Summary:

Atteindre le plein potentiel de la 5ème génération d’applications mobiles (5G) nécessite de pousser les performances des filtres acoustiques radiofréquences au-delà de leurs limites actuelles. Les filtres radiofréquences hautes performances existants (supérieurs à 2,5 GHz) sont réalisés à base de nitrure d’aluminium. Leur bande passante est cependant limitée par le faible coefficient de couplage électromécanique du nitrure d’aluminium. Dans ce contexte, en raison de son coefficient de couplage électromécanique plus élevé, le niobate de lithium semble être un bon candidat comme matériau piézoélectrique. Pour cette application, les couches de niobate de lithium doivent être st?chiométriques et soit hautement texturées, soit mono cristallines. Dans le présent travail, deux techniques de dépôt ont été étudiées. Plusieurs techniques de caractérisations ont été évaluées afin de pouvoir analyser les propriétés des couches : leur cristallinité, leur rugosité, leur composition chimique ou encore leur microstructure. En effet, la couche doit répondre à un cahier des charges précis afin de pouvoir être utile pour l’application radiofréquences. Dans un premier temps, des couches hautement texturées suivant l’axe c (correspondant à la famille de plans cristallins 001), déposées directement sur substrat silicium par pulvérisation cathodique radio fréquence à température ambiante et après recuits ont été réalisés. Dans un second temps, des couches homoépiatxiales ont été obtenues sur des substrats niobate de lithium de différentes coupes cristallines par ablation laser pulsée. De plus, les relations de croissance de niobate de lithium sur des substrats de saphir ont été mises en évidence avec cette même technique de dépôt. Enfin, les propriétés piézoélectriques de couches minces de niobate de lithium déposées sur électrodes métalliques sur des substrats de niobate de lithium, saphir et silicium ont été étudiées avec la réalisation d’un résonateur FBAR (Film Bulk Acoustic waves Resonator).

Abstract:

Reaching the full potential of 5th generation mobile applications (5G) requires pushing the performance of radio frequency acoustic filters beyond their current limits. Existing high performance RF filters (above 2.5 GHz) are made of aluminum nitride. However, their bandwidth is limited by the low electromechanical coupling coefficient of aluminum nitride. In this context, due to its higher electromechanical coupling coefficient, lithium niobate seems to be a good candidate as a piezoelectric material. For this application, lithium niobate layers must be stoichiometric and either highly textured or mono-crystalline. In the present work, two deposition techniques have been studied. Several characterization techniques have been evaluated in order to analyze the properties of the layers: their crystallinity, their roughness, their chemical composition or their microstructure. Indeed, the layer must meet a precise specification in order to be useful for the radio frequency application. In a first step, highly textured layers along the c-axis (corresponding to the 001 family of crystal planes), deposited directly on silicon substrate by radio frequency sputtering at room temperature and after annealing were realized. In a second step, homoepiatxial layers were obtained on lithium niobate substrates of different crystal cross sections by pulsed laser ablation. Moreover, the growth relationships of lithium niobate on sapphire substrates have been demonstrated with this same deposition technique. Finally, the piezoelectric properties of lithium niobate thin films deposited on metal electrodes on lithium niobate, sapphire and silicon substrates have been studied with the realization of a FBAR (Film Bulk Acoustic waves Resonator).