FR3136325A1 - Dispositif a ondes elastiques de surface - Google Patents

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Thierry Laroche
Florent Bernard
Emilie Courjon
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Abstract

L’invention concerne un dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite (2) qui comprend une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique(7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S); - au moins un transducteur électroacoustique formé sur dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat composite comprend une couche additionnelle (6) intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (7), la couche additionnelle (6) étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique. Figure 1

Description

DISPOSITIF A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs à ondes élastiques de surface. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface formé sur un substrat composite qui comprend une couche de matériau piézoélectrique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface et pour lequel les modes parasites sont atténués.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Initialement fabriqués sur des substrats massifs de matériau piézoélectrique monocristallin (ci-après « substrat massif »), les filtres à ondes élastiques de surface (« SAW filter » ou « Surface Acoustic Wave filter », selon la terminologie Anglo-Saxone) mettent désormais en œuvre des substrats piézoélectriques sur isolant (ci-après nommés « POI » pour Piezoelectric-On-Insulator). Ces derniers comprennent notamment, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support. La couche de piégeage, généralement en silicium polycristallin permet de limiter les pertes radiofréquence dans le substrat support. La couche de piégeage comprend avantageusement un matériau semi-conducteur qui présente une résistivité électrique supérieure à 1kΩ.cm, avantageusement comprise entre 2kΩ.cm et 5kΩ.cm.
Ces substrats POI, contrairement aux substrats massifs, permettent de répondre à certaines exigences en termes de sensibilité à la température des modes guidés dans la couche de matériau piézoélectrique.
Notamment, le substrat support joue le rôle de raidisseur et permet de limiter la dilatation thermique et d’influer sur le comportement thermoélastique de la couche de matériau piézoélectrique.
Ainsi, de manière générale, un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI présente un coefficient de température de la fréquence (« TCF » ou « Temperature coefficient of Frequency » selon la terminologie Anglo-Saxonne) relativement faible, et notamment inférieur à 10 ppm.K-1, dans une gamme de fréquences qui s’étend de 1,4 GHz à 2,4 GHz.
La fabrication des substrats POI peut mettre en œuvre un procédé dit « SmartCut™ » bien connu du domaine de la micro-électronique, notamment pour la fabrication des substrats de silicium sur isolant.
A cet égard, le document [1] cité à la fin de la description propose de transférer une couche de matériau piézoélectrique, et plus particulièrement de LiNbO3(ci-après « LNO »), sur un substrat de silicium selon le procédé SmartCut™.
Le document [2] cité à la fin de la description divulgue également la mise en œuvre d’un substrat POI pour la fabrication d’un filtre à ondes élastiques de surface. Le filtre à ondes élastiques de surface décrit dans ce document comprend une couche miroir formée d’une alternance de couches à impédances acoustiques faible et élevée.
Toutefois, la mise en œuvre d’une couche de piégeage n’est pas sans conséquences sur le comportement spectral d’un filtre à ondes élastiques de surface formé sur un tel substrat. En effet des mode parasites sont susceptible d’être observés lors du fonctionnement du filtre considéré.
Un but de la présente invention est donc de proposer un filtre à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI qui permet de limiter l’apparition des modes parasites.
BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface qui comprend :
- un substrat composite qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support, la couche de piégeage comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ;
- au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique ;
le dispositif à ondes élastiques de surface étant remarquable en ce que le substrat composite comprend en outre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique et la couche de matériau diélectrique, la couche additionnelle étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique.
A titre d'exemple, la densité de défauts prédéterminée pourra être comprise entre 1019et 1021cm-3 (par exemple, dans le cas d'une couche de piégeage en silicium polycristallin).
De manière avantageuse, la couche de piégeage comprend un matériau poreux ou polycristallin.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle est associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui associé à la couche de matériau diélectrique.
De manière avantageuse, la couche additionnelle est associée à un coefficient de température de la fréquence négatif.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle de matériau diélectrique comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al2O3, AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO3, SiC.
L’invention concerne également un autre dispositif à ondes élastiques de surface qui comprend :
- un substrat composite qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support, la couche de piégeage comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ;
- au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique ;
le dispositif à ondes élastiques de surface étant remarquable en ce que le substrat support comprend un substrat de silicium présentant une orientation du type 110.
A titre d'exemple, la densité de défauts prédéterminée pourra être comprise entre 1019et 1021cm-3 (par exemple, dans le cas d'une couche de piégeage en silicium polycristallin).
De manière avantageuse, la couche de piégeage comprend un matériau poreux ou polycristallin.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de piégeage comprend du silicium poly cristallin et présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm, avantageusement supérieure à 1000 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique comprend du dioxyde de silicium.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique comprend l’un ou l’autre du LiTaO3et du LiNbO3.
Selon un mode de mise en œuvre, le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 60°, avantageusement compris entre 15° et 50°.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
La est une représentation schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention ;
la représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un premier résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 750 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ;
La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du premier résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ;
La représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un deuxième résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 940 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ;
La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du deuxième résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ;
La représente de manière graphique la conductance G (axe vertical de gauche, en S/m) et la susceptance B (axe vertical de droite, en S/m) d’un résonateur à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI standard et d’un substrat POI selon la présente invention, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), focalisé sur le mode parasite dont on souhaite s’affranchir selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans les différents modes de mise en œuvre exposés de l’invention et dans l’état de la technique.
La présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI. Selon la présente invention, le dispositif à ondes élastiques de surface peut être au choix : un filtre, un résonateur, un capteur. Il est toutefois entendu que la présente invention n’est pas limitée à ces aspects, et l’homme du métier pourra en adapter les principes à tout type de dispositif à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI.
Notamment, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface réalisé sur un substrat POI. Notamment, le substrat POI comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support.
Lors de la mise en œuvre d’un dispositif à ondes élastiques de surface connu de l’état de la technique, une onde élastique de volume se propage dans la couche de matériau piézoélectrique si sa vitesse de phase est inférieure à la vitesse qu’aurait la même onde dans le substrat support. Par conséquent, il existe donc une vitesse, dite vitesse seuil (« SSBW » ou « Surface Skimming Bulk Wave » selon la terminologie Anglo-Saxonne) au-delà de laquelle l’onde considérée est susceptible de rayonner en direction du substrat support. Ledit rayonnement s’effectue notamment suivant un angle, dit de rayonnement, dépendant de sa vitesse de phase. Dépendamment de la valeur de l’angle de rayonnement et la nature des couches sous-jacentes à la couche piézoélectrique, l’énergie rayonnée excite un mode de propagation qui rentre en cohérence avec la distribution de charges sous les électrodes du transducteur piézoélectrique. Un signal parasite est alors susceptible d’être détecté, notamment lorsque la vitesse de phase dans la couche de piègeage diffère de celle dans le substrat support, la différence étant en valeur absolue strictement supérieure à 0% et inférieure ou égale à 10% par rapport à la vitesse de phase dans le substrat support. Un tel cas figure survient lorsque le substrat POI comprend une couche de piégeage faite du silicium polycristallin ou amorphe intercalée entre la couche de matériau diélectrique et un substrat support en silicium. A contrario, la couche de matériau diélectrique, lorsqu’elle est en SiO2, n’est pas de nature à générer un tel signal parasite en présence d’un substrat support en silicium car la vitesse de phase de l’onde élastique de volume dans cette couche est très inférieure à celle observée dans un substrat support fait de silicium.
Les couches au-dessus de la couche de matériau diélectrique n’ont aucune incidence sur la génération de modes parasites suivant ce mécanisme. Cependant, la nature du substrat peut avoir une incidence. Notamment, l’amplitude du mode parasite est d’autant plus importante que la vitesse seuil est élevée.
Ce problème est présent pour des fréquences f inférieures à 1 GHz mais peut également survenir au-delà de cette limite.
Afin de pallier ce problème, il pourrait être considéré de de mettre en œuvre une couche de piégeage plus fine. Une telle solution aurait, sans autre considération, pour effet de changer la vitesse de phase équivalente du mode parasite de sorte que la condition de cohérence rappelée ci-avant ne soit plus remplie. Toutefois, la considération d’une couche de piégeage plus fine aurait pour effet d’augmenter les pertes radiofréquence dans le substrat support.
Selon un premier aspect de la présente invention, le substrat POI peut comprendre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique et la couche de matériau diélectrique. La couche additionnelle est choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique.
Selon un autre aspect, complémentaire ou alternatif, le substrat support comprend un substrat de silicium présentant une orientation du type 110.
Par ailleurs, le dispositif à ondes élastiques de surface comprend au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique. Par exemple, et sans toutefois limiter la portée de la présente invention, le dispositif à ondes élastiques de surface comprend au moins un transducteur électroacoustique d’entrée et au moins un transducteur électroacoustique de sortie formés sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique. L’au moins un transducteur électroacoustique selon la présente invention peut être équipé de miroirs de Bragg à électrodes. Lesdites électrodes peuvent être arrangées périodiquement, et notamment présenter une période de répétition proche de celle d’électrodes de l’au moins un transducteur, localisés de part et d’autre du transducteur. La structure peut inclure au moins un intervalle de surface libre en son sein. Le résonateur ainsi formé est utilisé comme élément d’impédance d’un filtre combinant une ou plusieurs cellules identiques incorporant au moins un résonateur tel que décrit plus haut.
Il est entendu que l’orientation d’un substrat ou d’une couche doit être associée à son orientation cristalline, telle que définie par la norme IEEE 1949 Std-176.
Il est par ailleurs entendu qu’une déviation angulaire par rapport à une orientation cristalline peut être admise. Notamment, quelle que soit l’orientation cristalline considérée, il sera généralement admis que cette dernière est spécifiée à 10° près, avantageusement à 5° près, autour de ladite orientation.
La est une illustration schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface 1 selon un premier aspect de la présente invention (notamment, sur cette , le dispositif est un résonateur).
Notamment, le dispositif à ondes élastiques de surface 1 comprend un substrat POI 2.
Le substrat POI 2 comprend, à cet égard, d’une face avant 3 vers une face arrière 4, une couche de matériau piézoélectrique 5, une couche de matériau diélectrique 7, une couche de piégeage 8 et un substrat support S.
La couche de piégeage est adaptée pour limiter le libre parcours moyen de porteurs électriques à l’interface formée entre la couche de matériau diélectrique 7 et ladite couche de piégeage 8 au regard du libre parcours moyen de porteurs électriques à une interface formée entre la couche de matériau diélectrique 7 et le substrat support S.
Notamment, la couche de piégeage 8 comprend une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C.
A titre d'exemple, la densité de défauts prédéterminée pourra être comprise entre 1019et 1021cm-3 (par exemple, dans le cas d'une couche de piégeage en silicium polycristallin).
De manière avantageuse, la couche de piégeage comprend un matériau poreux ou polycristallin.
La couche de piégeage 8 peut notamment comprendre du silicium poly cristallin ou du silicium amorphe, et présenter une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm, avantageusement supérieure à 1000 nm.
La couche de matériau diélectrique 7 présente, par exemple, une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm.
Toujours à titre d’exemple, la couche de matériau diélectrique 7 comprend du dioxyde de silicium.
La couche de matériau piézoélectrique 5 peut présenter une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm.
Notamment, la couche de matériau piézoélectrique 5 comprend l’un ou l’autre du LiTaO3ou du LiNbO3.
Le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 60°, avantageusement compris entre 15° et 50°.
A titre d’exemple, le dispositif à ondes élastiques de surface 1 peut être un filtre passe bande qui présente une fréquence centrale f0et une largeur de bande passante Δf qui peut s’exprimer comme une fraction de cette fréquence centrale, typiquement comprise entre 0,1% et 12% avec un substrat POI pourvu d’une couche piézoélectrique 5 faite de tantalate de lithium LiTaO3. La considération d’une couche piézoélectrique 5 à base de LiNbO3permet de repousser la limite haute de cette fraction à 15 % et plus en choisissant l’orientation cristalline de ladite couche de façon à maximiser le couplage électromécanique du mode ainsi exploité.
Le dispositif à ondes élastiques de surface 1 comprend au moins un transducteur électroacoustique. Par exemple, et tel qu’illustré à la , ledit dispositif peut comprendre au moins un transducteur électroacoustique d’entrée 9 et au moins un transducteur électroacoustique de sortie 10.
Selon un autre mode de mise en œuvre, le dispositif à ondes élastiques de surface est composé d’au moins une cellule pourvue d’au moins un résonateur à ondes élastiques de surface formant un quadrupôle avec un port d’entrée et un port de sortie. Plusieurs cellules sont généralement agencées en cascade pour former un filtre désigné comme filtre à éléments d’impédance. En fonctionnement, Le signal électromagnétique à filtrer est appliqué sur un port d’entrée du filtre et le signal électromagnétique filtré est prélevé sur le port de sortie du filtre. On note toutefois que la désignation « d’entrée » et « de sortie » est parfaitement arbitraire et que le dispositif, et notamment le filtre, à ondes élastiques de surface 1 peut être exploité en appliquant/prélevant indifféremment un signal électromagnétique sur l’un ou l’autre des deux ports.
D’une manière très générale, le transducteur électroacoustique d’entrée 9 et le transducteur électroacoustique de sortie 10 sont conformes à ceux connus de l’état de la technique, dont on rappelle quelques caractéristiques ci-après.
Chaque transducteur 9 et 10 comprend deux électrodes en peigne inter-digité. De tels transducteurs 9 et 10 sont chacun formés d’un réseau de doigts métalliques qui sont alternativement reliés à deux bus entre lesquels une différence de potentiel électrique est appliquée/prélevée. Avec ce dispositif, on peut ainsi générer/détecter directement une onde élastique de surface dans la couche de matériau piézoélectrique 5. Le transducteur électroacoustique d’entrée 9 et le transducteur électroacoustique de sortie 10 sont généralement configurés pour être identiques. Toutefois, l’invention n’est pas limitée à cet aspect, l’homme du métier pourra considérer deux transducteurs différents.
Les filtres ainsi susceptibles d’être constitués sont généralement désignés comme filtres transverses. En effet, leur fonction de transfert peut avantageusement être modulée par l’interpénétration des électrodes en forme de peignes le long de la direction de propagation de l’onde. Pour ce type de composant, les transducteurs sont susceptibles de fonctionner hors de la condition de Bragg. Ces filtres sont réputés à réponse impulsionnelle finie. L’homme de l’art peut également mettre en œuvre des transducteurs fonctionnant à la condition de Bragg auxquels sont avantageusement adjoints des miroirs à chaque extrémité du filtre pour renvoyer l’énergie en phase dans la structure considérée, et donnant lieu ainsi à des filtres à réponse impulsionnelle infinie. Les filtres à éléments d’impédance mentionnés précédemment correspondent également à des filtres à réponse impulsionnelle infinie dans la mesure où ils sont constitués d’éléments résonnants.
Le métal des électrodes est typiquement à base d'aluminium, par exemple de l'aluminium pur ou un alliage d'aluminium tel que l'aluminium dopé avec Cu, Si ou Ti. Il est néanmoins possible d'utiliser un autre matériau, par exemple pour établir un coefficient de réflexion plus élevé pour une épaisseur relative d'électrode plus faible que celle nécessaire avec de l’aluminium pour atteindre des caractéristiques similaires. À cet égard, les matériaux d'électrode préférés sont le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le nickel (Ni), le platine (Pt) ou l'or (Au) avec une couche d'adhérence telle que le titane (Ti) ou le tantale (Ta) ou le chrome (Cr), le zirconium (Zr), le palladium (Pd), l'iridium (Ir), le tungstène (W), etc.
La période p des électrodes est généralement choisie telle que p = λ/2, λ étant la longueur d’onde de l’onde élastique qui se propage dans la couche de matériau piézoélectrique 5 à la fréquence de synchronisme fsdu transducteur donnée par fs=Vφ/λ, Vφreprésentant la vitesse de phase du mode exploité. Le transducteur fonctionne alors à la condition de Bragg déjà mentionnée plus haut. D’autres configurations sont possibles, et plus généralement la période p peut s’écrire comme p = λ/(nb_elec), avec nb_elec le nombre de doigts (électrodes) par longueur d’onde. Ces paramètres sont reliés par la relation λ= V/fs, dans laquelle V représente la vitesse de phase de l’onde élastique sous le transducteur. La vitesse de l’onde élastique en surface libre ou sous un transducteur électroacoustique dépend notamment de la nature du matériau dans lequel l’onde se propage, et elle est généralement connue ou accessible à la personne du métier en utilisant spécifiquement les constantes élastiques, piézoélectriques et diélectriques ainsi que la masse volumique tabulées dans la littérature dans des modèles idoines.
Dans le cas du filtre passe-bande, notamment de fréquence et de bande passante données, il peut être considéré de mettre en œuvre des transducteurs dont les fréquences de synchronisme sont choisies pour répondre aux exigences susmentionnées. Les méthodes pour mettre en œuvre ce ou ces choix sont connues de l’homme du métier et ne sont donc pas décrites.
La largeur de métallisation des électrodes, notée a, est généralement choisie pour que le ratio a/p soit de l’ordre de 0,5 pour des raisons de maîtrise technologique mais d’autres ratio sont envisageables pour optimiser les caractéristiques du mode guidé. Le nombre de paires de doigts de chaque transducteur est usuellement choisi de l’ordre de 20 ou 100 mais cette valeur doit être adaptée aux conditions imposés par le système hôte notamment le circuit électrique intégrant le filtre) du filtre. D’une manière générale, augmenter le nombre de paires de doigts permet d’augmenter le rejet des fréquences hors de la bande passante et réduit l’étendue spectrale de la réponse en admittance ou impédance du transducteur autour de sa fréquence de synchronisme.
Le résonateur à ondes élastiques de surface 1 peut également comprendre deux miroirs externes 11 et 12 disposés de part et d’autre du couple des transducteurs électroacoustiques d’entrée 9 et de sortie 10. Comme cela est bien connu, ces miroirs 11 et 12 permettent de confiner un maximum de l’énergie élastique entre les deux transducteurs électroacoustiques d’entrée 9 et de sortie 10. À ce titre, ils sont conçus pour présenter un coefficient de réflexion très important, aussi proche que possible de 1 (réflexion totale de l’énergie incidente), en choisissant l’épaisseur métallique des doigts des miroirs et le nombre de ces doigts, typiquement quelques dizaines par miroir dans le cas d’un substrat POI pour une onde de cisaillement. On note toutefois que ces deux miroirs externes ne sont nullement essentiels à l’invention, et qu’un filtre conforme à l’invention et entièrement fonctionnel peut en être dépourvu.
La mise en œuvre de la couche de piégeage, tel qu’indiquée dans la section « arrière-plan technologique de l’invention », n’est pas sans conséquence sur le fonctionnement du filtre à ondes élastiques de surface considéré.
Notamment, la couche de piégeage 8 contribue à l’apparition de modes parasites.
Afin d’illustrer cet effet, la , la , la et la illustrent, de manière théorique et de manière expérimentale, le comportement en fréquence de résonateurs à ondes élastiques de surface formés sur un substrat POI connu de l’état de la technique et mettant en œuvre une couche de piégeage faite de silicium poly cristallin.
Notamment, le substrat POI connu de l’état de la technique mis en œuvre dans le cadre de ces illustrations comprend :
- une couche de LiTaO3(YXl)/50° de 620 nm ;
- une couche de SiO2de 500 nm ;
- une couche de silicium poly cristallin de 1 µm ;
- un substrat de Silicium.
Plus particulièrement, la représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un premier résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 750 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz).
La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du premier résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz).
La représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un deuxième résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 940 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz).
La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du deuxième résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz).
Chacune de ces figures laisse apparaître un pic de résonance « A » ainsi qu’un pic « B » à une fréquence égale à 1,5 fois la fréquence de résonance du pic considéré.
Afin de pallier cet effet, selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé d’intercaler une couche additionnelle 6 entre la couche de matériau piézoélectrique 5 et la couche de matériau diélectrique 7.
La couche additionnelle 6 est notamment choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique.
La couche additionnelle 6 peut présenter une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
A titre d’exemple, la couche additionnelle 6 comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al2O3, AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO3, SiC.
Il est entendu sans qu’il soit nécessaire de le préciser que le nitrure de silicium (SiN) considéré dans la présente invention n’est pas nécessairement stœchiométrique.
La illustre l’effet de la mise en œuvre d’une couche additionnelle 6 faite de nitrure de silicium (SiN). Notamment, dans le cadre de cette illustration, le résonateur à ondes élastiques de surface est formé sur un substrat POI qui comprend :
- une couche de LiTaO3(YXl)/50° de 620 nm ;
- une couche de SiN de 100 nm ;
- une couche de SiO2de 500 nm ;
- une couche de silicium poly cristallin de 1 µm ;
- un substrat de Silicium.
La représente de manière graphique la conductance G (axe vertical de gauche, en S/m) et la susceptance B (axe vertical de droite, en S/m) d’un filtre à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI décrit ci-avant. Plus particulièrement, la susceptance et la conductance de ce filtre sont notées, respectivement, B SiN + TR 1 µm et G SiN + TR 1 µm. à titre de comparaison, ce graphique illustre également la conductance G TR 1 µm et la susceptance B TR 1 µm d’un résonateur à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI connu de l’état de la technique et qui comprend une couche de silicium poly cristallin de 1 µm.
Dans les deux cas considérés, un mode parasite (dit de premier ordre) peut être observé (zone « B » de la ). Néanmoins, l’amplitude de ce mode parasite du premier ordre est atténuée dès lors qu’une couche de SiN est considérée. Un mode parasite du second ordre peut également être observé dans les deux cas (zone « C » de la ).
Les inventeurs ont pu établir que l’effet de l’alumine (Al2O3), du carbone diamant, du carbure de silicium (SiC) est similaire à celui observé avec la mise en œuvre du nitrure de silicium.
La présente invention couvre également un deuxième aspect alternatif ou complémentaire au premier aspect décrit ci-avant.
Le deuxième aspect reprend pour l’essentiel l’ensemble des caractéristiques du premier aspect. Toutefois, le deuxième aspect ne requiert pas nécessairement la considération de la couche additionnelle 6.
Selon le deuxième aspect, le substrat support S comprend au moins l’un des éléments choisis parmi : un substrat de silicium présentant l’une ou l’autre des orientations 110 ((YXt)/45°) et 111, un substrat de saphir présentant une orientation XXX.
Les inventeurs ont démontrer que la mise en œuvre d’un substrat de silicium présentant l’une ou l’autre des orientations 110 ((YXt)/45°) et 111, ou d’un substrat de saphir présentant une orientation XXX permet de réduire l’amplitude des modes parasites.
La mise en œuvre de la présente invention selon l’un ou l’autre du premier et du deuxième aspect permet de l’amplitude des modes parasites susceptibles d’être observés dès lors qu’une couche de piégeage est mise en œuvre.
Par ailleurs, ces deux aspects permettent également le comportement fréquentiel en température des filtres à ondes élastiques de surface formés sur des substrats POI.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications.

Claims (12)

  1. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend :
    - un substrat composite (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique(7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S), la couche de piégeage (8) comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ;
    - au moins un transducteur électroacoustique (9, 10) formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ;
    le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat composite comprend en outre une couche additionnelle (6) intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (7), la couche additionnelle (6) étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique.
  2. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1, dans lequel la couche additionnelle (6) est associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui associé à la couche de matériau diélectrique (7).
  3. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche additionnelle (6) présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique (7).
  4. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche additionnelle (6) présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm.
  5. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche additionnelle (6) comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al2O3, AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO3, SiC.
  6. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend :
    - un substrat composite (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique (7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S), la couche de piégeage (8) comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ;
    - au moins un transducteur électroacoustique (9, 10) formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ;
    le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat support (S) comprend un substrat de silicium présentant une orientation du type 110.
  7. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de piégeage (8) comprend du silicium polycristallin et présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm, avantageusement supérieure à 1000 nm.
  8. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche de matériau diélectrique (7) présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm.
  9. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche de matériau diélectrique (7) comprend du dioxyde de silicium.
  10. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm.
  11. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) comprend l’un ou l’autre du LiTaO3et du LiNbO3.
  12. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique (5) présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 60°, avantageusement compris entre 15° et 50°.
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