FR2811828A1 - Dispositif a ondes acoustiques comprenant des domaines de polarisation alternee - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques comprenant une couche de mat eriau ferro electrique (C) et un substrat (S), caract eris e en ce que la couche de mat eriau ferro electrique est comprise entre une première electrode (E1) d epos ee à la surface du substrat ou constitutive du substrat et une deuxième electrode (E2) et en ce que la couche de mat eriau ferro electrique comprend des premiers domaines de polarisation positive (D1) et des seconds domaines de polarisation n egative (D2). Pour des applications dans le domaine des transducteurs à ondes de surface on peut avantageusement r ealiser des structures avec inversion de domaines de pas de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, adapt ees à des applications hautes fr equences (de l'ordre du Giga Hertz).
Description
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., X 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.
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 diminues.
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 L2 soit 1,5 pm doivent être séparées par une distance de l'ordre de quelques centaines d'Angstroms, ce qui nécessite
une technologie très délicate.
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).
Pour résoudre ces différents problèmes, I'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.
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.
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. 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. 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 - 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; - la Figure 2 illustre un premier exemple de dispositif à ondes de surface selon l'invention; - la Figure 3 illustre un exemple de dispositif selon l'invention comportant des domaines non polarisés; - la Figure 4 illustre une architecture d'électrodes interdigitées selon l'art connu pour créer une fonction d'apodisation; 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.
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.
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.
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 03. La couche peut typiquement présenter une épaisseur inférieure à environ 10 pm. On soumet alors localement le matériau (prépolarisé 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.
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, I'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 D1 de polarisation positive, des seconds domaines D2 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 E1. Une pointe P est positionnée en regard de ladite couche 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.
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.
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.
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 D1 et des seconds domaines D2, une seconde électrode E2 étant déposée à la surface de la couche C, I'excitation électrique étant établie par l'intermédiaire des électrodes E1 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.
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.
La période des domaines Dl et D2, est alors équivalente à la période entre électrodes de même polarité au sein des structures
interdigitées de l'art connu.
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 (Dl) 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.
Il 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.
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 interdigitées, 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.
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, I'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. 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.
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. Dans le premier exemple de dispositif selon l'invention, illustré en Figure 3, la seconde électrode est réalisée à la surface du matériau ferroélectrique. 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, I'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: - 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.
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.
Claims (18)
1. Dispositif à ondes acoustiques comprenant une couche de matériau ferroélectrique (C) et un substrat (S), caractérisé en ce que la couche de matériau ferroélectrique est comprise entre une première électrode (El) déposée à la surface du substrat ou constitutive du substrat et une deuxième électrode (E2) et en ce que la couche de matériau ferroélectrique comprend des premiers domaines de polarisation positive
(D1l) et des seconds domaines de polarisation négative (D2).
2. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde électrode est déposée à la surface de la
couche de matériau ferroélectrique.
3. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un couvercle (CL) reposant sur le substrat, ledit couvercle comportant la seconde électrode, de manière à créer un
espace entre ladite seconde électrode et la couche de matériau piézo-
électrique.
4. Dispositif à ondes de surface selon la revendication 3, caractérisé en ce que le couvercle est amovible par rapport à la couche de
matériau ferroélectrique.
5. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications 1
à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des troisièmes domaines non polarisés
(D3) de manière à influencer la directivité des ondes acoustiques.
6. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications 1
à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une série de domaines linéaires
comportant des premiers domaines et des seconds domaines.
7. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 6, caractérisé en ce que la série de domaines linéaires comporte en outre des
domaines non polarisés.
8. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications 1
à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un arrangement matriciel de premiers
domaines et de seconds domaines.
9. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 8,
o caractérisé en ce qu'il comprend en outre des domaines non polarisés.
10. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications
1 à 9, caractérisé en ce que le matériau ferroélectrique est de l'oxyde de
plomb, de titane et de zirconium.
11. Dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première électrode est un alliage de platine et de titane.
12. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le substrat est en silicium.
13. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la seconde électrode est en aluminium.
14. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications
à 13, caractérisé en ce qu'il 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 une fonction réelle
15. Dispositif à ondes acoustiques selon l'une des revendications
à 13, caractérisé en ce que 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
répondant à une équation de type y = f (x), f étant une fonction réelle.
16. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes de surface selon
l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes
suivantes - la réalisation d'une couche de matériau ferroélectrique à la surface d'un substrat comportant une première électrode; - I'élaboration dans la couche de matériau ferroélectrique de domaines de polarisation positive et négative par application d'un champ électrique supérieur au champ coercitif du matériau ferroélectrique, dont la polarité conditionne le sens de polarisation des domaines; - la réalisation d'une seconde électrode en regard du matériau ferroélectrique;
17. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde électrode est
réalisée à la surface de la couche de matériau ferroélectrique.
18. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde électrode est
supportée par un couvercle fixé sur le substrat.
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