FR3079668A1 - Dispositif d'onde acoustique de surface sur substrat composite - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface comprenant un substrat de base (206, 606), une couche piézoélectrique (204, 304, 610) et une couche d'électrode (208, 608) située entre la couche piézoélectrique (204, 304, 610) et le substrat de base (206, 606), une électrode en peigne (210, 612) formée sur la couche piézoélectrique (204, 304, 610) comprenant une pluralité de moyens d'électrode (212, 614) avec un pas p, défini par p = A, avec A étant la longueur d'onde de l'onde acoustique stationnaire générée en appliquant des potentiels opposés à ladite couche d'électrode (208, 608) et une électrode en peigne (210, 612), caractérisé en ce que ladite couche piézoélectrique (204, 304, 610) comprend au moins une région (216, 616) située entre les moyens d'électrode (212, 614), dans laquelle au moins un paramètre physique est différent de la région (218, 624) située en dessous des moyens d'électrode (212, 614). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif à ondes acoustiques de surface.
Description
Dispositif d'onde acoustique de surface sur substrat composite
L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface et un procédé de fabrication du dispositif à ondes acoustiques de surface.
Ces dernières années, des dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) basés sur un substrat composite ont montré des caractéristiques de température et des performances améliorées en tant que dispositifs de filtre, en particulier pour les applications de téléphonie mobile.
Dans un dispositif à ondes acoustiques de surface (SAW) typique, un ou plusieurs transducteurs interdigités (IDT) sont utilisés pour convertir des ondes acoustiques en signaux électriques et vice versa en exploitant l'effet piézoélectrique de certains matériaux. Un transducteur interdigité (IDT) comprend des « peignes » opposés avec des doigts métalliques interdigités disposés sur un substrat piézoélectrique. Une onde acoustique de surface peut être établie sur le substrat en excitant électriquement les doigts. Inversement, un signal électrique peut être induit à travers les doigts par une onde acoustique de surface se propageant dans le matériau de substrat piézoélectrique dessous le transducteur.
Cependant, de tels dispositifs à ondes acoustiques de surface sont en pratique limités à des fréquences de fonctionnement d'environ 1 à 3GHz, le pas d'électrode p des électrodes en peigne déterminant la longueur d'onde Λ de l'onde acoustique donnée par la relation p = λ/η, avec n>2, généralement égal à 2. Ainsi, il est en pratique difficile de miniaturiser davantage les électrodes en peigne lorsque des fréquences de fonctionnement plus élevées sont nécessaires, d'une part pour des raisons de lithographie et d'autre part pour des raisons de pertes électriques.
Dans un dispositif SAW de deuxième harmonique, ou dans des résonateurs à ondes acoustiques de volume dans un film (FBAR), au lieu d'une structure de transducteur interdigitée avec des peignes opposés à des potentiels opposés, une structure de transducteur avec une électrode non structurée (FBAR) ou une seule électrode en peigne (SAW de deuxième harmonique) est utilisée. Au lieu d'utiliser une seconde électrode en peigne, une contre-électrode à l'arrière de la structure piézoélectrique est utilisée. Cette contre-électrode est typiquement à la masse, et l'électrode en peigne à un potentiel donné. Les ondes acoustiques sont ensuite excitées en faisant fonctionner le transducteur à peigne unique sur sa deuxième harmonique de Bragg, comme montré dans US 6 445 265 B1. La cohérence de phase étant obtenue lorsque la période du peigne p est égale à la longueur d'onde acoustique λ, cette approche permet de doubler les fréquences de fonctionnement des composants par comparaison aux transducteurs interdigités traditionnels ayant les mêmes géométries (même période, même nombre de doigts, etc.) tout en conservant une robustesse en termes de fabrication.
Cependant, dans un tel dispositif SAW de deuxième harmonique, du fait du mode de deuxième harmonique excité, l'onde acoustique générée est une onde stationnaire. La réalisation d'un dispositif de filtre SAW basé sur une telle structure de transducteur peut reposer par exemple sur la possibilité de coupler des ondes évanescentes dans la direction longitudinale. Ainsi, le couplage électromécanique obtenu pour un tel dispositif n'est pas efficace. Une approche alternative pour la construction de filtres utilisant un tel principe consiste à utiliser le dispositif SAW comme élément d'impédance d'un filtre dit en échelle. Dans ce cas, le dispositif SAW est utilisé comme un résonateur qui peut être combiné avec d'autres résonateurs selon l'état de la technique pour fournir une fonction de filtrage.
Cependant, des pertes d'énergie sont toujours présentes pour une telle structure de transducteur du fait d'une énergie acoustique non guidée correspondant à des modes de volume excités par la structure de transducteur.
Le but de l'invention est donc de surmonter ces inconvénients en proposant un dispositif à ondes acoustiques de surface de deuxième harmonique déposé sur un substrat composite ayant une conception nouvelle.
Le but de l'invention est atteint par un dispositif à ondes acoustiques de surface comprenant un substrat de base, une couche piézoélectrique et une couche d'électrode entre ladite couche piézoélectrique et ledit substrat de base, comprenant en outre une électrode en peigne formée sur la couche piézoélectrique comprenant une pluralité de moyens d'électrode avec un pas p, défini par p = λ, avec A la longueur d'onde de l'onde acoustique stationnaire générée en appliquant des potentiels opposés à ladite couche d' électrode et à ladite électrode en peigne, caractérisé en ce que ladite couche piézoélectrique comprend au moins une région située entre les moyens d’électrode dans laquelle au moins un paramètre physique est différent par rapport à la région située sous les moyens d'électrode.
Dans la technique antérieure, les dispositifs SAW de deuxième harmonique, outre les ondes stationnaires excitées dans la direction d'épaisseur de la couche piézoélectrique, des ondes acoustiques se propageant latéralement peuvent aussi être excitées. Ces ondes acoustiques se propageant latéralement sont le résultat du couplage entre les ondes acoustiques stationnaires et les ondes acoustiques de volume générées. En ayant au moins une région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d'électrode dans laquelle au moins un paramètre physique est différent par rapport à la région située sous les moyens d'électrode, il est possible de modifier le couplage entre ces deux types d'ondes acoustiques pour parvenir à une réduction, voire une suppression de cet effet indésirable. En particulier, il devient possible de guider les ondes acoustiques dans la couche piézoélectrique.
Selon une variante de l'invention, le au moins un paramètre physique de la couche piézoélectrique étant différent dans la au moins une région est l'élasticité de la couche piézoélectrique. En ayant au moins une région située entre les moyens d'électrode dans laquelle au moins un paramètre physique de la couche piézoélectrique est différent par rapport à la région sous les moyens d’électrode, il est donc possible de modifier le couplage des ondes acoustiques de volume et des ondes acoustiques stationnaires, et d'obtenir la propagation d’ondes acoustiques évanescentes dans la direction longitudinale.
Selon une variante de l'invention, le au moins un paramètre physique de la couche piézoélectrique étant différent dans la au moins une région est une concentration de dopant, en particulier la concentration de dopant de Ti dans la couche piézoélectrique. Il est donc possible de modifier le couplage des ondes acoustiques de volume et des ondes acoustiques stationnaires, et d'obtenir la propagation des ondes acoustiques évanescentes dans le sens longitudinal.
Selon une variante de l'invention, l'épaisseur tr dans la au moins une région de la couche piézoélectrique est inférieure à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique. Selon une autre variante, la couche piézoélectrique peut être présente uniquement sous les moyens d'électrode vers le substrat de base. En ayant une couche piézoélectrique plus mince entre les moyens d'électrode ou même en la supprimant complètement, le couplage des ondes acoustiques de volume et des ondes acoustiques stationnaires est modifié. Il devient même possible d'obtenir des ondes acoustiques évanescentes dans la direction longitudinale, en réduisant ainsi les effets parasites indésirables.
Selon une variante de l'invention, le dispositif à ondes acoustiques de surface tel que décrit ci-dessus peut en outre comprendre un miroir de Bragg sous la couche piézoélectrique. Un miroir de Bragg réduit la perte d'énergie vers le substrat de base, et peut ajouter une stabilité mécanique à la structure de dispositif.
Selon une variante de l'invention, la couche d'électrode située entre ladite couche piézoélectrique et ledit substrat de base peut faire partie du miroir de Bragg, en particulier de la couche supérieure du miroir de Bragg. En utilisant la couche supérieure comme couche d'électrode, le nombre d'étapes de fabrication du dispositif peut être réduit.
Selon une variante de l'invention, le miroir de Bragg peut comprendre une pluralité de couches d’impédance alternée. Dans un tel miroir, les paramètres d'empilement tels que l'épaisseur des couches et le rapport d'impédance des couches, correspondant à la différence d'impédance entre les couches à haute et à basse impédance, permettent de commander et/ou d'ajuster et/ou d'améliorer la réflectivité du miroir et la bande passante de fréquence.
Selon une variante de l'invention, l'épaisseur de la couche piézoélectrique peut être choisie pour optimiser le couplage entre l'onde acoustique de volume et l'onde acoustique stationnaire générée entre l'électrode en peigne et la couche d'électrode, se situant dans la plage de sous-longueur d'onde, notamment de l'ordre de λ/2, plus particulièrement de l'ordre de λ/4 ou moins. Il est donc possible d’obtenir des ondes acoustiques guidées dans la couche piézoélectrique, l'épaisseur de la couche piézoélectrique étant de l'ordre de ou inférieure à la longueur d'onde de la structure de transducteur, en particulier de l'ordre de λ/2, plus particulièrement de l’ordre de λ/4 ou moins.
Selon une variante de l'invention, la dimension de l'électrode en peigne est définie par l'optimisation du couplage entre l'onde acoustique de volume et l'onde acoustique stationnaire générée entre l'électrode en peigne et la couche d'électrode. Un couplage entre l'onde acoustique de volume et l'onde acoustique stationnaire entraîne une propagation d'ondes guidées à l'intérieur de la couche piézoélectrique, dans la direction longitudinale. Par conséquent, en modifiant les caractéristiques structurelles de l'électrode en peigne, il est possible d'améliorer ce couplage et ainsi d'augmenter la propagation des ondes guidées dans la couche piézoélectrique.
L'objet de la présente invention est également atteint par le procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'invention décrite . Le procédé comprend les étapes consistant à : a) fournir une couche d'électrode au-dessus d'un substrat de base, b) fournir une couche piézoélectrique sur la couche d’électrode et c) former une couche d'électrode en peigne supérieure sur la couche piézoélectrique, dans lequel l'étape b) de fourniture de la couche piézoélectrique comprend la fourniture d'au moins une région située entre les moyens d'électrode dans laquelle au moins un paramètre physique est différent par raport à la région sous les moyens d'électrode.
Selon une variante de l'invention, l'étape b) peut comprendre une étape de gravure, pour retirer une partie ou la totalité de la couche piézoélectrique dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d’électrode. Cela simplifie le processus de fabrication.
Selon une variante de l'invention, l'étape b) comprend une implantation ou diffusion d’espèces atomiques, en particulier de Ti, dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d'électrode. Selon une autre variante, l'étape b) comprend un échange de protons dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d’électrode. Ceci permet d'utiliser une technique de traitement standard bien adaptée à la couche piézoélectrique afin d'avoir différents paramètres physiques de la couche piézoélectrique dans une région de la couche piézoélectrique.
Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface tel que décrit précédemment comprend en outre une étape d) de fourniture d'un miroir de Bragg sur ou au-dessus du substrat de base, avant l'étape de fourniture de la couche piézoélectrique. Ceci permet d'utiliser un procédé de formation de film mince tel qu'un dépôt en phase vapeur ou une pulvérisation cathodique pour former une couche piézoélectrique mince dans la plage de sous-longueur d'onde avec facilité et précision.
Selon une variante de l'invention, le miroir de Bragg est prévu de sorte que la couche d'électrode fait partie du miroir de Bragg. Ceci permet de simplifier encore le procédé de fabrication en réduisant la quantité de couches à déposer, sans avoir à compromettre les performances du miroir, et donc du dispositif.
Selon une variante de l'invention, au moins l'une des étapes a) à d) du procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface tel que décrit ci-dessus est un procédé de transfert de couche. Il est par exemple possible d'utiliser un procédé Smart Cut™, dans lequel un transfert d'une couche d'un substrat donneur sur un substrat support est réalisé par propagation d'une onde de fracture le long d'une interface dans le substrat donneur fragilisé précédemment par implantation ionique, pendant le recuit thermique.
Le but de la présente invention est également atteint par un dispositif de filtre de fréquence comprenant un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des variantes de l'invention.
L'invention peut être comprise en se référant à la description suivante prise en conjonction avec les figures annexées, où des références numériques identifient des caractéristiques de l'invention.
Les figures 1a et 1b montrent un dispositif à ondes acoustiques de surface connu sous le nom de dispositif à ondes acoustiques de surface de deuxième harmonique selon l'état de la technique.
Les figures 2a à 2e montrent un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Les figures 3a et 3b montrent un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 montre un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5a montre un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5b montre les caractéristiques d'un miroir de Bragg pour un exemple particulier du quatrième mode de réalisation de l'invention.
Les figures 6a et 6b montrent l'admittance harmonique et le maillage utilisé pour simuler la résonance de volume d'un dispositif acoustique de volume pour l'exemple particulier du miroir de Bragg de la figure 5b.
La figure 7 montre les caractéristiques des modes d'excitation pour un dispositif à ondes acoustiques de surface pour un exemple particulier selon les deuxième et quatrième modes de réalisation de l'invention.
La figure 8 montre les caractéristiques des modes d'excitation pour un dispositif à ondes acoustiques de surface pour un exemple particulier selon les deuxième et quatrième modes de réalisation de l'invention.
La figure 9 montre les caractéristiques des modes d'excitation pour un dispositif à ondes acoustiques de surface pour un exemple particulier selon les deuxième et quatrième modes de réalisation de l'invention.
La figure 10 montre un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'un quelconque des premier, deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention.
La figure 11 montre de manière schématique les étapes du procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon toute combinaison du premier au troisième mode de réalisation avec le quatrième mode de réalisation de l'invention.
La figure 1a montre un dispositif à ondes acoustiques de surface 100 selon l'état de la technique. Il comprend un substrat de propagation d'ondes acoustiques 102, comprenant une couche piézoélectrique 104 d'épaisseur t et un substrat de base 106. Le dispositif d'ondes acoustiques de surface 100 comprend également une couche d'électrode 108 formée au-dessus du substrat de base 106 et sous la couche piézoélectrique 104. La couche d'électrode 108 est connectée à la masse. La couche d'électrode 108 est formée de tout métal conducteur approprié, par exemple de l'aluminium, ou de l'alliage d'aluminium ou du tungstène.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 100 comprend en outre une électrode en peigne 110, comportant une pluralité de doigts d'électrode 112 s'étendant à partir d'une partie conductrice respective 114. L'électrode en peigne 110 et sa partie conductrice respective 114 sont formées de tout métal conducteur approprié, par exemple en aluminium, ou en alliage d'aluminium ou en tungstène.
Une structure de transducteur 116 est donc présente dans le dispositif à ondes acoustiques de surface 100 comprenant l'électrode en peigne 110 avec la pluralité de doigts d'électrode 112 sur le dessus de la couche piézoélectrique 104 et la couche d'électrode inférieure 108 en dessous de la couche piézoélectrique 104.
Notamment, les transducteurs ont généralement un nombre beaucoup plus grand de doigts d'électrode que ceux représentés sur la figure 1a et la figure 1b. Le nombre de doigts d'électrodes réels a été réduit de manière significative sur les figures dans le but d’illustrer plus clairement le concept global.
Les doigts d’électrode 112 de l'électrode en peigne 110 ont généralement tous essentiellement la même longueur /, largeur w et épaisseur h (représentées sur la figure 1b). En variante, les doigts d'électrode 112 peuvent également être effilés.
Les doigts d'électrode 112 de l'électrode en peigne 110 sont tous connectés à un potentiel 118 étant ici +V, et la structure de transducteur 116 est ainsi définie par son pas d'électrode p, correspondant à la distance bord à bord de doigts d’électrode entre deux doigts d’électrode voisins, par exemple 112_2 et 112_3, comme illustré sur la figure 1a. Comme tous les doigts d'électrode 112 sont connectés au même potentiel +V, le pas d'électrode p de la structure de transducteur 116 est donné par p = λ, correspondant au double de la condition de Bragg, ou encore appelé mode de deuxième harmonique. Pour une structure de transducteur interdigitée, correspondant généralement à l'état de la technique pour la structure de transducteur utilisée dans les dispositifs SAW, la condition de Bragg est donnée par p = 2λ.
La figure 1b montre le même dispositif à ondes acoustiques de surface 100 que sur la figure 1a, dans une vue latérale, montrant les doigts d'électrode 112 de l'électrode en peigne 110. Le substrat 102 sur lequel la structure de transducteur 116 est réalisée est identique à ce qui a été mentionné précédemment pour la figure 1a. Toutes les caractéristiques avec la même référence numérique que sur la figure 1a ne sont pas décrites à nouveau en détail, mais il est fait référence à leur description ci-dessus.
Dans la géométrie telle qu'illustrée sur les figures 1a et 1b, ayant tous les doigts d'électrode 112 au même potentiel, il n'est pas possible de créer un champ électrique dans la direction Χή perpendiculaire à l'extension longitudinale / des doigts d'électrode 112, et donc il n'est pas possible de coupler des modes acoustiques à partir de la structure de transducteur 116 le long du mode de fonctionnement IDT habituel.
En plaçant la couche d'électrode 108 à la masse au-dessous de la couche piézoélectrique 104, un champ électrique 120 est créé entre les doigts d'électrode 112 et la couche d'électrode 108, dans la direction X2, nécessaire au couplage électromécanique ou piézoélectrique des modes acoustiques de volume, comme réalisé par exemple pour des dispositifs SAW de deuxième harmonique. La structure de transducteur 116 permet ainsi une excitation d’ondes acoustiques dans la direction de champ électrique, c'est-àdire dans la direction X2 de la figure 1b. L'excitation d’ondes acoustiques se fait majoritairement dans le volume de la couche piézoélectrique 104 (direction X2), et sous la forme d'ondes acoustiques stationnaires. La pluralité de résonateurs individuels correspondant à chacun des doigts d’électrode de l’électrode en peigne supérieure génère un effet de synchronisme qui produit l'onde guidée ayant lieu dans la couche piézoélectrique 104 à une fréquence donnée par l'épaisseur de couche piézoélectrique et la période d'électrode en peigne p ensemble.
La structure de transducteur 116 présente une perte d'énergie due à de l'énergie acoustique non guidée correspondant à des modes de volume excités par la structure de transducteur 116, qui s'échappent dans le substrat de base 106. Lors d’une utilisation dans un dispositif SAW, cet effet conduit à des performances médiocres du dispositif SAW.
La présence de la couche d'électrode 108 au-dessous de la couche piézoélectrique 104 réduit une partie de cette perte d'énergie dans le substrat de base 106, comme la mince couche d'électrode 108 agit comme un blindage conducteur entre la couche piézoélectrique 104 et le substrat de base 106 d’une manière telle que les lignes de champ électrique 120 de la couche piézoélectrique 104 sont confinées.
Les figures 2a à 2e illustrent un dispositif à ondes acoustiques de surface 200 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 est réalisé sur un substrat 202, comprenant une couche piézoélectrique 204 et un substrat de base 206.
Le substrat de base 206 utilisé dans le premier mode de réalisation de l'invention est un substrat de silicium, en particulier un substrat de silicium comprenant une couche dite riche en piège à l'interface avec la couche d'électrode 208. Au lieu de silicium, d'autres matériaux de substrat avec une vitesse de propagation d'onde acoustique élevée peuvent être choisis, comme le diamant, le saphir, le carbure de silicium ou même le nitrure d’aluminium.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 comprend également une couche d'électrode 208, formée sur le substrat de base 206 et au-dessous de la couche piézoélectrique 204. La couche d'électrode 208 est connectée à la masse. La couche d'électrode 208 peut également être connectée à un potentiel +V ou -V. La couche d'électrode 208 est formée de tout métal conducteur approprié, par exemple de l'aluminium, de l'alliage d'aluminium, du molybdène ou du tungstène.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 comprend également une électrode en peigne 210 telle que représentée sur la figure 2b, comportant une pluralité de moyens d'électrode 212. L'électrode en peigne 210 et ses moyens d'électrode respectifs 212 sont formés de tout métal conducteur approprié, par exemple de l’aluminium ou de l’alliage d'aluminium, du molybdène ou tungstène. Dans ce mode de réalisation, les moyens d’électrode 212 ont la forme de doigts d'électrode.
Les doigts d'électrode 212 de l'électrode en peigne 210 ont tous essentiellement les mêmes longueur /, largeur w et épaisseur h. Selon une variante du mode de réalisation, les doigts d'électrode 212 peuvent avoir des longueur /, largeur wet épaisseur h différentes.
Les doigts d'électrode 212 de l'électrode en peigne 210 sont tous connectés au même potentiel +V. Les doigts d'électrode 212 de l'électrode en peigne 210 peuvent également être connectés à -V, ou à la masse (non représenté).
Une structure de transducteur 214 est donc présente dans le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 comprenant l'électrode peigne 210 avec la pluralité de doigts d'électrode 212 sur la couche piézoélectrique 204 et la couche d'électrode inférieure 208 sous la couche piézoélectrique 204. En variante, l'électrode en peigne 210 avec la pluralité de doigts d'électrode 212 est enterrée dans la couche piézoélectrique 204.
La couche piézoélectrique 204, dans ce mode de réalisation, est du niobate de lithium (LiNbO3) ou du tantalate de lithium (LiTaO3), ou tout autre matériau approprié. L'épaisseur t de la couche piézoélectrique 204 formée sur le substrat de base 206 est de l'ordre de ou inférieure à la longueur d'onde λ de la structure de transducteur 214, en particulier de l'ordre de Λ/2, plus particulièrement de l'ordre de λ/4, ou moins. La longueur d'onde λ est la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface générée dans la couche piézoélectrique 204.
Dans une variante de l'invention, la couche piézoélectrique 204 peut également être un matériau polycristallin ou un matériau d'épitaxie, ainsi que de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure d'aluminium (AIN) ou du nitrure de scandium-aluminium (AIScN) ou du nitrure de gallium (GaN).
La structure de transducteur 214 est définie par son pas d'électrode p, correspondant à la distance bord à bord de doigts d'électrode entre deux doigts d'électrode voisins, par exemple 212_1 et 212_2, comme indiqué sur les figures 2a et 2b. Comme tous les doigts d'électrode 212 sont connectés au même potentiel +V, le pas p de la structure de transducteur 214 est donné par p = Λ, correspondant au double de la condition de Bragg, ou encore appelé mode de deuxième harmonique. Ces modes de deuxième harmonique sont excités à l'intérieur de la couche piézoélectrique 204 lorsque l'électrode 208 est connectée à la masse, et les doigts d'électrode 212 de l'électrode en peigne 210 à un potentiel uniforme +V.
En outre, la couche piézoélectrique 204 comprend des régions 216 qui sont situées à l'intérieur de la couche piézoélectrique 204 et entre des doigts d'électrode adjacents 212, par exemple entre les doigts d'électrode 212_1 et 212_2 lorsqu'ils sont vus latéralement, comme illustré sur la figure 2a et à partir du dessus, comme illustré sur la figure 2b.
Comme vu sur les figures 2a et 2b, les dimensions des régions 216 sont données par la distance a entre deux doigts d'électrode adjacents 212 en tant que largeur wr, l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 204 en tant que hauteur tr, et la longueur / des doigts d'électrode 212 en tant que longueur lr.
Selon l'invention, au moins l'une des régions 216 présente au moins un paramètre physique qui est différent par rapport au reste de la couche piézoélectrique 204, notamment par rapport aux zones 218 situées sous les doigts d'électrode 212. Le paramètre physique peut être l'élasticité, une concentration en dopant, l'épaisseur, etc.
Dans une variante, le paramètre physique dans les régions 216 étant différent par rapport au reste de la couche piézoélectrique 204 varie parmi les régions 216. Par exemple, une région 216 peut avoir une élasticité différente par rapport au reste de la couche piézoélectrique 204, tandis qu’une autre région 216 a une concentration en dopant différente par rapport au reste de la couche piézoélectrique 204.
Dans une variante, la longueur lr des régions 216 peut être plus courte ou plus grande que la longueur / des doigts d'électrode 212.
La figure 2c illustre la variante où la longueur lr des régions 216 est plus courte que la longueur / des doigts d'électrode 212.
En variante, la largeur wr des régions 216 peut être inférieure ou supérieure à la distance a entre deux doigts d'électrode adjacents 212.
La figure 2d illustre la variante où la largeur wr des régions 216 est inférieure à la distance a entre deux doigts d'électrode adjacents 212, par exemple entre 212_1 et 2122.
Dans une autre variante, les régions 216 n'ont pas les mêmes caractéristiques les unes par rapport aux autres.
Sur la figure 2e, la couche piézoélectrique 204 peut comprendre des premières régions 216_1 d'épaisseur tr1 identique ou presque identique à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 204, et des secondes régions 216_2 d'épaisseur inférieure à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 204. En variante ou en complément, la largeur wr et/ou la longueur lr et/ou tout autre paramètre physique des première et seconde régions 216_1 et 216_2 peut être différent. En outre, les première et seconde régions 216_1 et 216_2 peuvent former un motif périodique ou un motif non périodique.
Dans une autre variante, les régions 216 peuvent avoir une forme géométrique de type rectangle, comme représenté sur la figure 2a, ou triangle ou losange ou toute autre forme.
Les paramètres physiques de la couche piézoélectrique 204 peuvent être modifiés en utilisant une implantation de processus de diffusion d'espèces atomiques ou ioniques au sein de la couche piézoélectrique 204. Un procédé d'échange de protons peut également être utilisé, ou tout autre procédé permettant de modifier localement les paramètres physiques dans la au moins une région 216 de la couche piézoélectrique 204.
Le dispositif SAW 200 fonctionne de la manière suivante. La couche piézoélectrique 204 produit des vibrations en réponse à une tension appliquée entre les doigts d'électrode de transducteur 212 et la couche d'électrode inférieure 208. La plus grande partie de l'excitation des ondes acoustiques se produit dans le volume de la couche piézoélectrique 204 (dans la direction X2), et ici il est actuellement fait référence aux ondes acoustiques stationnaires. Le pas d'électrode p de la structure de transducteur 214 est défini par A, A étant la longueur d'onde de l'onde acoustique stationnaire. Cela signifie que la structure de transducteur 214 fonctionne dans un mode synchrone, dans la bande passante des doigts d'électrode 212, mais correspondant au deuxième harmonique de Bragg. La fréquence de résonance frde la structure de transducteur 214 est supérieure d'un facteur 2 par comparaison à la fréquence de résonance d'une structure de transducteur interdigitée.
Le couplage piézoélectrique entre la direction longitudinale de propagation Xi et la direction de propagation dans le volume X2, ainsi que la périodicité des doigts d'électrode de la structure de transducteur 214, permettent d'avoir une propagation d'ondes acoustiques guidées dans la couche piézoélectrique 204, à savoir des ondes acoustiques évanescentes dans la direction Xi. Le couplage piézoélectrique fait référence en fait à l'excitation de couplage de coefficient piézoélectrique dans une direction et au vibration dans la direction orthogonale à l'intérieur du plan dit sagittal, qui est le plan dans lequel la polarisation d'onde est définie. En faisant varier les paramètres physiques de la couche piézoélectrique 204 dans les régions 206, il est donc possible de faire varier et de contrôler le couplage entre Xi et X2 à l'intérieur de la structure de transducteur 214.
La figure 3 illustre un dispositif à ondes acoustiques de surface selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, dans une vue de côté (figure 3a) et une vue de dessus (figure 3b). Le dispositif à ondes acoustiques de surface 300 comprend une couche piézoélectrique modifiée 304 par rapport au dispositif à ondes acoustiques de surface 200 du premier mode de réalisation, ce qui est la seule différence par rapport au premier mode de réalisation. Toutes les autres caractéristiques sont les mêmes et ne seront donc pas décrites de nouveau en détail, mais il est fait référence à leur description ci-dessus.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 300 comprend une couche piézoélectrique 304, formée sur la couche d'électrode 208 et le substrat de base 206.
La couche piézoélectrique 304 est constituée des mêmes matériaux piézoélectriques que la couche piézoélectrique 204 du premier mode de réalisation. Elle a une épaisseur t de l'ordre de ou inférieure à la longueur d'onde 4 de la structure du transducteur, en particulier de l'ordre de λ/2, plus particulièrement de l'ordre de λ/4, ou moins.
La couche de matériau piézoélectrique 304 peut être fixée à la couche d'électrode 208 et au substrat de base 206 par un procédé de transfert de couche ou par liaison directe. Dans une variante, une fine couche de SiO2 (non représentée) peut être introduite entre la couche d'électrode 208 et le substrat de base 206 pour améliorer la fixation.
Comme le dispositif à ondes acoustiques de surface 200 selon le premier mode de réalisation, le dispositif à ondes acoustiques de surface 300 selon le deuxième mode de réalisation comprend une électrode en peigne 210, comme illustré sur la figure 3b, ayant une pluralité de doigts d'électrode 212, connectée à un potentiel, ici un potentiel positif.
Dans ce mode de réalisation, la couche piézoélectrique 304 comprend des régions 306 où l'épaisseur lr de la couche piézoélectrique 304 est plus petite par comparaison à l'épaisseur t du reste de la couche piézoélectrique 304, en particulier par rapport aux zones 308 sous les moyens d'électrode 212. Les régions 306, comme les régions 216 dans le premier mode de réalisation, sont positionnées entre chaque deux doigts d'électrode adjacents 212, par exemple entre les doigts d'électrode 212_1 et 212_2. Les régions 306 ont une largeur wr, une longueur /, et une épaisseur tr sur la figure 3b, et les dimensions des régions 306 sont données par la distance a entre deux doigts d'électrode adjacents 212 comme largeur wr et la longueur / des doigts d'électrode 212 comme longueur lr.
Comme il est possible de le voir sur la figure 3a, l'épaisseur tr des régions 306 est inférieure à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 304 dans les régions 308.
Comme dans le premier mode de réalisation, la longueur lr des régions 306 peut être inférieure ou supérieure à la longueur / des doigts d'électrode 212. En variante, la largeur wr des régions 306 peut être inférieure ou supérieure à la distance a entre les doigts d'électrode adjacents 212. Dans une autre variante, les dimensions des régions 306 peuvent varier entre elles. Par exemple, la couche piézoélectrique 304 peut comprendre des régions 306 ayant des épaisseurs différentes tr.
Dans une variante, les régions 306 peuvent avoir une forme géométrique du type d'un rectangle, comme représenté sur la figure 3, ou d’un triangle ou d’un losange, ou toute autre forme. L'épaisseur tr des régions 306 peut également varier dans sa largeur wr.
Dans la variante où tous les doigts d’électrode 212 ont des dimensions variables de largeur et de longueur, les régions 306 peuvent également avoir des dimensions qui varient respectivement avec les dimensions des doigts d'électrode 212.
Dans une variante du mode de réalisation, la couche piézoélectrique 304 encore présente dans les régions 306 peut également présenter un ou plusieurs de ses autres paramètres physiques modifiés, et donc être combinée avec les caractéristiques selon le premier mode de réalisation et ses variantes.
L'épaisseur tr de la couche piézoélectrique 304 dans la région 306 peut être réduite par rapport à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 304, en utilisant un procédé de gravure de la couche piézoélectrique 304, par exemple une gravure chimique sélective ou tout autre procédé apte à enlever du matériau de la couche piézoélectrique 204.
En raison de la présence de régions 306 à l’intérieur de la couche piézoélectrique 304, où une partie de la couche piézoélectrique 304 est retirée, il est possible de changer le couplage entre Xi et X2 à l'intérieur de la structure de transducteur 208.
En faisant varier l'épaisseur tr de la couche piézoélectrique 304 dans les régions 306, il est donc possible de faire varier et de contrôler le couplage entre Xi et X2 à l'intérieur de la structure de transducteur 314.
La figure 4 illustre un troisième mode de réalisation de l'invention, où la couche piézoélectrique 304 est ou reste présente uniquement sous les doigts d'électrode 212. Dans les régions entre des doigts d'électrode adjacents 212, par exemple 2121 et 212_2, la couche piézoélectrique 304 a été entièrement retirée.
Dans une autre variante, la couche piézoélectrique 304 a été entièrement enlevée entre au moins seulement certains des deux doigts d'électrode adjacents 212, et par conséquent, la couche piézoélectrique 304 peut toujours être présente entre d'autres doigts d'électrode adjacents 212.
Comme dans le deuxième mode de réalisation, un procédé de gravure de la couche piézoélectrique 404 est utilisé pour retirer la couche piézoélectrique 304 entre les doigts d'électrode 212, par exemple une gravure chimique sélective ou tout autre procédé permettant d'enlever la couche piézoélectrique 304. En outre, le substrat composite 402 du dispositif à ondes acoustiques de surface 400 est le même que le substrat composite 302 du deuxième mode de réalisation, comprenant une couche piézoélectrique 304, formée au-dessus de la couche d'électrode 208 et du substrat de base 206.
Selon d'autres variantes de l'invention, une combinaison des modes de réalisation 1, 2 et 3 peut être présente dans la couche piézoélectrique. Ainsi, la couche piézoélectrique dans le substrat composite 402 pour le dispositif à ondes acoustiques de surface peut comprendre des régions de paramètres physiques modifiés de la couche piézoélectrique et/ou des régions où l'épaisseur de la couche piézoélectrique est réduite et/ou des régions où la couche piézoélectrique est absente.
En enlevant la couche piézoélectrique 304 entre les doigts d'électrode 212, le couplage entre Xi et X2 à l'intérieur de la structure de transducteur 208 peut être changé et adapté.
La figure 5 montre un dispositif à ondes acoustiques de surface selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif à ondes acoustiques de surface 500 comprend un substrat composite différent 502 par comparaison au substrat composite 402 du dispositif à ondes acoustiques de surface 400 du troisième mode de réalisation, ce qui est la seule différence par rapport au troisième mode de réalisation. Toutes les autres caractéristiques sont les mêmes et ne seront donc pas décrites de nouveau en détail, mais il est fait référence à leur description ci-dessus.
Le dispositif à ondes acoustiques de surface 500 comprend un substrat composite 502 comprenant, comme le substrat composite 402 et/ou 302, une couche piézoélectrique 304 formée sur la couche d'électrode 208 et le substrat de base 206, mais comprenant en outre un miroir acoustique 504 formé au-dessus du substrat de base 206 et au-dessous de la couche piézoélectrique 304.
Le miroir acoustique 504 comprend une pluralité de couches empilées 506 à 509, les couches ayant un numéro de référence pair 506, 508 étant d'un premier matériau et les couches ayant un numéro de référence impair 507, 509 étant d'un second matériau. Les premier et second matériaux ont des impédances acoustiques différentes, de sorte que le miroir acoustique 504 comprend un empilement de couches à haute et basse impédance en alternance. Le miroir acoustique 504 est également appelé miroir de Bragg.
Le miroir de Bragg 504 a une répétition périodique d'une paire de couches d'une épaisseur d'environ un quart de longueur d'onde avec des impédances haute/basse en alternance, pour assurer la réflexion.
Les premier et second matériaux peuvent être choisis parmi le tungstène, molybdène, LiTaO3, AI2O3, AIN, LiNbO3, Si3N4 et toute combinaison de SiO2 et Si3N4 (connu sous le nom d'oxynitrure de silicium et SiOxNy, avec x et y donnant la quantité de chaque élément dans le composé) et ZnO, Aluminium ou SiO2.
En variante, le premier matériau et le second matériau peuvent être échangés de sorte que le premier matériau présente une impédance basse et le second matériau une impédance haute.
Dans un exemple pratique, un substrat de base de silicium 206 et un miroir acoustique 504 formé d'une alternance de couches de tungstène et d'aluminium peuvent être utilisés.
Dans ce mode de réalisation, le miroir acoustique 504 est représenté comme ayant quatre couches 506-509 formant l'empilement de couches alternées à haute et basse impédance. Mais dans une autre variante, le miroir acoustique 504 peut également présenter plus ou moins de quatre couches à impédance haute et basse alternées formant l'empilement.
Augmenter le nombre de paires dans un miroir de Bragg augmente la réflectivité du miroir et augmenter le rapport d'impédance entre les matériaux dans les paires de Bragg augmente à la fois la réflectivité et la largeur de bande. Un choix commun de matériaux pour l’empilement est par exemple le dioxyde de titane et la silice.
La figure 5b illustre en fait les caractéristiques d'un miroir de Bragg pour un exemple pratique de l'invention, montrant le module et la phase de l'effet de réflexion du miroir de Bragg.
Pour cet exemple particulier, le substrat composite du dispositif à ondes acoustiques de surface comprend une couche de nitrure d'aluminium orientée sur l'axe C d'une épaisseur de 1,5pm, et une électrode inférieure d'une épaisseur de 100nm. Le miroir de Bragg comprend une alternance de molybdène et de silice ou de quartz fondu, chacun d’une épaisseur de 500nm, déposés sur un substrat de saphir. Le substrat pourrait également être en silicium.
La fonction de réflexion obtenue par ce miroir est calculée en utilisant la fonction de Green de l’empilement entier. Seule l'onde longitudinale normale au substrat est considérée ici, car aucune onde de cisaillement 15 ne peut être excitée par la couche de nitrure d'aluminium. Il s'avère que l'utilisation de trois périodes et demie produit un effet de réflexion efficace, comme représenté sur la figure 5b. La réflexion est presque totale ( | R | ~ 1 ) de 2 à 4,3GHz. Une bande d'arrêt plus petite peut également être obtenue.
Les épaisseurs de l'empilement sont choisies de manière à promouvoir un mode unique dans la structure de transducteur 514 pour assurer la pureté spectrale des dispositifs SAW 500 sur la base de ce type de structure de transducteur 514.
Dans une variante du mode de réalisation, l'une des couches empilées 506-509 du miroir acoustique 504 forme la couche d'électrode 208. En particulier, la couche supérieure 506 du miroir acoustique 504 forme la couche d'électrode 208. Dans ce cas, la couche supérieure 506 du miroir acoustique 504 est de préférence constituée d'un métal ayant une haute impédance acoustique, comme le tungstène.
Comme dans le premier mode de réalisation, la couche piézoélectrique 304 produit des vibrations en réponse à une tension appliquée entre les doigts d'électrode de transducteur 212 et la couche d'électrode inférieure 208. L'excitation de l'onde acoustique intervient majoritairement dans la masse de la couche piézoélectrique 304, et ici il est fait référence à des ondes acoustiques stationnaires. De plus, la présence des ondes acoustiques de volume conduit également à des modes parasites qui sont des modes non guidés à l'intérieur de la couche piézoélectrique 304.
La combinaison d'une couche piézoélectrique 304 et d'un miroir acoustique 504 conduit à une nature multi-mode, lorsque des modes par défaut supplémentaires sont ajoutés. Une simple couche piézoélectrique 304 peut guider plusieurs modes, appelés par exemple les ondes de Lamb ou les modes de plaque de cisaillement. Tous ces modes peuvent être couplés par la structure de transducteur 514 à condition que les conditions de guidage soient satisfaites. Selon l'invention, la couche piézoélectrique 304 et le miroir acoustique 504 sont agencés pour réduire les contributions de ces modes supplémentaires pour favoriser un mode unique au sein de la structure de transducteur
514 afin d’assurer la pureté spectrale des dispositifs SAW 500, les autres modes étant localisés à une fréquence beaucoup plus élevée que le mode utile, en empêchant une pollution spectrale.
En effet, pour une structure métal-métal piézoélectrique BAW donnée, selon l'orientation cristalline de la couche piézoélectrique, non seulement des ondes de compression pures, mais aussi des ondes de cisaillement ou de quasi-cisaillement peuvent être générées, qui peuvent également être réfléchies par le miroir dans la région de transducteur, en générant ainsi des parasites. Le but d'une conception de miroir adaptée serait alors de choisir les parties de miroir pour favoriser une réflexion des ondes de compression et laisser passer d'autres modes à travers le substrat. Placer une couche absorbante appropriée (à base de polymère organique) sous le substrat permettra d'absorber ces ondes, et donc de réduire considérablement leur contribution à la réponse de résonateur.
Selon l'invention, la couche piézoélectrique 304 et le miroir acoustique 504 sont agencés pour réduire les contributions des modes supplémentaires pour favoriser un mode unique au sein de la structure du transducteur afin d’assurer la pureté spectrale des dispositifs SAW 500. Pour ce faire, l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 304 est choisie de sorte que les modes excités vibrent dans la bande de fréquence souhaitée et sont guidés à l'intérieur de la couche piézoélectrique 304, sans possibilité de s'échapper dans le substrat de base 206, du fait de la présence du miroir 504.
L'autre approche consiste à optimiser les épaisseurs de l'empilement du miroir acoustique 504 pour favoriser le mode unique à l'intérieur de la structure de transducteur, et à réaliser un coefficient de réflexion efficace pour ce mode. Le miroir acoustique 504 isole ainsi acoustiquement des vibrations générées entre les doigts d'électrode 212 et la couche d'électrode 208 par rapport au substrat de base 206.
Selon une variante de l'invention, la couche piézoélectrique 304 peut également être réalisée selon toute réalisation et/ou variantes décrites ci-dessus par rapport aux premier à troisième mode de réalisation.
La figure 6a montre l'admittance harmonique calculée d'un dispositif acoustique de volume pour l'exemple particulier du miroir de Bragg de la figure 5b, calculée en utilisant la structure de maillage représentée sur la figure 6b.
Pour cet exemple particulier, un résonateur à ondes acoustiques de volume 1-D comprend une électrode supérieure de 100nm, une couche d’AIN de 1,5pm et une électrode inférieure de 100nm. Le miroir de Bragg comprend une alternance de couches de molybdène et de silice ou de quartz fondu, chacune d'une épaisseur de 500nm.
La figure 6b montre le maillage utilisé pour simuler la résonance de volume. L'électrode supérieure est référencée 1 et l'électrode inférieure 2, tandis que les conditions limites périodiques sont référencées 3 et 4. Le miroir de Bragg est la référence 5 au niveau du bord inférieur de l'électrode inférieure. Les axes X, Y et Z de l'orientation cristalline de la couche piézoélectrique, compris entre les références 1 et 2, sont également représentés. Les dimensions des mailles sont de 1,7pm de hauteur et de 2,5pm de largeur.
L'admittance harmonique a été calculée en considérant le maillage pour deux conditions limites différentes. Le premier consiste à considérer l'air de chaque côté du maillage, donnant une réflexion complète sur les bords de résonateur. La seconde consiste à appliquer une méthode d'intégrale de limites pour simuler l'effet du miroir de Bragg sur l'envers de l'électrode inférieure. Dans les deux cas, aucune perte mécanique ou diélectrique n'a été considérée et la seule source de fuite était le rayonnement acoustique dans le volume dans le cas de la configuration du miroir de Bragg.
Comme il est possible de voir sur la figure 6b, la présence du miroir de Bragg augmente les fréquences, mais réduit le couplage électromécanique.
Pour le dispositif à support d'air, un couplage piézoélectrique de 5,8% a été trouvé, tandis que le calcul a été seulement de 4,7% pour le cas du miroir de Bragg.
La figure 7a montre le maillage utilisé pour simuler la structure de base constituée d'un réseau d'électrodes déposé sur un substrat composite. Le même numéro de référence pour le maillage est utilisé que celui pour le maillage de la figure 6b. Les dimensions des mailles sont à nouveau de 1,7pm de hauteur et de 2,5pm de largeur.
Pour cet exemple particulier, le substrat composite du dispositif à ondes acoustiques de surface comprend une couche de nitrure d'aluminium orientée sur l'axe C d'une épaisseur de 1,5pm, et une électrode inférieure d'une épaisseur de 100nm. Le miroir de Bragg 5 comprend une alternance de couches de molybdène et de silice ou de quartz fondu, chacune d'une épaisseur de 500nm, déposées sur un substrat de saphir. Le substrat pourrait également être en silicium. L'épaisseur de l'électrode supérieure est de 100nm.
Le maillage représenté sur la figure 7a représente une vue latérale du substrat composite pour le dispositif acoustique de surface avec un seul doigt d'électrode supérieur 1 représenté, une partie de la couche piézoélectrique de chaque côté du doigt d'électrode étant représentée. Il en résulte que la couche piézoélectrique est représentée s'étendant des deux côtés du doigt d'électrode 1. L'excitation se situe encore entre les électrodes supérieure (doigt d’électrode) et inférieure et entre un mode guidé en « surface » et le mode acoustique global (BAW) à des conditions de deuxième harmonique.
L'admittance harmonique du dispositif représenté sur la figure 7b montre une signature à multiples modes, avec des modes proches de 2,7GHz et proches de 2,87GHz. Les deux modes principaux sont très proches l’un de l’autre, mais en opposition de phase.
La forme des modes proche de 2,7GHz et proche de 2,87GHz est représentée sur les figures 7c et 7d, respectivement. Ils sont comparables au mode polarisé de manière elliptique également connu sous le nom d'ondes de Rayleigh se propageant sur des substrats homogènes de cristaux de demi-espace. Selon les conditions limites, la forme du mode correspond à un régime d'ondes stationnaires.
Les figures 8a à 8c montrent la forme de déformation de mode dans la structure de maillage, tandis que la figure 8d montre l'admittance harmonique de l'excitation de mode fonctionnant dans le mode de deuxième harmonique d'onde de surface lorsqu'une partie de la couche piézoélectrique est enlevée entre les doigts d'électrode pour le cas particulier de la figure 7, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Encore une fois, un seul doigt d'électrode est représenté.
Comme il est possible de le voir dans le maillage des figures 8a-8c, par comparaison au maillage de la figure 7, une gravure partielle de la couche piézoélectrique entre les doigts d'électrode a été réalisée pour que l'épaisseur de la couche piézoélectrique entre les doigts d'électrode soit inférieure à l'épaisseur de la couche piézoélectrique, étant ici de 1,7pm. La gravure partielle de la couche piézoélectrique entre les doigts d'électrode donne une forme de gradin dans la couche piézoélectrique des figures 8a à 8c, montrant seulement une vue latérale d'un doigt d'électrode, avec de chaque côté du doigt d’électrode, une partie des régions où la gravure partielle de la couche piézoélectrique est réalisée. De nouveau, les dimensions du maillage sont les mêmes que pour le maillage de la figure 7, à savoir 1,7pm de hauteur et 2,5pm de largeur.
Comme il est possible de voir sur la figure 8d, une profondeur de gravure intermédiaire du matériau piézoélectrique entre les doigts d'électrode donne une augmentation du nombre de modes, avec trois modes présents, proche de 2,2GHz, proche de 2,48GHz et proche de 2,62GHz. De plus, aucun des trois modes n'atteint des valeurs de coefficient de couplage électromécanique k2 supérieures à celle du dispositif BAW. Les figures 8a à 8c montrent respectivement la forme de ces trois modes.
La figure 9 montre la variation d'excitation de mode lors d’une variation de la profondeur de gravure de la couche piézoélectrique, entre les doigts d'électrode, pour l'exemple particulier du substrat composite décrit sur la figure 7, selon les deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention. Les dimensions des mailles de la figure 9 sont les mêmes que pour la figure 7.
La profondeur de gravure du piézoélectrique est modifiée, comme il est possible de le voir en commençant d’après la figure 8, montrant une faible profondeur de gravure, donc un AIN plus épais présent entre les doigts d'électrode, en augmentant la profondeur de gravure d’après la figure 9a avec un AIN plus mince entre les électrodes par rapport à la figure 8, jusqu'à atteindre une gravure complète de l'AIN entre les électrodes, comme représenté sur la figure 9c.
Il est possible de voir que lorsque la profondeur de gravure se rapproche de l'épaisseur totale de la couche du matériau piézoélectrique, la distribution de mode est améliorée par rapport au cas représenté sur la figure 8d. En effet, une réduction du nombre de modes à un mode principal proche de 2,4GHz, avec quelques parasites, est obtenue, comme il est possible de le voir sur les figures 9b et 9d.
En outre, le coefficient de couplage électromécanique ks 2 varie avec la profondeur de gravure du matériau piézoélectrique entre les doigts d'électrode. En effet, le coefficient de couplage électromécanique k2 du mode principal proche de 2,4GHz est nettement augmenté, comme il est possible de le voir sur les figures 9b et 9d, par comparaison au coefficient de couplage électromécanique k2 du même mode proche de 2,4GHz sur la figure 8d.
La figure 10 montre un schéma des étapes du procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents 1,2 ou 3 de l'invention.
Le procédé comprend une étape a) de fourniture d'une couche d'électrode 608 audessus d'un substrat de base 606. Le substrat de base 606 est un substrat de silicium ou de tout autre matériau de substrat ayant une vitesse de propagation d'onde acoustique élevée comme le diamant, le saphir, le carbure de silicium ou même le nitrure d'aluminium. La couche d’électrode 608 peut être faite de n'importe quel métal conducteur approprié, par exemple de l'aluminium, ou de l'alliage d'aluminium ou du tungstène.
L'étape b) suivante comprend la formation d'une couche piézoélectrique 610 sur la couche d'électrode 608, d'une épaisseur t. La couche piézoélectrique 610, à titre d'exemple, peut être soit du niobate de lithium (LiNbO3), soit du tantalate de lithium (LiTaO3). L'épaisseur f de la couche piézoélectrique 610 formée sur la couche d'électrode 608 peut être de l'ordre de la longueur d'onde, notamment inférieure à la longueur d'onde.
La couche piézoélectrique 610 peut également être un matériau polycristallin ou un matériau d'épitaxie, ainsi que de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du nitrure d'aluminium (AIN) ou du nitrure de scandium-aluminium (AIScN) ou du nitrure de gallium (GaN), et toute composition de ces matériaux de nitrure.
En variante, une mince couche de SiO2 (non représentée) peut être prévue sur la 15 couche d'électrode 608 avant la formation de la couche piézoélectrique 610. Une couche d'une colle moléculaire peut également être déposée sur le substrat de base 606 avant la formation de la couche d'électrode 608 et/ou sur la couche d'électrode 608 avant la formation de la couche piézoélectrique 610 pour améliorer la fixation.
En outre, d'autres étapes de traitement peuvent être ajoutées, telles que le 20 polissage d'au moins l'un du substrat de base 606 et des autres couches.
Selon l'étape c), une couche d'électrode en peigne supérieure 612 est formée sur la couche piézoélectrique 610, en utilisant une combinaison d'étapes de dépôt de couche et de réalisation de motif. L'électrode en peigne supérieure 612 comprend une pluralité de moyens d'électrode 614. L'électrode en peigne supérieure 612 et ses moyens d'électrode 25 respectifs 614 sont formés de tout métal conducteur approprié, par exemple aluminium, alliage d'aluminium, molybdène ou tungstène.
Le procédé comprend en outre une étape d) de modification de la couche piézoélectrique 610. Cette étape pourrait être réalisée après l'étape c), comme illustré, mais également avant.
Selon une première variante 1) de l'invention, l'étape d) de modification de la couche piézoélectrique 610 consiste à modifier au moins l'un des paramètres physiques de la couche piézoélectrique 610 dans certaines régions 616 de la couche piézoélectrique 610.
Cette étape comprend une implantation ou diffusion d'espèces atomiques 618, en particulier Ti, afin de modifier la concentration des espèces atomiques dans la couche piézoélectrique 610 dans les régions 616 de la couche piézoélectrique 610 situées entre les moyens d’électrode 614.
Selon une variante, l'étape d) de modification de la couche piézoélectrique 610 peut également comprendre un processus d'échange de protons 622 pour modifier le paramètre physique étant l'indice de réfraction de la couche piézoélectrique 610 dans la région 616 de la couche piézoélectrique 610 située en entre les doigts d'électrode 614.
Un échange de protons dans du niobate de lithium implique un remplacement des ions lithium (Li+) par des ions hydrogène ou des protons (H+). Le remplacement provoque un changement d'indice de réfraction, en formant ainsi un guide d'onde. L'échange de protons est l'un des procédés utilisés pour former des guides d'ondes optiques dans le niobate de lithium, LiNbO3, ainsi que dans le tantalate de lithium, LiTaO3.
Le processus d'échange de protons comprend un échange de protons de base à partir d'une source de protons organiques et un post-traitement de recuit, qui implique uniquement le chauffage de l'échantillon pour redistribuer les ions lithium et hydrogène.
En modifiant les paramètres physiques de la couche piézoélectrique 610 dans les régions 616, il peut également arriver que l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 610 dans les régions 616 puisse être légèrement réduite en raison du processus utilisé.
Selon une seconde variante 2) du procédé, l'étape d) de modification de la couche piézoélectrique 610 comprend une étape de réduction de l'épaisseur tr de la couche piézoélectrique 610 dans des régions 616 entre les moyens d’électrode 614. Ainsi, l'épaisseur tr de la couche piézoélectrique dans les régions 616 est plus petite que l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 610 dans les régions 624 situées en dessous des moyens d'électrode 614, en direction du substrat de base 606.
Cette étape comprend une étape de gravure 626, pour retirer une partie de la couche piézoélectrique 610 dans la région 616 de la couche piézoélectrique 610 située entre les moyens d’électrode 614, ou tout autre processus permettant de réduire l'épaisseur t de la couche piézoélectrique 610 entre les moyens d'électrode 614. Les doigts d'électrode 614 peuvent servir de masque.
Selon une troisième variante 3) du procédé, l'étape d) de modification de la couche piézoélectrique 610 comprend une étape d'élimination complète de la couche piézoélectrique 610 dans les régions 616 de la couche piézoélectrique 610, de sorte qu'aucune couche piézoélectrique 610 n'est présente sur le dessus de la couche d'électrode 608. Comme dans la variante précédente, une étape de gravure 626 est utilisée, par exemple une étape de gravure chimique sélective, dans des conditions de gravure assistée par plasma dites humide ou sèche, ou tout procédé permettant d'éliminer la couche piézoélectrique 610.
La figure 11 montre un schéma des étapes du procédé de fabrication d'une structure de transducteur pour dispositif acoustique de surface du mode de réalisation 4 et ses variantes, selon l'invention.
Le procédé est basé sur celui illustré sur la figure 10, mais, de plus, comprend une étape de fourniture d'un miroir de Bragg sur ou au-dessus du substrat de base 606, avant l'étape de formation de la couche piézoélectrique 610. Ainsi, les étapes illustrées sur les figures 11c à 11e correspondent aux étapes illustrées sur les figures 10b à 10d.
Sur la figure 11a, un miroir de Bragg 704 est prévu sur un substrat de base 606. Le miroir de Bragg 704 est réalisé par le dépôt d'un empilement de quatre couches 706 à 709 d'impédance alternée.
Dans une autre variante, le miroir acoustique 704 peut également présenter plus ou moins de quatre couches d'impédance haute et basse alternées formant l'empilement. Les matériaux pour les couches 706 à 709 peuvent être du tungstène, du molybdène, du LiTaO3, de ΓΑΙ2Ο3, de ΙΆΙΝ, du LiNbO3, du Si3N4, une combinaison quelconque de SiO2 et S13N4 (connue sous le nom d'oxynitrure de silicium et notée SiOxNy avec x et y commandant la quantité de chaque élément dans le composé), et ZnO, Aluminium ou SiO2.
Dans une variante du mode de réalisation, au moins l'une des couches empilées 706 à 709 peut également comprendre un matériau polymère.
Le procédé comprend en outre une étape b) de fourniture d'une couche d'électrode 608 sur le miroir acoustique 704, par exemple par dépôt de couche ou transfert de couche. La couche d'électrode 608 peut également être la dernière couche du miroir de Bragg 704.
Dans une variante du mode de réalisation, l'étape a) de fabrication du miroir de Bragg 704 comprend également l'étape de formation de la couche d'électrode 608, de sorte que la couche d'électrode 608 fait partie du miroir de Bragg 704. En particulier, la couche d'électrode 608 est la couche supérieure 706 du miroir de Bragg 704. En variante, la couche d'électrode 608 peut être une autre couche du miroir de Bragg 704 à l'écart de la couche supérieure 706, à condition d'être accessible pour une connexion électrique.
Dans une variante du mode de réalisation, au moins l'une des étapes du procédé décrit ci-dessus est un procédé de transfert de couche. Par exemple, l'étape de traitement de transfert de couche comprend le transfert d'un premier substrat comprenant ladite couche piézoélectrique à un second substrat. L'étape du processus de transfert de couche comprend une étape de collage direct ou une étape de collage via une couche diélectrique, éventuellement réalisée en SiO2, déposée sur le premier et/ou le second substrat(s). L'étape de transfert de couche peut également comprendre une étape d'implantation pour délimiter une zone de décollement au sein de la couche piézoélectrique, de sorte que l'épaisseur de la couche piézoélectrique transférée sur le second substrat peut être réduite par rapport à l'épaisseur du piézoélectrique sur le premier substrat.
Selon une variante, le second substrat comprend une couche d’électrode, de sorte que l'étape de transfert de couche comprend une étape de collage de ladite couche piézoélectrique sur la couche d'électrode par collage direct ou par collage direct via une couche diélectrique, qui sera éventuellement réalisée en SiO2, déposée sur le premier et/ou le second substrat(s).
Par conséquent, les dispositifs finaux 716, 718 et 720 obtenus à l’aide du procédé décrit précédemment correspondent réellement aux dispositifs finaux 620, 628 et 630 de la figure 10, la seule différence étant qu'un miroir de Bragg 704 est prévu sur ou audessus du substrat de base 606 et en dessous de la couche d'électrode 608.
Un certain nombre de modes de réalisation de l'invention ont été décrits. Néanmoins, il est entendu que diverses modifications et améliorations peuvent être apportées sans s'écarter des revendications suivantes.
Claims (18)
- REVENDICATIONS1. Dispositif à ondes acoustiques de surface comprenant :un substrat de base (206, 606) ;une couche piézoélectrique (204, 304, 610) ; et une couche d'électrode (208, 608) entre la couche piézoélectrique (204, 304, 610) et le substrat de base (206, 606) ;une électrode en peigne (210, 612) formée sur la couche piézoélectrique (204, 304, 610) comprenant une pluralité de moyens d’électrode (212, 614) avec un pas p, défini par p = λ, avec λ étant la longueur d'onde de l’onde acoustique stationnaire générée en appliquant des potentiels opposés à ladite couche d'électrode (208, 608) et à une électrode en peigne (210, 612), caractérisé en ce que ladite couche piézoélectrique (204, 304, 610) comprend au moins une région (216, 616) située entre les moyens d'électrode (212, 614) dans laquelle au moins un paramètre physique est différent par rapport à la région (218, 624) sous les moyens d'électrode (212, 614).
- 2. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 1, dans lequel le au moins un paramètre physique de la couche piézoélectrique (204, 304, 610) étant différent dans la au moins une région (216, 616) est l'élasticité de la couche piézoélectrique (204, 304, 610).
- 3. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le au moins un paramètre physique de la couche piézoélectrique (204, 304, 610) étant différent dans la au moins une région (216, 616) est une concentration en dopant, en particulier la concentration en dopant de Ti dans la couche piézoélectrique (204, 304, 610).
- 4. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur tr dans la au moins une région (216, 616) de la couche piézoélectrique (204, 304, 610) est inférieure à l'épaisseur t de la couche piézoélectrique (204, 304, 610).
- 5. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 4, dans lequel la couche piézoélectrique (204, 304, 610) est présente uniquement sous les moyens d'électrode (212, 614) en direction du substrat de base (206, 606).
- 6. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un miroir de Bragg (504, 704) sous la couche piézoélectrique (204, 304, 610).
- 7. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 6, dans lequel ladite couche d'électrode (214, 608) entre ladite couche piézoélectrique (204, 304, 610) et ledit substrat de base (206, 606) est une partie du miroir de Bragg (504, 704), en particulier la couche supérieure (506, 706) du miroir de Bragg (504, 704).
- 8. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon les revendications 6 ou 7, dans lequel le miroir de Bragg (504, 704) comprend une pluralité de couches (506, 507, 508, 509, 706, 707, 708, 709) d'impédance alternée.
- 9. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur t de la couche piézoélectrique (204, 304, 610) est définie par l'optimisation du couplage entre l'onde acoustique de volume et l'onde acoustique stationnaire générée entre l'électrode en peigne (210, 612) et la couche d'électrode (214, 608) et est de l'ordre ou inférieure à la longueur d'onde λ de l'onde acoustique stationnaire, en particulier de l'ordre de λ!2, plus particulièrement de l'ordre de Â!4, ou moins.
- 10. Dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la dimension de l'électrode en peigne (210, 612) est définie par I optimisation du couplage entre l'onde acoustique de volume et l'onde acoustique stationnaire générée par l’électrode en peigne (210, 612).
- 11. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface, comprenant les étapes consistant à :a) fournir une couche d'électrode sur le dessus du substrat de base ;b) fournir une couche piézoélectrique sur la couche d'électrode ;c) former une couche supérieure d'électrode en peigne sur la couche piézoélectrique ; dans lequel à l'étape b) la couche piézoélectrique est prévue de sorte que la couche piézoélectrique comporte au moins une région située entre les moyens d'électrode, où au moins un paramètre physique est différent par rapport à la région située sous les moyens d'électrode.
- 12. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape b) comprend une étape de gravure, pour éliminer tout ou partie de la couche piézoélectrique dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d’électrode.
- 13. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 11 ou 12, dans lequel l'étape b) comprend une implantation ou diffusion d'espèces atomiques, en particulier Ti, dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d’électrode.
- 14. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel l'étape b) comprend un échange de protons dans la région de la couche piézoélectrique située entre les moyens d’électrode.
- 15. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, comprenant en outre une étape d) de fourniture d'un miroir de Bragg sur ou au-dessus du substrat de base avant l'étape de 5 fourniture de la couche piézoélectrique.
- 16. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon la revendication 15, dans lequel le miroir de Bragg est prévu de sorte que la couche d'électrode soit une partie du miroir de Bragg.
- 17. Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel au moins l'une des étapes a) àd) est un processus de transfert de couche.15
- 18. Dispositif de filtre de fréquence comprenant un dispositif à ondes acoustiques de surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 précédentes.
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