DISPOSITIF A ONDES ACOUSTIQUES COMPRENANT DES DOMAINES DE POLARISATION ALTERNEE SOUND WAVE DEVICE COMPRISING ALTERNATE POLARIZATION AREAS
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à ondes acoustiques et notamment celui des transducteurs à ondes de surface pouvant fonctionner à très hautes fréquences de l'ordre de plusieurs Giga Hertz. De manière conventionnelle, les transducteurs sont fabriqués actuellement en utilisant des structures de peigne à électrodes interdigitées, en utilisant des structures de deux, quatre ou huit électrodes par longueur d'ondes λ, λ correspondant à la fréquence centrale de fonctionnement du transducteur, selon les applications visées. Dans tous ces transducteurs, le ratio généralement utilisé entre les surfaces métallisées au niveau du substrat et les surfaces libres est typiquement compris entre 0,25 et 0,75.The field of the invention is that of acoustic wave devices and in particular that of surface wave transducers which can operate at very high frequencies of the order of several Giga Hertz. Conventionally, transducers are currently manufactured using comb structures with interdigitated electrodes, using structures of two, four or eight electrodes per wavelength λ, λ corresponding to the central operating frequency of the transducer, according to the targeted applications. In all these transducers, the ratio generally used between the metallized surfaces at the level of the substrate and the free surfaces is typically between 0.25 and 0.75.
Une nouvelle classe de transducteurs a néanmoins vu le jour. Il s'agit de transducteurs dits à faible gap dans lesquels la surface libre est très réduite de manière à obtenir la plus petite distance possible entre deux électrodes consécutives. Les avantages de ce type de transducteur résident dans le fait que l'on peut obtenir des largeurs d'électrodes les plus grandes possibles, par période, avec des phénomènes de réflexions entre électrodes fortement diminués.However, a new class of transducers has emerged. These are so-called small gap transducers in which the free surface is very reduced so as to obtain the smallest possible distance between two consecutive electrodes. The advantages of this type of transducer lie in the fact that the widest possible electrode widths can be obtained, per period, with phenomena of reflections between electrodes greatly reduced.
L'inconvénient de ces structures réside dans les difficultés technologiques. A titre d'exemple, pour un transducteur fonctionnant à 1 ,6 GHz, des électrodes de largeur λ/2 soit 1 ,5 μm doivent être séparées par une distance de l'ordre de quelques centaines d'Angstrόms, ce qui nécessite une technologie très délicate.The disadvantage of these structures lies in the technological difficulties. For example, for a transducer operating at 1.6 GHz, electrodes of width λ / 2, ie 1.5 μm, must be separated by a distance of the order of a few hundred Angstroms, which requires technology very delicate.
Par ailleurs lorsque l'on envoie de la puissance dans les électrodes très proches les unes des autres, le métal constitutif desdites électrodes, en l'occurence l'aluminium (le plus souvent utilisé) transforme de l'énergie en chaleur et a tendance à fluer, pouvant ainsi mettre en court-circuit les différentes électrodes (cas des ondes de Rayleigh).Furthermore, when power is sent to the electrodes very close to each other, the metal constituting said electrodes, in this case aluminum (most often used) transforms energy into heat and tends to creep, thus being able to short-circuit the various electrodes (case of Rayleigh waves).
Pour résoudre ces différents problèmes, l'invention propose un dispositif à ondes acoustiques comportant des électrodes continues et un matériau ferroélectrique à retournement de polarisation.
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif à ondes acoustiques comprenant une couche de matériau ferroélectrique et un substrat, caractérisé en ce que la couche de matériau ferroélectrique est comprise entre une première électrode déposée à la surface du substrat ou constitutive du substrat et une deuxième électrode et en ce que la couche de matériau ferroélectrique comprend des premiers domaines de polarisation positive et des seconds domaines de polarisation négative.To solve these various problems, the invention proposes an acoustic wave device comprising continuous electrodes and a ferroelectric material with polarization reversal. More specifically, the subject of the invention is an acoustic wave device comprising a layer of ferroelectric material and a substrate, characterized in that the layer of ferroelectric material is between a first electrode deposited on the surface of the substrate or constituting the substrate and a second electrode and in that the layer of ferroelectric material comprises first domains of positive polarization and second domains of negative polarization.
Selon une première variante la seconde électrode est déposée sur la couche de matériau ferroélectrique. Selon une seconde variante la seconde électrode est supportée par un couvercle, de manière à créer un espace entre ladite seconde électrode et la couche de matériau ferroélectrique, et par la même augmenter les performances de propagation des ondes acoustiques, moins contraintes, en raison du non-contact du matériau ferroélectrique et de l'électrode supérieure. Selon une variante de l'invention, la couche de matériau ferroélectrique peut également comprendre des domaines non polarisés pouvant introduire des éléments de phase pour influencer la directionnalité des ondes acoustiques se propageant dans la couche de matériau ferroélectrique, comme il sera explicité ultérieurement. Selon une variante de l'invention, le dispositif à ondes acoustiques comprend une série de domaines linéaires de polarisation positive, négative ou nulle.According to a first variant, the second electrode is deposited on the layer of ferroelectric material. According to a second variant, the second electrode is supported by a cover, so as to create a space between said second electrode and the layer of ferroelectric material, and by the same to increase the propagation performances of the acoustic waves, less constrained, due to the non -contact of the ferroelectric material and the upper electrode. According to a variant of the invention, the layer of ferroelectric material can also comprise non-polarized domains which can introduce phase elements to influence the directionality of the acoustic waves propagating in the layer of ferroelectric material, as will be explained later. According to a variant of the invention, the acoustic wave device comprises a series of linear domains of positive, negative or zero polarization.
Selon une autre variante de l'invention, les domaines sont distribués selon deux directions orthogonales ce qui favorise les combinaisons d'interférences entre ondes acoustiques et permet un degré de liberté supplémentaire pour élaborer des structures particulières de transducteurs.According to another variant of the invention, the domains are distributed in two orthogonal directions which promotes combinations of interference between acoustic waves and allows an additional degree of freedom to develop particular structures of transducers.
Selon une variante de l'invention le dispositif à ondes acoustiques comprend au moins une électrode dont la surface est définie par deux paramètres y et x répondant à une équation de type y = f(x) avec f fonction réelle.According to a variant of the invention, the acoustic wave device comprises at least one electrode whose surface is defined by two parameters y and x corresponding to an equation of type y = f (x) with f real function.
Selon une variante de l'invention la distribution de polarisation spatiale dans le plan de la couche de matériau ferroélectrique suit une loi géométrique telle que la surface polarisée résultante soit définie par deux paramètres y et x, f étant une fonction réelle.
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 :According to a variant of the invention, the spatial polarization distribution in the plane of the layer of ferroelectric material follows a geometric law such that the resulting polarized surface is defined by two parameters y and x, f being a real function. 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:
- la Figure 1 illustre un procédé pour créer des domaines de polarisation positive et des domaines de polarisation négative pour un dispositif à ondes de surface selon l'invention ;- Figure 1 illustrates a method for creating positive polarization domains and negative polarization domains for a surface wave device according to the invention;
- la Figure 2 illustre un premier exemple de dispositif à ondes de surface selon l'invention ;- Figure 2 illustrates a first example of a surface wave device according to the invention;
- la Figure 3 illustre un exemple de dispositif selon l'invention comportant des domaines non polarisés ;- Figure 3 illustrates an example of a device according to the invention comprising non-polarized domains;
- la Figure 4 illustre une architecture d'électrodes interdigitées selon l'art connu pour créer une fonction d'apodisation ;- Figure 4 illustrates an architecture of interdigitated electrodes according to the known art to create an apodization function;
- la Figure 5 illustre un exemple de forme d'électrodes utilisée dans l'invention pour réaliser une fonction d'apodisation ; - la Figure 6 illustre un second exemple de dispositif à ondes de surface utilisant une seconde électrode qui n'est pas en contact avec la couche de matériau ferroélectrique.- Figure 5 illustrates an example of the form of electrodes used in the invention to perform an apodization function; - Figure 6 illustrates a second example of a surface wave device using a second electrode which is not in contact with the layer of ferroelectric material.
De manière générale l'invention propose un dispositif à ondes acoustiques utilisant une couche de matériau ferroélectrique dans lequel on réalise des domaines de polarisations alternées.In general, the invention proposes an acoustic wave device using a layer of ferroelectric material in which areas of alternating polarizations are produced.
En effet, il est proposé de créer localement des domaines polarisés et de tirer parti de ce genre de polarisation locale pour fonctionnaliser ou rendre périodiques les propriétés électroacoustiques du matériau résultant, de manière à fabriquer des dispositifs à ondes acoustiques excités piézo-électriquement par l'intermédiaire d'un matériau ferroélectrique sur n'importe quel type de substrat métallique ou surface métallisée grâce à une polarisation électrique locale.Indeed, it is proposed to locally create polarized domains and to take advantage of this kind of local polarization to functionalize or make periodic the electroacoustic properties of the resulting material, so as to manufacture devices with acoustic waves excited piezoelectrically by the intermediate of a ferroelectric material on any type of metallic substrate or metallized surface thanks to a local electrical polarization.
Pour cela on réalise de manière classique une couche de matériau ferroélectrique à la surface d'un substrat métallique ou à la surface d'un substrat métallisé. Typiquement il peut s'agir d'un matériau ferroélectrique quelconque, mono, poly ou multicristallin, par exemple de l'oxyde de plomb, titane, zirconium (PZT), du Li Nb 03, du Li Ta 03 ou bien encore du KNb O3. La couche peut typiquement présenter une épaisseur inférieure à environ 10 μm. On soumet alors localement le matériau (pré-polarisé ou non) à un champ électrique important, notamment à l'aide
d'une électrode métallique en forme de pointe ou d'apex, ou dont on a réalisé la géométrie en fonction du profil de polarisation locale souhaitée.For this, a layer of ferroelectric material is conventionally produced on the surface of a metallic substrate or on the surface of a metallized substrate. Typically, it can be any ferroelectric material, mono, poly or multi-crystalline, for example lead oxide, titanium, zirconium (PZT), Li Nb 0 3 , Li Ta 0 3 or even KNb O 3 . The layer can typically have a thickness of less than about 10 μm. The material is then subjected locally (pre-polarized or not) to a large electric field, in particular using a metal electrode in the shape of a tip or apex, or the geometry of which has been produced as a function of the desired local polarization profile.
Le but de cette opération est de dépasser le champ coercitif du matériau pendant une durée suffisante, supérieure au temps minimum de polarisation spécifique du matériau. On aligne alors de façon durable les dipôles moléculaires du matériau ferroélectrique afin d'obtenir une polarisation piézo-électrique maîtrisée. La polarité du champ électrique ainsi appliqué permet en effet d'imposer localement le sens de polarisation du matériau ferroélectrique. Durant l'application du champ électrique, l'électrode sous-jacente ou le substrat lui-même le cas échéant sont portés à la référence électrique. La Figure 1 illustre ce procédé pour créer des premiers domaines D-i de polarisation positive, des seconds domaines D≤ de polarisation négative et conserver des troisièmes domaines D3 non polarisés au sein de la couche C de matériau ferroélectrique à la surface d'un substrat S recouvert d'une première électrode E-i. Une pointe P est positionnée en regard de ladite couche C.The purpose of this operation is to exceed the coercive field of the material for a sufficient duration, greater than the minimum specific polarization time of the material. The molecular dipoles of the ferroelectric material are then aligned in a sustainable manner in order to obtain a controlled piezoelectric polarization. The polarity of the electric field thus applied makes it possible to locally impose the direction of polarization of the ferroelectric material. During the application of the electric field, the underlying electrode or the substrate itself, if applicable, are brought to the electrical reference. FIG. 1 illustrates this method for creating first domains Di of positive polarization, second domains D ≤ of negative polarization and preserving third domains D 3 not polarized within the layer C of ferroelectric material on the surface of a substrate S covered with a first Ei electrode. A point P is positioned opposite said layer C.
Nous allons décrire ce procédé dans le cas d'une couche d'oxyde PZT. Typiquement on réalise sur un substrat composé d'un matériau de type silicium, saphir, verre, etc, la première électrode avec un alliage platine/titane capable de résister aux températures d'élaboration de la céramique PZT (températures supérieures à environ 500° C). On procède à la réalisation de la couche PZT par des dépôts de type pulvérisation cathodique ou solgel afin d'obtenir une couche d'épaisseur de l'ordre de quelques microns. On utilise alors une pointe telle que celles utilisées pour les microscopes à champ proche de type microscope à forces atomiques avec lequel on approche une pointe suffisamment près de l'échantillon pour être sensible aux forces de Van der Walls (AFM) ou de type microscope à effet tunnel avec lequel on approche une pointe suffisamment près de l'échantillon pour permettre à des électrons de transiter depuis celui-ci vers la pointe par effet tunnel électronique (STM). En appliquant un potentiel sur la pointe on obtient la polarisation forcée escomptée de façon précise et reproductible. Pour des couches de PZT très fines, de l'ordre de 500 nm d'épaisseur, des potentiels de 5 à 12 V suffisent à engendrer des champs supérieurs au champ coercitif. En pratique la taille des domaines ainsi créés peut être inférieure à 130 nm.
En fonction de la finesse de la pointe, il est possible d'appliquer le processus sur une zone plus ou moins large. Dans le cas du PZT, la résolution spatiale de l'inversion du domaine dépend directement de la taille du grain de matière. Dans les couches déposées par pulvérisation cathodique, la taille du grain peut typiquement être de l'ordre de quelques centaines de nanomètres et être de l'ordre d'environ 60 nm pour des grains obtenus par procédé sol gel.We will describe this process in the case of a PZT oxide layer. Typically, on a substrate composed of a material of the silicon, sapphire, glass, etc. type, the first electrode is produced with a platinum / titanium alloy capable of withstanding the processing temperatures of the PZT ceramic (temperatures above about 500 ° C. ). The PZT layer is produced by sputtering or solgel type deposits in order to obtain a layer of thickness of the order of a few microns. We then use a tip such as those used for near field microscopes of the atomic force microscope type with which we approach a tip close enough to the sample to be sensitive to Van der Walls forces (AFM) or of the microscope type. tunnel effect with which we approach a point close enough to the sample to allow electrons to pass from it to the point by electronic tunnel effect (STM). By applying a potential on the tip, the expected forced polarization is obtained in a precise and reproducible manner. For very thin layers of PZT, of the order of 500 nm thick, potentials of 5 to 12 V are sufficient to generate fields greater than the coercive field. In practice, the size of the domains thus created can be less than 130 nm. Depending on the fineness of the tip, it is possible to apply the process over a more or less wide area. In the case of PZT, the spatial resolution of the domain inversion depends directly on the size of the material grain. In the layers deposited by sputtering, the grain size can typically be of the order of a few hundred nanometers and be of the order of approximately 60 nm for grains obtained by the sol gel process.
Pour des applications dans le domaine des transducteurs à ondes de surface on peut ainsi réaliser des structures avec inversion de domaines de pas de l'ordre de quelques centaines de nanomètres donc tout à fait adaptées à des applications hautes fréquences. En effet selon l'invention le pas du réseau est de l'ordre de la longueur d'onde acoustique. La fréquence est obtenue en première approximation en divisant la vitesse de phase de l'onde par le pas du réseau. Dans le cas des dispositifs classiques à ondes de surface, le pas des réseaux utilisé est généralement égal à une demi- longueur d'onde acoustique.For applications in the field of surface wave transducers it is thus possible to produce structures with inversion of pitch domains of the order of a few hundred nanometers, therefore completely suitable for high frequency applications. According to the invention, the pitch of the network is of the order of the acoustic wavelength. The frequency is obtained as a first approximation by dividing the phase speed of the wave by the network pitch. In the case of conventional surface wave devices, the pitch of the networks used is generally equal to half an acoustic wavelength.
Les dispositifs à ondes acoustiques selon l'invention utilisant le retournement de polarisation dans un matériau ferroélectrique peuvent avantageusement être des dispositifs à ondes de surface. En effet en recouvrant la couche de matériau ferroélectrique par une seconde électrode, on peut exciter la structure ainsi réalisée de façon dynamique.The acoustic wave devices according to the invention using the polarization reversal in a ferroelectric material can advantageously be surface wave devices. In fact, by covering the layer of ferroelectric material with a second electrode, the structure thus produced can be excited dynamically.
En alternant des domaines de polarisation positive et de polarisation négative on alterne extensions et compressions de matière au niveau de la couche de matériau ferroélectrique de manière à générer des interférences acoustiques constructives, se propageant préférentiellement dans le plan de la couche (ayant ainsi une fonction de guide) plutôt que dans le volume. En effet la vitesse de propagation des ondes élastiques guidées dans la couche est plus faible que la vitesse de propagation des ondes élastiques dans le substrat. La Figure 2 montre un exemple de dispositif selon l'invention comprenant un substrat S, une couche C de matériau ferroélectrique présentant des premiers domaines D-i et des seconds domaines D2, une seconde électrode E2 étant déposée à la surface de la couche C, l'excitation électrique étant établie par l'intermédiaire des électrodes Ei et E2. Il est alors possible de définir à la surface du substrat un
unique transducteur qui présente une admittance caractéristique bien identifiée, utilisée en combinaison d'autres transducteurs du même type (mais dont la fréquence centrale est différente) de façon à réaliser des filtres en réseaux, en échelle ou en treillis, ou bien définir un transducteur d'entrée et un transducteur de sortie.By alternating positive and negative polarization domains one alternates extensions and compressions of material at the level of the layer of ferroelectric material so as to generate constructive acoustic interference, propagating preferentially in the plane of the layer (thus having a function of guide) rather than in the volume. In fact the speed of propagation of the elastic waves guided in the layer is lower than the speed of propagation of the elastic waves in the substrate. FIG. 2 shows an example of a device according to the invention comprising a substrate S, a layer C of ferroelectric material having first domains Di and second domains D 2 , a second electrode E 2 being deposited on the surface of layer C, the electrical excitation being established by means of the electrodes Ei and E 2 . It is then possible to define on the surface of the substrate a single transducer which has a well identified characteristic admittance, used in combination with other transducers of the same type (but whose central frequency is different) so as to produce filters in networks, in scale or in trellis, or else to define a transducer d and an output transducer.
Selon ce concept inventif, il est possible de réaliser de manière très directe des fonctions de transduction permettant d'élaborer des transducteurs avec des spécifications données.According to this inventive concept, it is possible to carry out very directly transduction functions making it possible to develop transducers with given specifications.
La période des domaines D-i et D2, est alors équivalente à la période entre électrodes de même polarité au sein des structures interdigitees de l'art connu.The period of the domains Di and D 2 , is then equivalent to the period between electrodes of the same polarity within the interdigitated structures of the known art.
Notamment il est possible d'influencer la directionnalité des ondes acoustiques de surface en créant des éléments neutres en polarisation qui modifie la phase des ondes en perturbant localement le pas des domaines alternés comme illustré en Figure 3. En effet en créant localement une perturbation (domaine D3) dans la distribution alternée de domaines de polarisation positive (D1) et de domaines de polarisation négative (D2), on perturbe de manière non symétrique la propagation des ondes acoustiques de surface, privilégiant une direction plutôt que l'autre. II est également possible de réaliser des dispositifs à ondes de surface avec des fonctions de filtrage très sélectives en longueur d'onde et de manière plus simple que dans l'art connu.In particular it is possible to influence the directionality of the surface acoustic waves by creating neutral elements in polarization which modifies the phase of the waves by locally disturbing the pitch of the alternating domains as illustrated in Figure 3. Indeed by locally creating a disturbance (domain D3) in the alternating distribution of positive polarization domains (D1) and negative polarization domains (D2), the propagation of surface acoustic waves is disturbed in a non-symmetrical manner, favoring one direction over the other. It is also possible to produce surface wave devices with very selective wavelength filtering functions and in a simpler manner than in the known art.
En effet pour réaliser des dispositifs à ondes de surface avec de grande réjection, il est couramment proposé d'établir des fonctions d'apodisation par recouvrement des électrodes interdigitees, complexes, comme illustré en Figure 4. La variable y représente la longueur de recouvrement de deux électrodes adjacentes. Il a été montré qu'une fonction de type y = sin x/x permettait d'obtenir une fonction de filtrage très raide.Indeed, to produce surface wave devices with high rejection, it is commonly proposed to establish apodization functions by overlapping of the interdigitated, complex electrodes, as illustrated in FIG. 4. The variable y represents the overlap length of two adjacent electrodes. It has been shown that a function of type y = sin x / x makes it possible to obtain a very steep filtering function.
De manière générale, la fonction d'apodisation permet de moduler en amplitude l'émission d'ondes élastiques de telle sorte que la réponse impulsionnelle d'une structure à deux transducteurs en regard, dont l'un est apodisé, l'autre non (mais d'une ouverture acoustique au moins égale à la plus grande ouverture du transducteur apodisé) soit de forme identique à la fonction d'apodisation. Par exemple, si l'apodisation spatiale est triangulaire,
en excitant le système avec un Dirac, on reçoit un signal triangulaire en temps.In general, the apodization function makes it possible to modulate in amplitude the emission of elastic waves so that the impulse response of a structure with two opposite transducers, one of which is apodized, the other not ( but with an acoustic opening at least equal to the largest opening of the apodized transducer) or of identical shape to the apodization function. For example, if the spatial apodization is triangular, by exciting the system with a Dirac, we receive a triangular signal in time.
Il est également possible dans des matériaux non polarisés spontanément (PZT en couches minces par exemple) de créer la fonction d'apodisation directement lors de l'opération de polarisation locale, en réalisant des domaines linéaires plus ou moins longs de manière à reconstituer la fonction désirée.It is also possible in spontaneously non-polarized materials (PZT in thin layers for example) to create the apodization function directly during the local polarization operation, by realizing linear domains more or less long so as to reconstitute the function desired.
Selon l'invention il est possible de simuler ce type de recouvrement grâce à la géométrie de l'une des électrodes du dispositif à ondes acoustiques, comme illustré en Figure 5.According to the invention, it is possible to simulate this type of covering thanks to the geometry of one of the electrodes of the acoustic wave device, as illustrated in FIG. 5.
Dans le premier exemple de dispositif selon l'invention, illustré en Figure 3, la seconde électrode est réalisée à la surface du matériau ferroélectrique.In the first example of a device according to the invention, illustrated in FIG. 3, the second electrode is produced on the surface of the ferroelectric material.
La Figure 6 décrit un second exemple de dispositif à ondes de surface selon l'invention, dans lequel on crée une excitation sans contact de l'électrode supérieure avec la couche de matériau ferroélectrique. Pour ce faire l'électrode E2 est supportée par un couvercle CL reposant sur le substrat S. Typiquement, l'épaisseur de ce gap peut être inférieure à environ une vingtaine de microns.. Des lignes de champ électrique sont toujours présentes entre les deux électrodes et donc au sein du matériau ferroélectrique. Une telle structure présente les avantages suivants :FIG. 6 describes a second example of a surface wave device according to the invention, in which an excitation is created without contact of the upper electrode with the layer of ferroelectric material. To do this, the electrode E 2 is supported by a cover CL resting on the substrate S. Typically, the thickness of this gap can be less than about twenty microns. Electric field lines are always present between the two electrodes and therefore within the ferroelectric material. Such a structure has the following advantages:
- limiter les problèmes de vieillissement des métallisations, au moins au niveau de l'électrode supérieure, les problèmes de tenue en puissance des couches métalliques et de pertes acoustiques introduites par les métaux en couches minces.limit the problems of aging of the metallizations, at least at the level of the upper electrode, the problems of power handling of the metal layers and of acoustic losses introduced by the metals in thin layers.
Avec une architecture dans laquelle le couvercle est amovible, il devient de plus possible de reconfigurer les domaines de polarisation positive, négative ou nulle et ainsi reprogrammer le dispositif à ondes acoustiques.
With an architecture in which the cover is removable, it also becomes possible to reconfigure the areas of positive, negative or zero polarization and thus reprogram the acoustic wave device.