface du matériau piézoélectrique 3, et une paire d’électrodes en peigne interdigitées 15a, 15b enterrées dans le matériau piézoélectrique 3 dont les dents de peigne 17a1 à 17a3 et 17b1 à 17b3 respectives s’étendent essentiellement perpendiculaires à la direction périodique d et à la normale n. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 The present invention relates to an elastic wave device comprising a piezoelectric material 3, in particular a ferroelectric material with first domains 3a of a first polarization direction 13a and second domains 3b with a second polarization direction 13b, the first direction 13a being opposite to the second direction, in which the first and second domains 3a, 3b are periodically alternated in a direction d, called the periodic direction, perpendicular to the normal n of the surface of the piezoelectric material 3, and a pair of interdigitated comb electrodes 15a, 15b buried in the piezoelectric material 3 whose respective comb teeth 17a1 to 17a3 and 17b1 to 17b3 extend essentially perpendicular to the periodic direction d and to the normal n. Figure for abstract: Fig. 1
Description
L'invention se rapporte à un dispositif à ondes élastiques et un procédé de fabrication d’un tel dispositif à ondes élastiques.The invention relates to an elastic wave device and a method of manufacturing such an elastic wave device.
Les dispositifs à ondes élastiques de surface (« surface acoustic wave » est abrégé par SAW en anglais) sont utilisés dans un nombre important d'applications, telles que filtres, capteurs et lignes à retard. Des filtres radiofréquences SAW sont par exemple utilisés dans des dispositifs de communication mobile en raison de leurs structures simples avec des faibles pertes et de petites tailles aux fréquences radios (100 MHz - 10 GHz).Surface acoustic wave (SAW) devices are used in a wide range of applications, such as filters, sensors, and delay lines. SAW radio frequency filters are used, for example, in mobile communication devices due to their simple structures with low losses and small sizes at radio frequencies (100 MHz - 10 GHz).
Dans un dispositif à ondes élastiques, un ou plusieurs transducteurs à peignes interdigités (IDT) sont formés sur un substrat piézoélectrique monocristallin. L’effet piézoélectrique direct permet de convertir une onde élastique, généralement de type Rayleigh, se propageant sur la surface du substrat piézoélectrique, en signaux électriques, en excitant électriquement les doigts des peignes. Inversement, un signal électrique peut être induit à travers les doigts des peignes pour créer une onde élastique de surface se propageant dans le substrat piézoélectrique sous le transducteur.In an elastic wave device, one or more interdigital comb transducers (IDTs) are formed on a single-crystal piezoelectric substrate. The direct piezoelectric effect converts an elastic wave, usually of the Rayleigh type, propagating on the surface of the piezoelectric substrate into electrical signals by electrically exciting the comb fingers. Conversely, an electrical signal can be induced through the comb fingers to create an elastic surface wave propagating in the piezoelectric substrate beneath the transducer.
La vitesse des ondes élastiques est généralement limitée par les propriétés du matériau piézoélectrique. Dans le cas du tantalate de lithium (LiTaO3), les ondes de Rayleigh présentent une vitesse de phase comprise entre 3.000 m.s-1et 3.500 m.s-1, avec un couplage maximum de l’ordre de 2 %. Les ondes de Rayleigh sur le niobate de lithium (LiNbO3) présentent des vitesses de phase allant jusqu'à 3.900 m.s-1avec un couplage maximum proche de 5,6 %. Les autres modes liés aux ondes de cisaillement et de compression sont typiquement plus rapides mais ne sont que partiellement guidés en surface et nécessitent des structures de guidages complexes.The speed of elastic waves is generally limited by the properties of the piezoelectric material. In the case of lithium tantalate (LiTaO 3 ), Rayleigh waves exhibit a phase velocity between 3,000 ms -1 and 3,500 ms -1 , with a maximum coupling of the order of 2%. Rayleigh waves on lithium niobate (LiNbO 3 ) exhibit phase velocities up to 3,900 ms -1 with a maximum coupling close to 5.6%. Other modes related to shear and compression waves are typically faster but are only partially surface guided and require complex guiding structures.
Des plaquettes de type couche piézoélectrique sur isolant (en anglais « piezoelectric on insulator » ou POI) permettent des modes avec des vitesses de phase plus élevées mais qui ne dépassent pas 4.200 m.s-1sur LiTaO3et 4.500 m.s-1sur LiNbO3sans pertes par rayonnement dans le substrat.Piezoelectric on insulator (POI) wafers allow modes with higher phase velocities but not exceeding 4,200 ms -1 on LiTaO 3 and 4,500 ms -1 on LiNbO 3 without radiation losses in the substrate.
L'objet de l'invention est donc de surmonter ces inconvénients en fournissant un dispositif à ondes élastiques, ayant un mode de fonctionnement à plus haute vitesse de phase que les ondes Rayleigh ou de cisaillement guidées.The object of the invention is therefore to overcome these drawbacks by providing an elastic wave device, having a higher phase velocity operating mode than guided Rayleigh or shear waves.
Pour réaliser l’objet, l’invention propose un dispositif à ondes élastiques comprenant un matériau piézoélectrique, en particulier un matériau ferroélectrique avec des premiers domaines d’une première direction de polarisation et des deuxièmes domaines avec une deuxième direction de polarisation, la première direction étant opposée à la deuxième direction, dans laquelle les premiers et deuxièmes domaines sont alternés de manière périodique selon une direction d, dite direction périodique, perpendiculaire à la normale n de surface du matériau piézoélectrique et une paire d’électrodes en peigne interdigitées dont les dents de peigne respectives s’étendent essentiellement perpendiculaires à la direction périodique d et à la normale n et dont les dents de peigne sont agencées au moins partiellement, de préférence entièrement, enterrées dans le matériau piézoélectrique.To achieve the object, the invention provides an elastic wave device comprising a piezoelectric material, in particular a ferroelectric material with first domains of a first polarization direction and second domains with a second polarization direction, the first direction being opposite to the second direction, in which the first and second domains are periodically alternated in a direction d, called periodic direction, perpendicular to the surface normal n of the piezoelectric material and a pair of interdigitated comb electrodes whose respective comb teeth extend essentially perpendicular to the periodic direction d and to the normal n and whose comb teeth are arranged at least partially, preferably entirely, buried in the piezoelectric material.
Grâce aux domaines de polarisations opposées, des modes apparaissent ayant des vitesses de phase supérieure à 4.200 m.s-1qui se propagent en principalement en surface. Les effets de rayonnement dans le volume associés au fait que l’onde se propage au-delà de la vitesse SSBW (acronyme anglais pour « surface skimming bulk wave »), vitesse au-delà de laquelle la surface du substrat ne guide plus naturellement les modes, sont inférieures à 10-3dB/λ, donc des conditions permettant de négliger lesdits effets.Due to the opposite polarization domains, modes appear with phase velocities greater than 4,200 ms -1 which propagate mainly on the surface. The radiation effects in the volume associated with the fact that the wave propagates beyond the SSBW speed (acronym for "surface skimming bulk wave"), speed beyond which the surface of the substrate no longer naturally guides the modes, are less than 10 -3 dB/λ, thus conditions allowing to neglect said effects.
Les dispositifs à ondes élastiques selon l’invention peuvent être utilisés dans un nombre important d'applications, telles que filtres en particulier des filtres à éléments d’impédance (« ladder » en terminologie anglaise) ou à couplage acoustique tels que filtres à couplage longitudinal (LCRF pour « Longitudinally Coupled Resonator Filter » en anglais), à modes couplés doubles (DMS pour « Double-Mode-SAW » en anglais) ou à résonances de cavités couplées (SCAW pour « Surface Cavity Acoustic Wave » en anglais) ainsi que des capteurs et des lignes à retard.The elastic wave devices according to the invention can be used in a large number of applications, such as filters, in particular filters with impedance elements (“ladder” in English terminology) or acoustic coupling such as longitudinally coupled filters (LCRF for “Longitudinally Coupled Resonator Filter” in English), with double coupled modes (DMS for “Double-Mode-SAW” in English) or with coupled cavity resonances (SCAW for “Surface Cavity Acoustic Wave” in English) as well as sensors and delay lines.
La ferroélectricité est la propriété selon laquelle un matériau possède une polarisation électrique à l’état spontané. Les matériaux ferroélectriques sont une sous-classe des matériaux piézoélectriques. La propriété ferroélectrique peut aussi être obtenue artificiellement par exemple par des conditions de croissance adaptée pour créer des domaines de polarisation différentes. Dans la suite, on peut donc considérer tout matériau piézoélectrique dans lequel on peut réaliser des domaines de polarisation comme un matériau ferroélectrique.Ferroelectricity is the property that a material possesses an electric polarization in its spontaneous state. Ferroelectric materials are a subclass of piezoelectric materials. The ferroelectric property can also be achieved artificially, for example, by suitable growth conditions to create domains of different polarization. In the following, any piezoelectric material in which polarization domains can be produced can therefore be considered a ferroelectric material.
Selon une variante de l’invention, les dents de peignes peuvent être agencées de manière périodique.According to a variant of the invention, the comb teeth can be arranged periodically.
Selon une variante de l’invention, le matériau piézoélectrique (3) peut être agencé sous forme d’une couche, en particulier avec une épaisseur e1 inférieure à la longueur d'onde, préférentiellement inférieure à λ/2, et encore plus préférentiellement inférieure à λ/4, au-dessus d’un substrat de base, en particulier un substrat de silicium, d’oxyde de silicium, de carbure de silicium (SiC), de saphir, de la nitrure de silicium (SiN), du nitrure d’aluminium (AlN), de quartz, de carbone, de diamant, de Yags (« Ytrium aluminum garnet » en anglais), de Yigs (« Ytrium iron garnet » en anglais), de silicium amorphe ou poly-silicium ou de LiNbO3et/ou de LiTaO3. Il peut s’agir d’une bi-couches ou d’un empilement à plus que deux couches. Ainsi il devient possible de confiner l’énergie dans la couche mince piézoélectrique, ce qui permet de réduire les pertes.According to a variant of the invention, the piezoelectric material (3) can be arranged in the form of a layer, in particular with a thickness e1 less than the wavelength, preferably less than λ/2, and even more preferably less than λ/4, above a base substrate, in particular a substrate of silicon, silicon oxide, silicon carbide (SiC), sapphire, silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), quartz, carbon, diamond, Yags ("Ytrium aluminum garnet" in English), Yigs ("Ytrium iron garnet" in English), amorphous silicon or poly-silicon or LiNbO 3 and/or LiTaO 3 . It can be a bi-layer or a stack with more than two layers. This makes it possible to confine the energy in the thin piezoelectric layer, which reduces losses.
Selon une variante de l’invention, une couche diélectrique, en particulier une couche d’oxyde de silicium, de SiN, de Ta2O5, de ZrO2, de HfO2, de SiON, du poly-silicium ou d’une combinaison de ces matériaux, peut être agencée entre la couche de matériau piézoélectrique et le substrat de base, la couche diélectrique ayant de préférence une épaisseur inférieure à la longueur d'onde et/ou entre 200 nm et 2 µm. En effet, cette couche peut être utilisée pour coller la couche piézoélectrique au substrat de base lors d’un procédé de transfert de couche par exemple par collage, par exemple en utilisant un collage moléculaire ou par un collage adhésif ou par un collage eutectique. Le procédé peut être de type SmartCutTM. L’utilisation de l’oxyde de silicium en tant que couche diélectrique permet en outre d'augmenter la stabilité en température du dispositif, ce qui est la conséquence des signes opposés des coefficients de température de la vitesse des ondes élastiques du silicium et de l’oxyde de silicium. Ainsi l’épaisseur de la couche diélectrique dépend également de l’épaisseur choisie pour la couche piézoélectrique et peut de préférence être choisie pour réduire voire minimiser l’effet de la température sur le dispositif.According to a variant of the invention, a dielectric layer, in particular a layer of silicon oxide, SiN, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , SiON, polysilicon or a combination of these materials, may be arranged between the layer of piezoelectric material and the base substrate, the dielectric layer preferably having a thickness less than the wavelength and/or between 200 nm and 2 µm. Indeed, this layer may be used to bond the piezoelectric layer to the base substrate during a layer transfer process, for example by bonding, for example using molecular bonding or by adhesive bonding or by eutectic bonding. The process may be of the SmartCut TM type. The use of silicon oxide as a dielectric layer further increases the temperature stability of the device, which is a consequence of the opposite signs of the temperature coefficients of the elastic wave velocity of silicon and silicon oxide. Thus the thickness of the dielectric layer also depends on the thickness chosen for the piezoelectric layer and can preferably be chosen to reduce or even minimize the effect of temperature on the device.
Selon une variante de l’invention, une couche de piégeage, en particulier une couche de silicium poly-cristallin ou de l’AlN ou du SiOCH polycristallin, peut être agencée entre le matériau piézoélectrique et le substrat de base ou entre la couche diélectrique et le substrat de base. La couche de piégeage a de préférence une épaisseur entre 300 nm et 2 µm. La présence d’une couche de piégeage permet de réduire les courants de fuites.According to a variant of the invention, a trapping layer, in particular a layer of polycrystalline silicon or polycrystalline AlN or SiOCH, may be arranged between the piezoelectric material and the base substrate or between the dielectric layer and the base substrate. The trapping layer preferably has a thickness between 300 nm and 2 µm. The presence of a trapping layer makes it possible to reduce leakage currents.
Selon une variante de l’invention, les dents de peigne s’étendent entre des régions de la couche du matériau piézoélectrique à partir l’interface avec le substrat de base ou la couche diélectrique. Selon encore une autre variante, l’épaisseur des dents de peigne peut être au moins égale ou inférieure à l’épaisseur de la couche du matériau piézoélectrique. En optimisant l’épaisseur des dents de peigne, on peut améliorer la pureté spectrale du ou des modes observés. Ceci permet de réaliser des électrodes avec une épaisseur importante ce qui permet d’utiliser une puissance entrante d’environ 26dB à 33dB, voire plus. Ce type de dispositif se prête ainsi à une utilisation de filtres en mode transmission (TX), nécessitant des puissances plus importantes qu’en mode de réception. Pour des dents d’électrodes plus minces, on peut optimiser la pureté des modes observés.According to one embodiment of the invention, the comb teeth extend between regions of the piezoelectric material layer from the interface with the base substrate or the dielectric layer. According to yet another embodiment, the thickness of the comb teeth may be at least equal to or less than the thickness of the piezoelectric material layer. By optimizing the thickness of the comb teeth, the spectral purity of the observed mode(s) can be improved. This makes it possible to produce electrodes with a significant thickness, which allows the use of an incoming power of approximately 26dB to 33dB, or even more. This type of device is thus suitable for use as filters in transmission mode (TX), requiring higher powers than in reception mode. For thinner electrode teeth, the purity of the observed modes can be optimized.
Selon une alternative, les dents de peigne sont agencées dans des creux dans la couche piézoélectrique et donc ne s’étendent pas jusqu’à l’interface avec le substrat de base ou la couche diélectrique. De préférence, l’épaisseur des dents est au minimum plus que la moitié de l’épaisseur de la couche piézoélectrique. Ainsi il devient possible de moduler le couplage du mode utilisé en fonction de l’épaisseur des dents.Alternatively, the comb teeth are arranged in recesses in the piezoelectric layer and therefore do not extend to the interface with the base substrate or the dielectric layer. Preferably, the thickness of the teeth is at least more than half the thickness of the piezoelectric layer. Thus, it becomes possible to modulate the coupling of the mode used as a function of the thickness of the teeth.
Selon une variante de l’invention, les dents de peigne peuvent être positionnées entre des domaines de direction de polarisation différente. Dans ce cas, les électrodes peuvent être utilisées pour créer les domaines avant utiliser les électrodes dans des filtres, de capteurs ou des lignes à retard. De plus, on observe des vitesses de phase effectives plus grandes que pour les POI standards.According to a variant of the invention, the comb teeth can be positioned between domains of different polarization direction. In this case, the electrodes can be used to create the domains before using the electrodes in filters, sensors or delay lines. In addition, larger effective phase velocities are observed than for standard POIs.
Selon une variante de l’invention, les dents de peigne peuvent être positionnées telles que la direction de polarisation des deux côtés de chaque dent est la même, en particulier telles que la direction de polarisation est différente pour des dents d’électrodes différentes. Pour ce mode de réalisation un seul mode est excité ce qui rend son utilisation pour des filtres, capteurs ou lignes à retard etc. particulièrement appropriée.According to a variant of the invention, the comb teeth can be positioned such that the polarization direction on both sides of each tooth is the same, in particular such that the polarization direction is different for different electrode teeth. For this embodiment only one mode is excited which makes its use for filters, sensors or delay lines etc. particularly suitable.
Selon une variante de l’invention, les dents de peigne d’une des deux électrodes peuvent être positionnées telles que la direction de polarisation des deux côtés de chaque dent est la même, et les dents de peigne de la seconde électrode peuvent être positionnées entre des domaines de direction de polarisation différente.According to a variant of the invention, the comb teeth of one of the two electrodes can be positioned such that the polarization direction of both sides of each tooth is the same, and the comb teeth of the second electrode can be positioned between domains of different polarization direction.
Selon une variante, la largeur a des dents des électrodes en peigne interdigitées est entre 40 % et 60 %, de préférence de 50 %, de la largeur des domaines, et/ou d’au moins 280 nm, de préférence d’au moins 350 nm. Ainsi, il devient possible de fournir des filtres, des capteurs ou des lignes de retard fonctionnant à des fréquences plus élevées que normalement accessibles en utilisant la lithographie I-line.Alternatively, the width a of the teeth of the interdigitated comb electrodes is between 40% and 60%, preferably 50%, of the width of the domains, and/or at least 280 nm, preferably at least 350 nm. Thus, it becomes possible to provide filters, sensors or delay lines operating at higher frequencies than normally accessible using I-line lithography.
Selon une variante de l’invention, le matériau piézoélectrique peut être du LiTaO3ou du LiNbO3. Il peut également s’agir du KNbO3, du PZT, du PMnPt, de PbTiO3ou de l’AlScN. Les modes observés pour ces matériaux ont des facteurs de qualité et des couplages électromécaniques permettant une utilisation industrielle dans des applications de type filtre ou ligne à retard.According to a variant of the invention, the piezoelectric material may be LiTaO 3 or LiNbO 3 . It may also be KNbO 3 , PZT, PMnPt, PbTiO 3 or AlScN. The modes observed for these materials have quality factors and electromechanical couplings allowing industrial use in filter or delay line type applications.
Selon une variante le dispositif à ondes élastiques peut comprendre une première électrode qui comprend des premiers commutateurs et une deuxième électrode qui comprend des deuxièmes commutateurs, les premier commutateurs sont configurés tels qu’ils peuvent mettre en contact ou non la première électrode avec des dents respectivement et les deuxièmes commutateurs sont configurés tels qu’ils peuvent mettre en contact ou non la deuxième électrode avec des dents respectivement, en particulier pour former la paire d’électrodes en peigne. Ainsi, il devient possible d’adapter le schéma d’excitation des dents par exemple en passant d’un schéma dans lequel les dents sont connectées de manière alternée aux deux électrodes à un schéma dans lequel deux dents directement adjacentes sont connectées à la première électrode et les deux dents directement adjacentes suivantes sont connectées à la deuxième électrode. En changeant le schéma d’excitation, on peut faire bouger la fréquence des modes et ainsi adapter un même dispositif à différents paramètres d’exploitation.According to a variant, the elastic wave device may comprise a first electrode which comprises first switches and a second electrode which comprises second switches, the first switches are configured such that they can bring the first electrode into contact or not with teeth respectively and the second switches are configured such that they can bring the second electrode into contact or not with teeth respectively, in particular to form the comb electrode pair. Thus, it becomes possible to adapt the excitation pattern of the teeth, for example by switching from a pattern in which the teeth are connected alternately to the two electrodes to a pattern in which two directly adjacent teeth are connected to the first electrode and the next two directly adjacent teeth are connected to the second electrode. By changing the excitation pattern, the frequency of the modes can be moved and thus the same device can be adapted to different operating parameters.
De préférence, la commutation des dents est appliquée de manière à ne pas mettre la première électrode et la deuxième électrode en court-circuit.Preferably, the switching of the teeth is applied so as not to short-circuit the first electrode and the second electrode.
Selon une variante de l’invention, le dispositif peut comprendre un moyen d’alimentation configuré pour fournir un signal radio-fréquence d’une fréquence d’au moins 2 GHz, de préférence d’au moins 6 GHz, aux électrodes en peignes interdigités. Ainsi il devient possible de fournir des filtres, des capteurs ou des lignes de retard fonctionnant à des fréquences plus élevées que normalement accessibles en utilisant la lithographie I-line.According to a variant of the invention, the device may comprise a power supply means configured to supply a radio frequency signal of a frequency of at least 2 GHz, preferably at least 6 GHz, to the interdigitated comb electrodes. Thus it becomes possible to provide filters, sensors or delay lines operating at higher frequencies than normally accessible using I-line lithography.
Pour réaliser l’objet, l’invention propose également l’utilisation d’un dispositif à ondes élastiques tel que décrit ci-dessus, en particulier avec des dents des électrodes en peignes interdigités ayant une largeur d’au moins 280 nm, de préférence d’au moins 350 nm, dans un dispositif acousto-électrique, en particulier un filtre, un capteur ou une ligne de retard, ayant des fréquences de fonctionnement de 2 GHz et plus, en particulier de 6 GHz ou plus. Ainsi il devient possible de fournir des filtres, capteurs ou lignes de retard fonctionnant à des fréquences plus élevées que normalement accessibles en utilisant la lithographie I-line.To achieve the object, the invention also proposes the use of an elastic wave device as described above, in particular with interdigitated comb electrode teeth having a width of at least 280 nm, preferably at least 350 nm, in an acoustoelectric device, in particular a filter, sensor or delay line, having operating frequencies of 2 GHz and above, in particular 6 GHz or above. Thus it becomes possible to provide filters, sensors or delay lines operating at higher frequencies than normally accessible using I-line lithography.
Pour réaliser l’objet, l’invention propose également un procédé de fabrication d’un dispositif à ondes élastiques tel que décrit ci-dessus et comprenant les étapes : fournir un matériau piézoélectrique, en particulier un matériau ferroélectrique, réaliser la paire d’électrodes en peignes interdigités au moins partiellement, de préférence entièrement, enterrée dans le matériau piézoélectrique et ensuite appliquer un champ électrique plus fort, en particulier au moins dix fois plus fort, que le champ coercitif du matériau piézoélectrique pour réaliser les premiers et deuxièmes domaines alternant de manière périodique et ayant des polarisations opposées. Avantageusement, on peut utiliser les électrodes pour créer les domaines, ce qui simplifie le processus de fabrication.To achieve the object, the invention also provides a method for manufacturing an elastic wave device as described above and comprising the steps: providing a piezoelectric material, in particular a ferroelectric material, making the pair of interdigitated comb electrodes at least partially, preferably entirely, buried in the piezoelectric material and then applying a stronger electric field, in particular at least ten times stronger, than the coercive field of the piezoelectric material to make the first and second domains alternating periodically and having opposite polarizations. Advantageously, the electrodes can be used to create the domains, which simplifies the manufacturing process.
Selon une variante de l’invention, le champ électrique peut être appliqué une fois que le matériau piézoélectrique a été chauffé à une température d’au moins 150 °C, de préférence à une température d’au moins 170 °C. Ainsi, la polarisation peut être obtenue même en absence d’une contre électrode avec un champ appliqué moins élevé qu’à température ambiante.According to a variant of the invention, the electric field can be applied once the piezoelectric material has been heated to a temperature of at least 150°C, preferably to a temperature of at least 170°C. Thus, polarization can be obtained even in the absence of a counter electrode with a lower applied field than at room temperature.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows, given without limitation, and thanks to the appended figures among which:
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L'invention va être décrite plus en détail en utilisant des modes de réalisation avantageux, à titre d’exemple, et par référence aux dessins. Les modes de réalisation décrits sont simplement des configurations possibles de sorte que les caractéristiques individuelles telles que décrites peuvent être fournies indépendamment les unes des autres ou peuvent être omises lors de la mise en œuvre de la présente invention.The invention will be described in more detail using advantageous embodiments, by way of example, and with reference to the drawings. The described embodiments are merely possible configurations so that individual features as described may be provided independently of one another or may be omitted when implementing the present invention.
Le dispositif à ondes élastiques 1 selon le premier mode comprend un matériau piézoélectrique 3, en particulier un matériau ferroélectrique, agencé sous forme d’une couche 5 au-dessus, en particulier directement sur une couche diélectrique 7. La couche diélectrique 7 est agencée au-dessus, en particulier directement sur un substrat 9. La couche 5, la couche diélectrique 7 et le substrat 9 forment un substrat composite 11, obtenu par exemple par un procédé de transfert de couche de style SmartCutTM. Le substrat composite 11 est également appelé substrat piézoélectrique sur isolant ou substrat POI. Dans un procédé de transfert de couche, la couche diélectrique 7 peut jouer le rôle de couche de collage entre le substrat de base 9 et la couche piézoélectrique 5.The elastic wave device 1 according to the first embodiment comprises a piezoelectric material 3, in particular a ferroelectric material, arranged as a layer 5 above, in particular directly on a dielectric layer 7. The dielectric layer 7 is arranged above, in particular directly on a substrate 9. The layer 5, the dielectric layer 7 and the substrate 9 form a composite substrate 11, obtained for example by a SmartCut TM style layer transfer method. The composite substrate 11 is also called a piezoelectric-on-insulator substrate or POI substrate. In a layer transfer method, the dielectric layer 7 can act as a bonding layer between the base substrate 9 and the piezoelectric layer 5.
La ferroélectricité est la propriété selon laquelle un matériau possède une polarisation électrique à l’état spontané. Les matériaux ferroélectriques sont une sous-classe des matériaux piézoélectriques. La propriété ferroélectrique peut aussi être obtenue artificiellement par exemple par des conditions de croissance adaptée pour créer des domaines de polarisation différentes. Dans la suite, on peut donc considérer tout matériau piézoélectrique dans lequel on peut réaliser des domaines de polarisation comme un matériau ferroélectrique.Ferroelectricity is the property that a material possesses an electric polarization in its spontaneous state. Ferroelectric materials are a subclass of piezoelectric materials. The ferroelectric property can also be achieved artificially, for example, by suitable growth conditions to create domains of different polarization. In the following, any piezoelectric material in which polarization domains can be produced can therefore be considered a ferroelectric material.
Selon l’invention, le matériau piézoélectrique de la couche 5 comprend des premiers domaines 3ai, avec i allant de 1 à j, d’un premier sens de polarisation 13a et des deuxièmes domaines 3bi, avec i allant de 1 à j, avec un second sens 13b de polarisation, le premier sens 13a étant opposé au second sens 13b. De plus, les premiers et deuxièmes domaines 3ai et 3bi forment des bandes d’une même épaisseur qui sont alternées de manière périodique avec un pas pf, selon une direction d, dite direction périodique, perpendiculaire à la normale de surface n du matériau piézoélectrique 3.According to the invention, the piezoelectric material of the layer 5 comprises first domains 3ai, with i ranging from 1 to j, with a first polarization direction 13a and second domains 3bi, with i ranging from 1 to j, with a second polarization direction 13b, the first direction 13a being opposite to the second direction 13b. In addition, the first and second domains 3ai and 3bi form bands of the same thickness which are periodically alternated with a pitch p f , in a direction d, called the periodic direction, perpendicular to the surface normal n of the piezoelectric material 3.
Dans ce mode de réalisation, le matériau piézoélectrique de la couche 3 peut être du tantalate de lithium LiTaO3monocristallin ou du niobate de lithium LiNbO3monocristallin. D’autres matériaux piézoélectriques peuvent également être utilisés. La couche 5 a, de préférence, une épaisseur e1 inférieure à la longueur d'onde λ, préférentiellement inférieure à λ/2, et encore plus préférentiellement inférieure à λ/4, typiquement inférieure à 1 µm.In this embodiment, the piezoelectric material of layer 3 may be monocrystalline lithium tantalate LiTaO 3 or monocrystalline lithium niobate LiNbO 3. Other piezoelectric materials may also be used. Layer 5 preferably has a thickness e1 less than the wavelength λ, preferably less than λ/2, and even more preferably less than λ/4, typically less than 1 µm.
Dans le cas du tantalate de lithium (LiTaO3), l’orientation cristalline définie selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949 du premier sens 13a des premiers domaines 3ai de la couche 3 est de préférence (YX/)/θ avec la valeur de l’angle θ choisie entre -30° et 110°. L’orientation cristalline du second sens 13b des seconds domaines 3bi de la couche 3 est alors (YX/)/ θ +180° selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949. L’axe de polarisation étant l’axe Z, en partant d’une plaque orientée (YX), cet axe est colinéaire à la largeur de la plaque. Après rotation de θ qui donne l’orientation (YX/)/θ, cet axe forme un angle de θ-90° avec la normale à la plaque et de θ avec l’axe colinéaire à la surface de la plaque. Dans ce repère, la normale n correspond donc à la direction 90°- θ, et la direction d est orthogonale à n et colinéaire à Z.In the case of lithium tantalate (LiTaO 3 ), the crystalline orientation defined according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard of the first direction 13a of the first domains 3ai of layer 3 is preferably (YX/)/θ with the value of the angle θ chosen between -30° and 110°. The crystalline orientation of the second direction 13b of the second domains 3bi of layer 3 is then (YX/)/θ +180° according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard. The polarization axis being the Z axis, starting from a plate oriented (YX), this axis is collinear with the width of the plate. After rotation of θ which gives the orientation (YX/)/θ, this axis forms an angle of θ-90° with the normal to the plate and of θ with the axis collinear with the surface of the plate. In this frame, the normal n therefore corresponds to the direction 90°- θ, and the direction d is orthogonal to n and collinear to Z.
Dans le cas du niobate de lithium (LiNbO3), l’orientation cristalline définie selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949 du premier sense13a des premiers domaines 3ai de la couche 3 est de préférence (YX/)/θ avec la valeur de l’angle θ choisie dans une plage de -40 à +110° et préférentiellement de -10 à +50°. L’orientation cristalline du second sens 13b des seconds domaines 3bi de la couche 3 est alors (YX/)/θ+180° selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949.In the case of lithium niobate (LiNbO 3 ), the crystal orientation defined according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard of the first sense13a of the first domains 3ai of layer 3 is preferably (YX/)/θ with the value of the angle θ chosen in a range from -40 to +110° and preferably from -10 to +50°. The crystal orientation of the second sense 13b of the second domains 3bi of layer 3 is then (YX/)/θ+180° according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard.
La couche diélectrique 7 est de préférence une couche d’oxyde de silicium avec une épaisseur e2 inférieure à la longueur d'onde et/ou entre 200 nm et 2 µm. La couche diélectrique peut aussi être en SiN, en Ta2O5, en ZrO2, en HfO2, en SiON ou en une combinaison de ces matériaux. Elle peut également comprendre entre autres du poly-silicium.The dielectric layer 7 is preferably a silicon oxide layer with a thickness e2 less than the wavelength and/or between 200 nm and 2 µm. The dielectric layer may also be made of SiN, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , SiON or a combination of these materials. It may also comprise, among other things, polysilicon.
Le substrat de base 9 est de préférence un substrat en silicium, par exemple du silicium (100) ou (110) ou (111). L’écart d’orientation entre les méplats des deux cristaux du silicium et du tantalate de lithium de la structure peut varier de 0 à 180° sans perte de généralité sur les propriétés fondamentales du transducteur. On observe également essentiellement les mêmes résultats pour les trois orientations du silicium. Le substrat peut aussi être en oxyde de silicium, en carbure de silicium (SiC), en saphir, en nitrure de silicium (SiN), en nitrure d’aluminium (AlN), en quartz, en carbone, en diamant, en grenat aluminium yttrium (Yag), en Yigs (« Ytrium ion garnet » en anglais), en silicium amorphe ou poly-silicium ou en LiNbO3ou en LiTaO3.The base substrate 9 is preferably a silicon substrate, for example (100) or (110) or (111) silicon. The orientation deviation between the flats of the two crystals of silicon and lithium tantalate of the structure can vary from 0 to 180° without loss of generality on the fundamental properties of the transducer. Essentially the same results are also observed for the three orientations of the silicon. The substrate can also be made of silicon oxide, silicon carbide (SiC), sapphire, silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), quartz, carbon, diamond, yttrium aluminum garnet (Yag), Yigs ("Ytrium ion garnet" in English), amorphous silicon or poly-silicon or LiNbO 3 or LiTaO 3 .
En utilisant le silicium et l’oxyde de silicium en tant que substrat de base 9 et couche diélectrique 7, la stabilité en température du dispositif 1 peut être améliorée. Ceci est dû au fait que les coefficients de température de la vitesse (CTV) des modes de cisaillement dans les matériaux constitutifs de l‘empilement présentent des signes opposés.By using silicon and silicon oxide as the base substrate 9 and dielectric layer 7, the temperature stability of the device 1 can be improved. This is because the temperature coefficients of velocity (TCV) of the shear modes in the constituent materials of the stack have opposite signs.
Une paire d’électrodes en peignes interdigités 15a, 15b peut être agencées telle qu’au moins partiellement, de préférence entièrement, enterrées dans le matériau piézoélectrique 3. Les dents de peignes 17a1 à 17a3 et 17b1 à 17b3 respectives s’étendent essentiellement perpendiculaire à la direction périodique d, c’est-à-dire parallèlement aux bandes des domaines 3ai et 3bi. Le nombre des dents illustrées par électrodes en peignes est ici de trois, étant précisé que chacune des électrodes peut avoir plus de trois dents. Les dents ont de préférence une forme rectangulaire (c’est-à-dire en forme de parallélépipède). Les dents 17a1 à 17a3 sont reliées entre elles par une barre conductrice 19a. Les dents 17b1 à 17b3 sont reliées entre elles par une barre conductrice 19b.A pair of interdigitated comb electrodes 15a, 15b may be arranged such that they are at least partially, preferably entirely, buried in the piezoelectric material 3. The respective comb teeth 17a1 to 17a3 and 17b1 to 17b3 extend essentially perpendicular to the periodic direction d, i.e., parallel to the bands of the domains 3ai and 3bi. The number of teeth illustrated per comb electrode is here three, it being specified that each of the electrodes may have more than three teeth. The teeth preferably have a rectangular shape (i.e., parallelepiped-shaped). The teeth 17a1 to 17a3 are connected to each other by a conductive bar 19a. The teeth 17b1 to 17b3 are connected to each other by a conductive bar 19b.
Les dents des électrodes sont agencées de manière périodique avec un pas mécanique peet donc une périodicité électrique de 2pe. Il reste néanmoins possible d’introduire une ou plusieurs ruptures de périodicités selon une variante, en omettant par exemple une ou plusieurs dents. Le pas mécanique des électrodes peest de la moitié du pas pfdes domaines 3ai et 3bi. Cette donnée peut varier pour augmenter, voire maximiser, par exemple le couplage ou ajuster la vitesse du mode pour atteindre une valeur de fréquence spécifiée.The electrode teeth are arranged periodically with a mechanical pitch p e and therefore an electrical periodicity of 2p e . It is nevertheless possible to introduce one or more breaks in periodicities according to a variant, for example by omitting one or more teeth. The mechanical pitch of the electrodes p e is half the pitch p f of the domains 3ai and 3bi. This data can be varied to increase, or even maximize, for example the coupling or adjust the speed of the mode to reach a specified frequency value.
Les électrodes en peignes 15a et 15b sont faites d’un matériau métallique, par exemple en aluminium (Al) ou molybdène (Mo) ou or (Au) ou argent (Ag) ou en un alliage de type cuivre aluminium (AlCu) ou un alliage principalement à base d’aluminium et d’un autre métal, le titane (Ti) par exemple. La paire d’électrodes 15a et 15b peut en particulier être réalisée avec de l'AlCu, ou de l’AlSi, ou de l’AlTi avec des dopages en Cu, Ti et/ou Si compris entre 0,5 et 5% et potentiellement avec des sous-couches de Ti, de Ta, de Mo, de Pd, ou de Pt, ou des combinaisons Ti/Pt, Ti/Au, Ta/Pt, Cr/Au ou avec du Zr. Les électrodes en peignes 15a et 15b ont de préférence des épaisseurs e3 comprises entre 50 nm et 200 nm. Les dents 17a1 à 17a3, 17b1 à 17b3 ont une largeur a, dans la direction d, qui est de préférence égale ou supérieure à 280 nm, de préférence supérieure à 350 nm. Ainsi les électrodes en peignes 15a, 15b peuvent être réalisées par photolithographie I-line.The comb electrodes 15a and 15b are made of a metallic material, for example aluminum (Al) or molybdenum (Mo) or gold (Au) or silver (Ag) or an aluminum copper alloy (AlCu) or an alloy mainly based on aluminum and another metal, titanium (Ti) for example. The pair of electrodes 15a and 15b can in particular be made with AlCu, or AlSi, or AlTi with Cu, Ti and/or Si dopings of between 0.5 and 5% and potentially with sub-layers of Ti, Ta, Mo, Pd, or Pt, or Ti/Pt, Ti/Au, Ta/Pt, Cr/Au combinations or with Zr. The comb electrodes 15a and 15b preferably have thicknesses e3 of between 50 nm and 200 nm. The teeth 17a1 to 17a3, 17b1 to 17b3 have a width a, in the direction d, which is preferably equal to or greater than 280 nm, preferably greater than 350 nm. Thus the comb electrodes 15a, 15b can be produced by I-line photolithography.
Le rapport de métallisation a/pe, a étant la largeur des dents 17a1 à 17a3, 17b1 à 17b3 et peleur pas mécanique, est de préférence compris entre 0,25 et 0,75, et en particulier compris entre 0,4 et 0,6. Ce rapport a/peet/ou l’épaisseur e3 peuvent être ajustés pour régler le couplage électromécanique et/ou pour réduire les pertes.The metallization ratio a/p e , a being the width of the teeth 17a1 to 17a3, 17b1 to 17b3 and p e their mechanical pitch, is preferably between 0.25 and 0.75, and in particular between 0.4 and 0.6. This ratio a/p e and/or the thickness e3 can be adjusted to regulate the electromechanical coupling and/or to reduce losses.
Dans ce mode de réalisation, les dents ont toutes la même forme ; selon des variantes, les dents peuvent aussi être réalisées avec des longueurs l différentes.In this embodiment, the teeth all have the same shape; according to variants, the teeth can also be made with different lengths l.
Dans le mode de réalisation de la
Lorsque le dispositif 1 est configuré pour convertir des ondes élastiques en signaux électriques, un récepteur électrique est mis à la place du moyen d’alimentation 21.When the device 1 is configured to convert elastic waves into electrical signals, an electrical receiver is placed in place of the supply means 21.
Selon des variantes du premier mode de réalisation, le substrat composite 9 peut comprendre une ou plusieurs autres couches dans sa structure. Une couche de piégeage de charges libres, par exemple du silicium polycristallin, de l’AlN ou du SiOCH polycristallin peut être prévue entre la couche diélectrique 7 et le substrat de base 9 pour pouvoir limiter le libre parcours moyen des charges libre engendrées à l'interface silicium/couche diélectrique par le champ acousto-électrique lié à la propagation de l'onde, permettant de réduire les courants de fuites. Une telle couche de piégeage présente une épaisseur de préférence comprise entre 0,3 µm et 2 µm aux fréquences radios considérées pour les télécoms, typiquement entre 500 MHz et 6 GHz.According to variants of the first embodiment, the composite substrate 9 may comprise one or more other layers in its structure. A free charge trapping layer, for example polycrystalline silicon, AlN or polycrystalline SiOCH may be provided between the dielectric layer 7 and the base substrate 9 to be able to limit the mean free path of the free charges generated at the silicon/dielectric layer interface by the acoustoelectric field linked to the propagation of the wave, making it possible to reduce leakage currents. Such a trapping layer has a thickness preferably between 0.3 µm and 2 µm at the radio frequencies considered for telecoms, typically between 500 MHz and 6 GHz.
Au lieu d’utiliser un substrat composite 11, l’invention peut également être réalisée avec un substrat massif de matériau ferroélectrique, donc sans présence d’une couche diélectrique et sans substrat de base.Instead of using a composite substrate 11, the invention can also be implemented with a solid substrate of ferroelectric material, therefore without the presence of a dielectric layer and without a base substrate.
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La dent 17a1 est positionnée entre deux domaines de polarisation opposées, notamment 3a1 et 3b1. La dent 17b1 est également positionnée entre deux domaines de polarisation opposées, notamment 3b1 et 3a2. Dans ce mode de réalisation les dents 17a1 et 17b1 s’étendent de la surface/interface 21 de la couche diélectrique 7 à travers toute l’épaisseur e1 de la couche piézoélectrique 5. L’épaisseur e3 des dents 17a1 et 17b1 est donc la même que l’épaisseur e1 de la couche piézoélectrique 5. La largeur a des dents 17a1 et 17b1 est 50% de la largeur a2 des domaines. Dans des variantes, la largeur peut avoir une valeur entre 40% et 60% de a2.The tooth 17a1 is positioned between two opposite polarization domains, namely 3a1 and 3b1. The tooth 17b1 is also positioned between two opposite polarization domains, namely 3b1 and 3a2. In this embodiment, the teeth 17a1 and 17b1 extend from the surface/interface 21 of the dielectric layer 7 through the entire thickness e1 of the piezoelectric layer 5. The thickness e3 of the teeth 17a1 and 17b1 is therefore the same as the thickness e1 of the piezoelectric layer 5. The width a of the teeth 17a1 and 17b1 is 50% of the width a2 of the domains. In variants, the width may have a value between 40% and 60% of a2.
Des simulations numériques réalisées selon la méthode décrite dans S. Ballandras et al., « Finite element analysis of periodic piezoelectric transducers », Journal of Applied Physics 93, 702 (2003), mettent en évidence que pour un dispositif 1 selon la
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Sur la
Le mode 33 peut être réduit en réduisant l’épaisseur de la couche piézoélectrique. Les modes 35 et 37 dépendent fortement de l’épaisseur de la couche diélectrique 7. La
Le mode 31 a donc une vitesse de phase veffeffective apparente d’environ 8 km-1et donc environ deux fois plus grande par rapport à une couche piézoélectrique sans domaines avec des polarisations alternantes, avec veff= λ*f =pel*f du mode, λ étant la longueur d’onde de cohérence des charges dans les électrodes, pelétant la période électrique des électrodes et f la fréquence du mode. Utiliser une paire d’électrodes en peignes interdigitées déposées en surface de la couche piézoélectrique avec des domaines alternants permet donc d’augmenter la vitesse de phase tout en préservant les avantages d’un couplage électromécanique supérieur à 7% voire à 10%, des coefficients de qualité de plusieurs milliers au-delà de 1 GHz et des effets de température maîtrisés.Mode 31 therefore has an apparent effective phase velocity v eff of about 8 km -1 and therefore about twice as large compared to a piezoelectric layer without domains with alternating polarizations, with v eff = λ*f =p el *f of the mode, λ being the coherence wavelength of the charges in the electrodes, p el being the electrical period of the electrodes and f the frequency of the mode. Using a pair of interdigitated comb electrodes deposited on the surface of the piezoelectric layer with alternating domains therefore makes it possible to increase the phase velocity while preserving the advantages of an electromechanical coupling greater than 7% or even 10%, quality coefficients of several thousand beyond 1 GHz and controlled temperature effects.
D’ailleurs pour une configuration avec des électrodes ayant la même épaisseur que la couche piézoélectrique de tantalate de lithium, en l’occurrence comprise entre 300 nm et 1 µm, une orientation cristalline de la couche à simple rotation (YX/)/θ avec θ compris entre +10 et +60° et une épaisseur de la couche diélectrique en SiO2d’épaisseur comprise entre 300 nm et 2 µm, il est loisible de minimiser le coefficient de température de la fréquence (CTF) de la résonance ou de l’anti-résonance à une valeur inférieure à 20 ppm.K-1en valeur absolue et idéalement inférieure à 10 ppm.K-1.Moreover, for a configuration with electrodes having the same thickness as the lithium tantalate piezoelectric layer, in this case between 300 nm and 1 µm, a crystalline orientation of the single rotation layer (YX/)/θ with θ between +10 and +60° and a thickness of the SiO 2 dielectric layer between 300 nm and 2 µm, it is possible to minimize the temperature coefficient of the frequency (CTF) of the resonance or anti-resonance to a value lower than 20 ppm.K -1 in absolute value and ideally lower than 10 ppm.K -1 .
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Pour la simulation, l’épaisseur des électrodes était de 500 nm pour une épaisseur de couche piézoélectrique de 600 nm. Le LiTaO3était d’orientation (YXl)/42°-222°, la couche diélectrique était du SiO2avec une épaisseur de 500 nm, la couche de piégeage avait une épaisseur de 1µm, et le substrat de base était du Si(111) avec un méplat avec un désalignement de 45° par rapport au LiTaO3. La période électrique était de 4 µm ce qui donne lieu à un mode dont la vitesse est supérieure à 7200 m.s-1pour un couplage électromécanique de plus de 10 %. On observe essentiellement les mêmes résultats pour les autres orientations du silicium.For the simulation, the electrode thickness was 500 nm for a piezoelectric layer thickness of 600 nm. The LiTaO 3 was of orientation (YX l )/42°-222°, the dielectric layer was SiO 2 with a thickness of 500 nm, the trapping layer was 1 µm thick, and the base substrate was Si(111) with a flat with a misalignment of 45° relative to the LiTaO 3 . The electrical period was 4 µm which gives rise to a mode with a speed greater than 7200 ms -1 for an electromechanical coupling of more than 10%. Essentially the same results are observed for the other silicon orientations.
La contribution à 3,5 GHz est liée aux couches sous le tantalate. Elle peut être réduite en jouant sur les rapports d’épaisseur des différentes couches.The contribution at 3.5 GHz is related to the layers under the tantalate. It can be reduced by varying the thickness ratios of the different layers.
Les simulations montrent que si les dents sont totalement enterrées dans la couche et qu’elles n’atteignent pas la surface supérieure de la couche piézoélectrique, on peut encore améliorer la pureté spectrale et très sensiblement le couplage électromécanique du mode. La qualité de la résonance est également améliorée par rapport au cas précédent.Simulations show that if the teeth are completely buried in the layer and do not reach the upper surface of the piezoelectric layer, the spectral purity and the electromechanical coupling of the mode can be further improved. The resonance quality is also improved compared to the previous case.
Selon une variante, le dispositif à ondes élastiques 51, la partie de la couche piézoélectrique 5 sous-jacente aux dents 17a1, 17b1 reste dans son état de polarisation initiale, avec ou sans domaine. Les simulations montrent que le mode de vibration reste essentiellement le même qu’illustré sur la
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Comme dans la variante de la
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Dans ce mode de réalisation l’épaisseur e3 des dents 73a1 et 73b1 est plus grande que l’épaisseur e1 des domaines 75a1 et 75b1. Selon des variantes e1 peut aussi être égale ou plus petite que e3. De plus, comme pour la première variante du premier mode de réalisation illustrée dans la
La largeur a des dents 73a1 et 73b1 est environ la moitié des largeurs a2_1 et a2_2 des deux parts des domaines 75a1 et 75b1 ensemble. Dans d’autres variantes, la largeur a peut avoir une valeur entre 40% et 60% de la somme des largeurs a2_1 et a2_2.The width a of teeth 73a1 and 73b1 is about half of the widths a2_1 and a2_2 of both parts of domains 75a1 and 75b1 together. In other variants, the width a can have a value between 40% and 60% of the sum of the widths a2_1 and a2_2.
Un mode de vibration est illustré en bas de la
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Le mode apparaît vers 1,3 GHz, visible dans l’admittance harmonique Y, voir numéro 81, et la conductance harmonique G, voir numéro 83. Les simulations montrent que pour le mode observé, le mouvement des électrodes est toujours en phase. La vitesse de phase équivalente est de 7,8 km.s-1, donc proche du double de la vitesse du mode de cisaillement dans un substrat POI comparable mais sans domaines de polarisations opposées alternants.The mode appears around 1.3 GHz, visible in the Y harmonic admittance, see issue 81, and the G harmonic conductance, see issue 83. Simulations show that for the observed mode, the electrode motion is always in phase. The equivalent phase velocity is 7.8 km.s -1 , thus close to twice the velocity of the shear mode in a comparable POI substrate but without alternating opposite polarization domains.
Les simulations montrent également que pour des épaisseurs e3 > e1 la pureté spectrale du mode s’améliore par rapport à des épaisseurs plus faibles.The simulations also show that for thicknesses e3 > e1 the spectral purity of the mode improves compared to smaller thicknesses.
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La simulation a été réalisée telle que décrite ci-dessus pour le premier mode de réalisation pour une cellule du dispositif 91 avec une largeur d’une cellule de 6 µm avec une largeur des électrodes de 750 nm et une largeur des domaines égaux. On trouve une période de répétition de la structure de 6µm. L’orientation du LiTaO3est (YX/) /42° et (YXl)/222° et le substrat de base 9 est du Si(111). On observe essentiellement les mêmes résultats pour les autres orientations du silicium.The simulation was performed as described above for the first embodiment for a cell of the device 91 with a cell width of 6 µm with an electrode width of 750 nm and equal domain width. A structure repeat period of 6 µm is found. The orientation of LiTaO 3 is (YX/) /42° and (YX l )/222° and the base substrate 9 is Si(111). Essentially the same results are observed for the other silicon orientations.
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Plusieurs modes apparaissent dans l’admittance et la conductance. Notamment dans l’admittance harmonique Y avec le numéro 951vers 600 MHz et dans la conductance harmonique G avec le numéro 952vers 2 GHz, avec le numéro 953vers 3 GHz et avec 954vers 4 GHz.Several modes appear in the admittance and conductance. In particular, in the Y harmonic admittance with number 95 1 towards 600 MHz and in the G harmonic conductance with number 95 2 towards 2 GHz, with number 95 3 towards 3 GHz and with 95 4 towards 4 GHz.
La simulation montre que le mode 951est un mode de Rayleigh avec sa vitesse de phase d’environ ~3600 m.s-1. Les autres contributions vers 2 et 3 GHz présentent plus de pertes par rayonnement mais ont des vitesses de phase plus grandes.The simulation shows that mode 95 1 is a Rayleigh mode with its phase velocity of about ~3600 ms -1 . The other contributions around 2 and 3 GHz exhibit more radiation losses but have larger phase velocities.
Le second mode 952avec des pertes par rayonnement, a une facteur de qualité de Q< 100 et correspond à la combinaison d’une onde de cisaillement et d’un mode vibratoire des dents des électrodes.The second mode 95 2 with radiation losses, has a quality factor of Q< 100 and corresponds to the combination of a shear wave and a vibration mode of the electrode teeth.
La troisième contribution 953vers 3 GHz a une vitesse de phase effective d’environ ~18 km.s-1et montre moins de pertes que le précédent mode 952est également une combinaison d’une onde de cisaillement et d’un mode vibratoire des dents des électrodes comme illustré dans la
La quatrième contribution 954vers 4 GHz a une vitesse de phase effective d’environ 24 km.s-1et montre dans la simulation une longueur d’onde complète dans l’électrode. C’est un mode vibratoire d’électrode d’ordre deux.The fourth contribution 95 4 towards 4 GHz has an effective phase velocity of about 24 km.s -1 and shows in the simulation a full wavelength in the electrode. This is a second-order electrode vibrational mode.
La
Le mode 971à 1,5 GHz avec une vitesse de phase effective d’environ ~9 km.s-1est quasiment sur le franchissement de la fréquence SSBW. Il peut encore être amélioré par rapport aux pertes en augmentant la masse. La simulation montre qu’il s’agit d’une combinaison entre un mode vibratoire des dents d’électrodes et l’onde de cisaillement classique. Selon les résultats de la simulation, il est probable que seules deux des quatre électrodes contribuent de façon significative à la résonance.Mode 97 1 at 1.5 GHz with an effective phase velocity of about ~9 km.s -1 is almost on the threshold of crossing the SSBW frequency. It can be further improved with respect to losses by increasing the mass. The simulation shows that it is a combination of an electrode tooth vibration mode and the classical shear wave. According to the simulation results, it is likely that only two of the four electrodes contribute significantly to the resonance.
Le deuxième mode 972vers 2,5 GHz avec une vitesse effective proche de 15 km.s-1est un mode de cisaillement anti-symétrique au niveau des électrodes qui vibrent toutes en phase. En fait, comme auparavant, seules deux électrodes contribuent réellement à la réponse électrique. Selon les résultats des simulations, il est probable que seules les électrodes localisées entre deux domaines de polarisation opposée puissent réellement contribuer à la résonance, les deux autres doivent avoir un bilan de charge qui s’équilibre.The second mode 97 2 towards 2.5 GHz with an effective velocity close to 15 km.s -1 is an anti-symmetric shear mode at the electrodes which all vibrate in phase. In fact, as before, only two electrodes actually contribute to the electrical response. According to the simulation results, it is likely that only the electrodes located between two domains of opposite polarization can actually contribute to the resonance, the other two must have a charge balance that balances.
Le mode 973à 3,15 GHz avec une vitesse effective proche de 20 km.s-1est un mode vibratoire des dents des électrodes, tel qu’illustré en bas de la
Il peut être avantageux d’utiliser ce type de structures en favorisant une contribution particulière par un filtrage grossier ou pour des applications de sources de fréquence n’exploitant en pratique qu’un domaine limité du spectre, ce qui revient à filtrer d’une manière ou d’une autre le spectre par le système électronique exploitant le composant. L’avantage de la solution proposée ici est une fois encore de permettre l’exploitation de réponses électriques notablement supérieures en fréquence à celles classiquement atteignables avec des matériaux non polarisés.It may be advantageous to use this type of structure by favoring a particular contribution by coarse filtering or for applications of frequency sources which in practice only exploit a limited domain of the spectrum, which amounts to filtering the spectrum in one way or another by the electronic system exploiting the component. The advantage of the solution proposed here is once again to allow the exploitation of electrical responses notably higher in frequency than those conventionally achievable with non-polarized materials.
Dans cette deuxième réalisation, un autre type de paire d’électrodes interdigitées est utilisé, qui est illustré schématiquement dans la
Selon une variante, un circuit de commande peut être configuré pour changer l’agencement des électrodes de la configuration telle que montrée en haut à gauche vers une configuration telle que montrée en haut à droite, par exemple en utilisant des commutateurs tels que montré sur la
La
Les électrodes 151 et 155 peuvent aussi être utilisées dans les configuration des autres modes de réalisations pour permettre de changer le schéma d’excitation électrique.Electrodes 151 and 155 may also be used in the configurations of other embodiments to allow the electrical excitation pattern to be changed.
La
Cette étape peut consister à fournir un substrat massif, comme un wafer en matériau piézoélectrique monocristallin ou à fournir un substrat composite 11 comprenant une couche 5 de matériau piézoélectrique 3, une couche diélectrique 7, par exemple une couche d’oxyde de silicium et un substrat de base 9, par exemple en silicium par exemple du Si(100), Si(110) ou Si(111) ou du quartz.This step may consist of providing a bulk substrate, such as a wafer of monocrystalline piezoelectric material or of providing a composite substrate 11 comprising a layer 5 of piezoelectric material 3, a dielectric layer 7, for example a layer of silicon oxide and a base substrate 9, for example made of silicon for example Si(100), Si(110) or Si(111) or quartz.
Le matériau piézoélectrique de la couche 3 est du tantalate de lithium LiTaO3monocristallin ou du niobate de lithium LiNbO3monocristallin. D’autres matériaux piézoélectriques peuvent également être utilisés.The piezoelectric material of layer 3 is single-crystal lithium tantalate LiTaO 3 or single-crystal lithium niobate LiNbO 3. Other piezoelectric materials can also be used.
Dans le cas du tantalate de lithium (LiTaO3), l’orientation cristalline définie selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949 du premier sens 13a des premiers domaines 3ai de la couche 3 est de préférence (YX/)/θ avec la valeur de l’angle θ choisie entre 30° et 110°. L’orientation cristalline du second sens 13b des seconds domaines 3bi de la couche 3 est alors (YX/)/θ +180° selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949. Il est également envisageable d’avoir les domaines dans le plan orthogonal (YX/t)/θ/90° et (YX/t)/θ+180°/90° par rapport à celle décrite ci-dessus en gardant les dents de peignes parallèles aux domaines.In the case of lithium tantalate (LiTaO 3 ), the crystal orientation defined according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard of the first direction 13a of the first domains 3ai of layer 3 is preferably (YX/)/θ with the value of the angle θ chosen between 30° and 110°. The crystal orientation of the second direction 13b of the second domains 3bi of layer 3 is then (YX/)/θ +180° according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard. It is also possible to have the domains in the orthogonal plane (YX/ t )/θ/90° and (YX/ t )/θ+180°/90° relative to that described above by keeping the comb teeth parallel to the domains.
Dans le cas du niobate de lithium (LiNbO3), l’orientation cristalline définie selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949 du premier sens 13a des premiers domaines 3ai de la couche 3 est de préférence (YX/)/θ avec la valeur de l’angle θ choisie dans une plage -40 à +110° et préférentiellement de -10 à +50°. L’orientation cristalline du second sens 13b des seconds domaines 3bi de la couche 3 est alors (YX/)/θ+180° selon la norme IEEE Std-176 version IRE 1949.In the case of lithium niobate (LiNbO 3 ), the crystal orientation defined according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard of the first direction 13a of the first domains 3ai of layer 3 is preferably (YX/)/θ with the value of the angle θ chosen in a range -40 to +110° and preferably from -10 to +50°. The crystal orientation of the second direction 13b of the second domains 3bi of layer 3 is then (YX/)/θ+180° according to the IEEE Std-176 version IRE 1949 standard.
Un tel substrat composite 11 peut être obtenu par un procédé de transfert de couche, tel qu’un procédé de SmartCutTM. Lors d’un procédé de type SmartCutTMon implante des ions dans un substrat donneur, ici un substrat du matériau piézoélectrique pour créer une zone fragilisée à l’intérieur du substrat donneur. Ensuite on attache le substrat donneur à un substrat de base. Ici le substrat de base est un substrat de silicium monocristallin, par exemple du Si(100) ou Si(110) ou Si(111) avec sa couche d’oxyde naturelle ou avec un oxyde de silicium thermique ou réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (« CVD ») ou physique en phase vapeur (« PVD »). Cette couche d’oxyde facilite l’attachement des deux substrats, notamment par collage moléculaire. On peut choisir l’orientation dans le plan du silicium par rapport au plan de la couche piézoélectrique pour réduire, voire même minimiser, des modes d’ordre plus élevés que le fondamental.Such a composite substrate 11 can be obtained by a layer transfer process, such as a SmartCut TM process. In a SmartCut TM type process, ions are implanted in a donor substrate, here a substrate of the piezoelectric material to create a weakened zone inside the donor substrate. Then the donor substrate is attached to a base substrate. Here the base substrate is a monocrystalline silicon substrate, for example Si(100) or Si(110) or Si(111) with its natural oxide layer or with a thermal silicon oxide or produced by chemical vapor deposition (“CVD”) or physical vapor deposition (“PVD”). This oxide layer facilitates the attachment of the two substrates, in particular by molecular bonding. The orientation in the plane of the silicon relative to the plane of the piezoelectric layer can be chosen to reduce, or even minimize, modes of order higher than the fundamental.
Selon une variante, une couche de piégeage est réalisée sur le substrat de base avant la formation de l’oxyde. La couche de piégeage est typiquement du silicium polycristallin et de façon générale toute couche minimisant le libre parcours moyen des charges engendrées à l’interface entre le silicium et la couche d’oxyde par le passage de l’onde acousto-électrique.According to a variant, a trapping layer is made on the base substrate before the formation of the oxide. The trapping layer is typically polycrystalline silicon and generally any layer minimizing the mean free path of the charges generated at the interface between the silicon and the oxide layer by the passage of the acoustoelectric wave.
Une fois les deux substrats attachés, un apport en énergie mécanique et/ou thermique emmène la zone de fragilisation jusqu’à la rupture. Ainsi une couche d’une épaisseur de 1 µm ou moins, peut être transférée sur le substrat de base.Once the two substrates are attached, an input of mechanical and/or thermal energy drives the weakened zone to failure. Thus, a layer with a thickness of 1 µm or less can be transferred onto the base substrate.
Ensuite lors de l’étape 103, la paire d’électrodes en peignes interdigités est réalisée dans le matériau piézoélectrique pour obtenir le dispositif à ondes élastiques selon le premier mode de réalisation en utilisant des étapes de lithographie, de gravure, de dépôt et éventuellement de polissage, connues de l’homme de l’art.Then, during step 103, the pair of interdigitated comb electrodes is produced in the piezoelectric material to obtain the elastic wave device according to the first embodiment using lithography, etching, deposition and possibly polishing steps, known to those skilled in the art.
Le procédé de l’étape 103 peut être adapté aux autres modes de réalisations décrits ci-dessus en adaptant le masque et l’alignement du masque lors des étapes de lithographie.The method of step 103 can be adapted to the other embodiments described above by adapting the mask and the alignment of the mask during the lithography steps.
Ensuite lors de l’étape 105, un champ électrique est appliqué qui est plus fort que le champ coercitif du matériau piézoélectrique, en particulier le matériau ferroélectrique, pour réaliser les premiers et deuxièmes domaines alternant de manière périodique et ayant des polarisations opposées. Le champ électrique appliqué doit être plus fort que 22 kV.mm-1qui représente le champ coercitif généralement mesuré pour le niobate de lithium et le tantalate de lithium.Then in step 105, an electric field is applied which is stronger than the coercive field of the piezoelectric material, in particular the ferroelectric material, to realize the first and second domains alternating periodically and having opposite polarizations. The applied electric field must be stronger than 22 kV.mm -1 which represents the coercive field generally measured for lithium niobate and lithium tantalate.
Ainsi on peut utiliser les dents du paire d’électrodes de peignes interdigités pour aussi réaliser la structure des domaines de polarisations opposées.Thus, the teeth of the interdigital comb electrode pair can also be used to create the structure of the opposite polarization domains.
Pour réaliser le deuxième et le troisième mode de réalisation, il suffit de réaliser l’étape 105 avant l’étape 103 en utilisant des électrodes pour créer un champ électrique en forme de bandes parallèles, de préférence perpendiculaire à la surface du matériau piézoélectrique.To carry out the second and third embodiments, it is sufficient to carry out step 105 before step 103 using electrodes to create an electric field in the form of parallel bands, preferably perpendicular to the surface of the piezoelectric material.
Un tel procédé est par exemple décrit dans Thorlabs, « Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) – Tutorial », page 686 à 687 disponible sur www.thorlabs.com en utilisant des électrodes structurées qui sont ensuite enlevées. D’autre alternatives utilisent un faisceau d'électron, on peut se référer à la publication : C. Restoin, C. Darraud-Taupiac, J. L. Decossas, J. C. Vareille, J. Hauden et A. Martinez : « Ferroelectric domain inversion by electron beam on LiNbO3 and Ti : LiNbO3 » Journal of Applied Physics, 88:6665–6668, 2000, ou M. Yamada et K. Kishima : « Fabrication of periodically reversed domain structure for SHG in LiNbO3 by direct electron beam lithography at room temperature », Electronics Letters, 27:828–829, 1991.Such a process is for example described in Thorlabs, “Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) – Tutorial”, pages 686 to 687 available on www.thorlabs.com using structured electrodes which are then removed. Other alternatives use an electron beam, one can refer to the publication: C. Restoin, C. Darraud-Taupiac, J. L. Decossas, J. C. Vareille, J. Hauden and A. Martinez: “Ferroelectric domain inversion by electron beam on LiNbO3 and Ti: LiNbO3” Journal of Applied Physics, 88:6665–6668, 2000, or M. Yamada and K. Kishima: “Fabrication of periodically reversed domain structure for SHG in LiNbO3 by direct electron beam lithography at room temperature”, Electronics Letters, 27:828–829, 1991.
Claims (13)
un matériau piézoélectrique (3), en particulier un matériau ferroélectrique avec des premiers domaines (3a) d’une première direction de polarisation (13a) et des deuxièmes domaines (3b) avec une deuxième direction de polarisation (13b), la première direction (13a) étant opposée à la deuxième direction (13b),
dans laquelle les premiers et deuxièmes domaines (3a, 3b) sont alternés de manière périodique selon une direction (d), dite direction périodique, perpendiculaire à la normale (n) de surface du matériau piézoélectrique (3), et
une paire d’électrodes en peigne interdigitées (15a, 15b)
dont les dents de peigne (17a1 à 17a3, 17b1 à 17b3) respectives s’étendent essentiellement perpendiculaires à la direction périodique (d) et à la normale (n) et
dont les dents de peigne (17a1 à 17a3, 17b1 à 17b3) sont agencées au moins partiellement, de préférence entièrement, enterrées dans le matériau piézoélectrique (3) et dans lequel les dents de peigne sont positionnées telles que la direction de polarisation des deux côtés de chaque dent est la même, en particulier telles que la direction de polarisation est différente pour des dents d’électrodes différentes.Elastic wave device comprising
a piezoelectric material (3), in particular a ferroelectric material with first domains (3a) of a first polarization direction (13a) and second domains (3b) with a second polarization direction (13b), the first direction (13a) being opposite to the second direction (13b),
in which the first and second domains (3a, 3b) are periodically alternated in a direction (d), called the periodic direction, perpendicular to the surface normal (n) of the piezoelectric material (3), and
a pair of interdigitated comb electrodes (15a, 15b)
whose respective comb teeth (17a1 to 17a3, 17b1 to 17b3) extend essentially perpendicular to the periodic direction (d) and to the normal (n) and
whose comb teeth (17a1 to 17a3, 17b1 to 17b3) are arranged at least partially, preferably entirely, buried in the piezoelectric material (3) and in which the comb teeth are positioned such that the polarization direction on both sides of each tooth is the same, in particular such that the polarization direction is different for teeth of different electrodes.
- fournir un matériau piézoélectrique, en particulier un matériau ferroélectrique,
- réaliser la paire d’électrodes en peignes interdigités au moins partiellement, de préférence entièrement, enterrée dans le matériau piézoélectrique (3).et ensuite
- appliquer un champ électrique plus fort, en particulier au moins 10 fois plus fort, que le champ coercitif du matériau piézoélectrique pour réaliser les premiers et deuxièmes domaines alternant de manière périodique et ayant des polarisations opposées.Method of manufacturing an elastic wave device according to one of claims 1 to 11 and comprising the following steps:
- providing a piezoelectric material, in particular a ferroelectric material,
- making the pair of interdigitated comb electrodes at least partially, preferably entirely, buried in the piezoelectric material (3).and then
- applying a stronger electric field, in particular at least 10 times stronger, than the coercive field of the piezoelectric material to produce the first and second domains alternating periodically and having opposite polarizations.
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- 2023-12-31 FR FR2315548A patent/FR3158015A1/en active Pending
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Also Published As
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