WO2003010888A1 - Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite - Google Patents

Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite Download PDF

Info

Publication number
WO2003010888A1
WO2003010888A1 PCT/FR2002/002587 FR0202587W WO03010888A1 WO 2003010888 A1 WO2003010888 A1 WO 2003010888A1 FR 0202587 W FR0202587 W FR 0202587W WO 03010888 A1 WO03010888 A1 WO 03010888A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thickness
electrodes
layer
wavelength
tio
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/002587
Other languages
English (en)
Inventor
Victor Plessky
Julius Koskela
Original Assignee
Thales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
Publication of WO2003010888A1 publication Critical patent/WO2003010888A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02574—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of combined substrates, multilayered substrates, piezoelectrical layers on not-piezoelectrical substrate

Definitions

  • the invention relates to a surface acoustic wave device (or SAW device according to the abbreviation of the English expression).
  • SAW devices are generally formed on a mono or polycrystalline piezoelectric substrate.
  • monocrystalline substrates of LiNbO 3 (Lithium Niobate) and LiTa0 3 (Lithium Tantalate).
  • the sections most used to make SAW filters with low propagation losses are usually designated respectively by "64 ° YX LiNbO 3 " and “36 ° YX LiTaO 3 ", where X, Y, Z are the crystallographic axes of the crystal, in fact, being monocrystalline substrates whose cutting plane undergoes a rotation about the X axis respectively of 64 ° for LiNbO 3 and 36 ° for LiTaO 3 (compared to an orientation of the cutting plane normal to the axis Y) and in which the direction of propagation of the surface acoustic wave is along the X axis.
  • SAW SAW
  • leaky SAW The type of SAW waves which can propagate in these sections is known by the name of "leaky SAW” and is characterized by a very strong piezoelectric coupling, a very high wave speed, which is positive, but also by a weak radiation of volume waves, leading to losses.
  • the 36 ° YX LiTaO 3 and 64 ° YX LiNbO 3 sections were chosen in the embodiments of the prior art to minimize propagation losses. However, these cutting angles give an optimal result (in terms of propagation losses) for waves propagating on a homogeneous substrate and neglecting the mechanical effect of a metallization. In the case of modern filters, with minimal losses, the waves no longer propagate on a homogeneous substrate since a metallic network is deposited on the surface.
  • the thickness of the aluminum layer forming the electrodes can be 8% to 10% of the wavelength of the acoustic wave.
  • LiNbO 3 unlike LiTaO 3 , the cutting angle which makes it possible to minimize the propagation losses is not the same in the hypothesis of a free surface and that of a fully metallized surface with thin metal layer. In practice, due to the presence of electrodes separated by free spaces, there is therefore no optimal cut for the Lithium Niobate.
  • the invention provides a SAW device capable of operating in frequency bands up to 2 or 3 GHz with minimal surface wave propagation losses, in which it is possible to use piezoelectric substrates of the LiNbO 3 or LiTaO type. 3 with usual cutting angles.
  • the invention also proposes a means of adjusting the piezoelectric coupling coefficient obtained in order to adapt it to the band of the filter which it is desired to produce.
  • the invention proposes to deposit on the substrate, before the placement of the electrodes, a uniform thin layer of a material having a high dielectric constant and high hardness, for example of the TiO 2 (Titanium dioxide) type. .
  • TiO 2 TiO 2
  • the applicant has shown that such a device can be optimized to make the propagation losses minimal with given cutting angles, including usual cutting angles, and shows particular promise with Lithium Niobate, the potential of which is seen. enlarged by the device according to the invention.
  • the invention relates to a low-loss surface acoustic wave device comprising a piezoelectric substrate formed from crystal of Lithium Tantalate or of Lithium Niobate of YX cut, a set of conductive electrodes, characterized in that 'It further comprises a thin layer of a dielectric material with a dielectric hardness and permittivity greater than that of the substrate, deposited in a substantially uniform manner on the surface of said substrate, the electrodes being placed on said layer and the thickness of the electrodes being determined, for a given cutting angle of the crystal, as a function of the thickness of said thin layer so as to minimize the propagation losses.
  • FIG. 4 a diagram showing curves representing as a function of the cutting angle, the optimal thickness of the electrodes as a function of the thickness of the layer of TiO 2 with a substrate of LiTaO 3 ;
  • FIG. 5 a diagram showing curves representing, as a function of the cutting angle, the optimum thickness of the electrodes as a function of the thickness of the layer of TiO 2 with a substrate of LiNbO 3 .
  • FIGS. 1A and 1B illustrate by diagrams the definition of the cutting angles used in the following.
  • the X, Y, Z axes are the crystallographic axes of the crystal.
  • FIG. 1A shows a cutting plate YX, that is to say that the normal to the cutting plane is the axis Y and that the direction of propagation is the axis X.
  • the directions w are defined in this figure along the width of the plate), / (along its length, in the direction of propagation), and t, perpendicular to the plate.
  • a section and a propagation angle are defined starting from section Y-X and applying three successive rotations. In the case which interests us here, represented on figure 1 B, only one rotation is applied around /, of an angle ⁇ . The propagation is done according to the direction / of the turned plate.
  • the initial coordinate system (XYZ) becomes after rotation (XY'Z ').
  • section ⁇ Y-X a section of a crystal such as it is
  • LSAW surface acoustic wave structures can be explained in particular by propagation losses due to the excitation and diffusion of waves of slow volumes ("slow shear waves", in English) other ohmic loss type effects, ie due to resistance of the electrodes.
  • slow shear waves in English
  • other ohmic loss type effects ie due to resistance of the electrodes.
  • the 36 ° YX cut was commonly used because it was deemed to minimize propagation losses on the free surface. But it appears that this cut is not optimal when the mass of the electrodes is not more negligible compared to the wavelength of the acoustic wave which propagates (typically, thickness from 8% to 12% of the wavelength).
  • the invention provides a surface acoustic wave device with low propagation losses, including in filtering applications in gigaherz bands, an exemplary embodiment of which is illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 3 A partial enlarged section of the diagram in the figure 2 is shown in FIG. 3.
  • the SAW device 1 comprises a piezoelectric substrate 2 as well as a set of conductive electrodes 3. These are for example electrodes made of pure aluminum (Al), in Aluminum / Copper alloy (Al / Cu), Pure copper (Cu) or Gold (Au).
  • a thin dielectric layer 4, of high hardness is deposited substantially uniformly on the surface 21 of the substrate, the electrodes being arranged on the surface 41 of said dielectric layer 4.
  • the applicant has shown that it is possible with such a device to minimize propagation losses, as will be explained below, by choosing for layer 4 a hard material of high dielectric permittivity, that is to say of which the hardness and dielectric permittivity are at least higher than that of the substrate.
  • the hardness is defined here in relation to the speed of propagation of the acoustic waves in the material. By hard material, we mean here that the speed of the acoustic waves propagating in the material forming the layer 4 is greater than the speed of the acoustic waves propagating in the substrate.
  • TiO 2 titanium oxide
  • Niobum oxide Nb 2 O 5
  • These two materials are also used in electronic technologies, for example for the production of capacitors, and their technology is therefore well mastered.
  • the parameters used are the cutting angle ⁇ , the thickness h of the electrodes, the thickness h Tl02 of the titanium oxide layer and the metalization ratio a / p, where a is the width of a finger d 'electrodes and p is the period, as illustrated in Figure 3.
  • the ratio a / p is set at 0.5.
  • LiTaO 3 Lithium Tantalate
  • FIG. 4 shows as a function of the cutting angle ⁇ of the crystal of LiTaO 3 , the optimal value h op , of the thickness of the electrodes normalized with respect to the wavelength ⁇ 0 of an acoustic wave of excited surface on the surface of the piezoelectric substrate, for different values of the thickness h Tl02 of the titanium oxide layer, also given as a function of the wavelength ⁇ 0 .
  • the optimal value shown here is the value that makes the propagation losses minimal at the resonant frequency f r (and at the anti-resonant frequency).
  • the calculations made by the applicant show that with the insertion of a layer of TiO 2 , the optimal value of the thickness of the electrodes is finished, even for angles situated around 36 °. Furthermore, the greater the thickness of the TiO 2 layer, the greater the optimal thickness of the electrodes. It therefore appears from the results shown in FIG. 4 that for a usual cutting angle ⁇ around 36 °, and a thickness of the layer of TiO 2 of substantially between 0.1% and 2% of the wavelength ⁇ 0 of a surface acoustic wave excited on the surface of the piezoelectric substrate, it is possible to find the optimal electrode thickness h (between 3% and 10% of the wavelength ⁇ ) so as to obtain a device with minimal propagation losses.
  • This table shows the precise numerical results obtained for some particular configurations, noted A to F, each corresponding to an angle value of section and a thickness value of electrodes, for different values of the thickness of the TiO 2 layer.
  • Table 1 brings in particular the same conclusions as those drawn from FIG. 4, namely that the choice of the three parameters cutting angle ⁇ , thickness of the electrodes h opt and thickness of the layer of TiO 2 h Tl02 allows, thanks to the device according to the invention, to find the optimal combination for limiting propagation losses.
  • the applicant has shown that there is not a single optimal angle but that for each angle (between 34 ° and 38 °, for example, as shown in FIG. 4) and for a reasonable thickness of the electrodes (approximately 8% of the acoustic wavelength), we can find the thickness of the TiO 2 layer, which minimizes propagation losses.
  • Table 1 above also shows that the difference between the resonance and anti-resonance frequency decreases when the thickness of TiO 2 is increased . This can be used when trying to reduce the relative bandwidth of the filter.
  • the optimal value shown here is the value which makes the propagation losses minimal at the resonance frequency f r .
  • the different configurations corresponding to pairs of thickness values of TiO ⁇ thickness of electrode are noted from A 'to F'. All the combinations of the chosen parameters (A 'to F') give excellent results for the quality factors Q, at the resonant frequency and at the anti-resonant frequency.
  • the 41 ° cut YX LiNb0 3 allows minimal propagation losses with a very high piezoelectric coupling constant. Thus, in the prior art, this cutting angle was little used because it was deemed to have high propagation losses.
  • the device according to the invention by choosing cutting angles less than 41 °, an even stronger coupling can be obtained, without however undergoing significant propagation losses, by correctly choosing the thickness of the layer of TiO 2 , thanks for example to the results presented in FIG. 5 or in Tables 2 and 3.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques de surfaces (ou dispositif SAW) à faibles pertes et s'applique plus particulièrement aux dispositifs SAW fonctionnant dans les bandes de fréquences supérieures au gigahertz. Le dispositif selon l'invention comprend un substrat piézoélectrique (2) formé à partir de cristal de Tantalate de Lithium (LiTaO3) ou de Niobate de Lithium (LiNbO3) de coupe Y-X, un ensemble d'électrodes conductrices (3), et une couche mince (4) d'un matériau diélectrique de dureté et de permittivité diélectrique supérieures à celle du substrat, déposée de façon sensiblement uniforme sur la surface dudit substrat, les électrodes étant disposées sur ladite couche. Avantageusement, le matériau diélectrique (4) est constitué de dioxyde de Titane TiO2.

Description

DISPOSITIF A ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE A FAIBLES PERTES AVEC COUCHE DIÉLECTRIQUE DE FORTE PERMITTIVITÉ
L'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques de surfaces (ou dispositif SAW selon l'abréviation de l'expression anglo-saxonne
« Surface Acoustic Wave ») et s'applique plus particulièrement aux dispositifs SAW fonctionnant dans les bandes de fréquences supérieures au gigahertz.
Durant ces vingt dernières années, la demande croissante de l'industrie des télécommunications mobiles a conduit à l'introduction d'un nouveau type de filtre SAW, dont les caractéristiques sont essentiellement de faibles pertes, une très petite taille, et qui peuvent fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 2 ou 3 GHz, voire au-delà.
Les dispositifs SAW sont généralement formés sur un substrat piézoélectrique mono ou polycristallin. Parmi les plus utilisés, on peut citer les substrats monocristallins de LiNbO3 (Niobate de Lithium) et LiTa03 (Tantalate de Lithium). Les coupes les plus utilisées pour réaliser des filtres SAW avec de faibles pertes de propagation sont habituellement désignés respectivement par « 64°Y-X LiNbO3 » et « 36°Y-X LiTaO3 », où X, Y, Z sont les axes cristallographiques du cristal, s'agissant en effet de substrats monocristallins dont le plan de coupe subit une rotation autour de l'axe X respectivement de 64° pour LiNbO3 et 36° pour LiTaO3 ( par rapport à une orientation du plan de coupe normale à l'axe Y) et dans lequel la direction de propagation de l'onde acoustique de surface se fait selon l'axe X. Le type des ondes SAW qui peuvent se propager dans ces coupes est connu sous le nom de « leaky SAW » et est caractérisé par un très fort couplage piézoélectrique, une très grande vitesse des ondes, ce que est positif, mais aussi par une faible radiation des ondes de volume, conduisant à des pertes. Les coupes 36°Y-X LiTaO3 et 64°Y-X LiNbO3 étaient choisies dans les réalisations de l'art antérieur pour minimiser les pertes de propagation. Cependant, ces angles de coupe donnent un résultat optimal (en terme de pertes de propagation) pour des ondes se propageant sur un substrat homogène et en négligeant l'effet mécanique d'une métallisation. Dans le cas des filtres modernes, avec pertes minimales, les ondes ne se propagent plus sur un substrat homogène puisque l'on dépose un réseau métallique à la surface. L'épaisseur de la couche d'Aluminium formant les électrodes peut être de 8% à 10% de la longueur d'onde de l'onde acoustique. D'autre part, pour réduire les pertes d'insertion; on est en général conduit à utiliser la réflexion des ondes de surface par des électrodes métalliques. La présence des électrodes sur le substrat change la propagation des ondes et les coupes optimales ne le sont plus.
Par ailleurs, dans le cas de LiNbO3, contrairement à LiTaO3, l'angle de coupe qui permet de rendre minimales les pertes de propagation n'est pas le même dans l'hypothèse d'une surface libre et dans celle d'une surface entièrement métallisée avec couche du métal mince. En pratique, du fait de la présence d'électrodes séparées par des espaces libres, il n'y a donc pas de coupe optimale pour le Niobate de Lithium.
Il est connu que l'augmentation de l'épaisseur des électrodes par rapport à la longueur d'onde SAW dans les coupes dont il est fait référence ci-dessus est à l'origine notamment de l'émission d'ondes de volume par les électrodes et de la diffraction d'une partie des ondes de surface en ondes de volume, résultant dans des pertes de propagation accrues des ondes de surface. On appelle LSAW les ondes de surfaces qui sont accompagnées par une radiation d'ondes du volume (abréviation de l'expression anglo- saxonne « Leaky Surface Acoustic Wave »). En ce qui concerne la théorie des pertes de propagation des LSAW dans un filtre SAW utilisant une électrode épaisse sur un substrat de type 64°Y-X LiNbO3 ou 36°Y-X LiTaO3 , on pourra se référer à Plessky et al. (V.S.PIessky and C.S.Hartmann,
Proc.1993 IEEE Ultrasonics Symp., pp.1239-1242) et Edmonson et al. (P.J. Edmonson and C.K.Campbell, Proc.1994 IEEE Ultrasonics Symp., pp.75-79). Ainsi, pour des applications pratiques, l'émission des ondes du volume doit être minimisée afin de diminuer les pertes de propagation.
Dans le brevet US 6,037,847 (Fujitsu Limited), le problème est résolu en proposant un angle de coupe supérieur à celui habituellement utilisé, à savoir un angle de coupe compris entre 39° et 46° pour LiTaO3 et un angle de coupe compris entre 66° et 74° pour LiNbO3. Il apparaît dans ce document qu'avec ces angles de coupe, il est possible d'optimiser l'épaisseur d'électrode pour rendre minimales les pertes de propagation des ondes de surface LSAW. Par ailleurs, le brevet DE 197 58 195 A1 propose un dispositif SAW avec un substrat de type LiNbO3 ou LiTaO3 dont les électrodes en aluminium pur ou composite sont recouvertes d'une couche dure d'un oxyde d'aluminium permettant une optimisation des pertes de propagation pour un angle de coupe donné du substrat piézoélectrique. Cette solution n'est cependant pas complètement satisfaisante car elle nécessite de procéder au dépôt d'une couche sur le dispositif SAW finalisé, en maîtrisant l'épaisseur de la couche sur les électrodes et entre les électrodes, rendant le procédé de fabrication nettement plus compliqué.
L'invention propose un dispositif SAW pouvant fonctionner dans des bandes de fréquence allant jusqu'à 2 ou 3 GHz avec des pertes de propagation des ondes de surface minimales, dans lequel il est possible d'utiliser des substrats piézoélectriques de type LiNbO3 ou LiTaO3 avec des angles de coupe usuels. L'invention propose également un moyen de régler le coefficient de couplage piézoélectrique obtenu pour l'adapter à la bande du filtre que l'on veut réaliser. Pour cela, l'invention propose de déposer sur le substrat, avant la mise en place des électrodes, une couche mince uniforme d'un matériau présentant une grande constante diélectrique et de forte dureté, par exemple de type TiO2 (dioxyde de Titane). La déposante a montré qu'un tel dispositif peut être optimisé pour rendre les pertes de propagation minimales avec des angles de coupe donnés, y compris des angles de coupe usuels, et se montre particulièrement prometteur avec le Niobate de Lithium, dont les potentialités se voient élargies grâce au dispositif selon l'invention.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif à ondes acoustiques de surface à faibles pertes comprenant un substrat piézoélectrique formé à partir de cristal de Tantalate de Lithium ou de Niobate de Lithium de coupe Y-X, un ensemble d'électrodes conductrices, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche mince d'un matériau diélectrique de dureté et de permittivité diélectrique supérieures à celle du substrat, déposée de façon sensiblement uniforme sur la surface dudit substrat, les électrodes étant disposées sur ladite couche et l'épaisseur des électrodes étant déterminée, pour un angle de coupe donné du cristal, en fonction de l'épaisseur de ladite couche mince de telle sorte à rendre minimales les pertes de propagation.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent : - les figure 1A et 1 B, des schémas rappelant la définition de l'angle de coupe d'un cristal ;
- la figure 2, le schéma d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 3, une coupe partielle du schéma de la figure 2 ;
- la figure 4, un diagramme montrant des courbes représentant en fonction de l'angle de coupe, l'épaisseur optimale des électrodes en fonction de l'épaisseur de la couche de TiO2 avec un substrat de LiTaO3 ; - La figure 5, un diagramme montrant des courbes représentant en fonction de l'angle de coupe, l'épaisseur optimale des électrodes en fonction de l'épaisseur de la couche de TiO2 avec un substrat de LiNbO3.
Les figures 1A et 1 B illustrent par des schémas la définition des angles de coupes utilisée dans la suite. Les axes X, Y, Z sont les axes cristallographiques du cristal. La figure 1A montre une plaque de coupe Y-X, c'est-à-dire que la normale au plan de coupe est l'axe Y et que la direction de propagation est l'axe X. On définit sur cette figure les directions w (suivant la largeur de la plaque), / (suivant sa longueur, dans la direction de propagation), et t, perpendiculaire à la plaque. Une coupe et un angle de propagation sont définis en partant de la coupe Y-X et en appliquant trois rotations successives. Dans le cas qui nous intéresse ici, représenté sur la figure 1 B, une seule rotation est appliquée autour de /, d'un angle θ. La propagation se fait suivant la direction / de la plaque tournée. Le repère initial (XYZ) devient après rotation (XY'Z'). On appelle coupe θ Y-X une coupe d'un cristal telle qu'elle est définie sur la figure 1 B.
Les pertes dans les structures à ondes acoustiques de surface LSAW s'expliquent notamment par des pertes de propagation dues à l'excitation et à la diffusion d'ondes de volumes lentes (« slow shear waves », en anglais) , et à d'autres effets de type pertes ohmiques, c'est à dire due à résistance des électrodes. Ainsi, comme cela a été expliqué précédemment, dans le cas de dispositifs LSAW avec substrat de Tantalate de Lithium (LiTaO3) par exemple, la coupe 36°Y-X était couramment utilisée car elle était réputée rendre minimales les pertes de propagation sur surface libre. Mais il apparaît que cette coupe n'est pas optimale lorsque la masse des électrodes n'est plus négligeable comparée à la longueur d'onde de l'onde acoustique qui se propage (typiquement, épaisseur de 8% à 12 % de la longueur d'onde).
L'invention propose un dispositif à ondes acoustiques de surface à faibles pertes de propagation, y compris dans les applications de filtrage dans les bandes gigaherz, dont un exemple de réalisation est illustré sur la figure 2. Une coupe partielle agrandie du schéma de la figure 2 est représentée sur la figure 3. Sur ces figures, le dispositif SAW 1 comprend un substrat piézoélectrique 2 ainsi qu'un ensemble d'électrodes conductrices 3. Il s'agit par exemple d'électrodes réalisées en Aluminium pur (Al), en alliage Aluminium/Cuivre (Al/Cu), en Cuivre pur (Cu) ou en Or (Au).
Selon l'invention, une couche diélectrique mince 4, de forte dureté, est déposée sensiblement uniformément sur la surface 21 du substrat, les électrodes étant disposées sur la surface 41 de ladite couche diélectrique 4. La déposante a montré qu'il est possible avec un tel dispositif de rendre minimales les pertes de propagation, comme cela sera explicité par la suite, en choisissant pour la couche 4 un matériau dure de forte permittivité diélectrique, c'est-à-dire dont la dureté et la permittivité diélectrique sont au moins supérieures à celle du substrat. La dureté est définie ici par rapport à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le matériau. Par matériau dur, on veut signifier ici que la vitesse des ondes acoustiques se propageant dans le matériau formant la couche 4 est plus grande que la vitesse des ondes acoustiques se propageant dans le substrat.
La déposante a montré qu'un matériau particulièrement intéressant pour le dispositif selon l'invention est l'oxyde de Titane (TiO2) qui réunit à la fois les conditions requises de dureté et de permittivité diélectrique (la permittivité diélectrique de TiO2 est sensiblement supérieure à celle du Tantalate de Lithium par exemple). D'autres matériaux sont envisageables, comme par exemple l'oxyde de Niobum (Nb2O5). Ces deux matériaux sont par ailleurs utilisés dans les technologies électroniques, par exemple pour la production de condensateurs, et leur technologie est donc bien maîtrisée.
On montre maintenant des exemples de résultats de simulation obtenus avec un dispositif SAW avec substrat de Tantalate de Lithium (LiTaO3) et avec substrat de Niobate de Lithium (LiNbO3) sur lesquels est déposée une couche mince d'oxyde de Titane, les électrodes agencées sur la couche d'oxyde de Titane étant en Aluminium. La structure choisie ici à titre d'exemple pour procéder aux simulations est un résonateur synchrone avec un transducteur long et des réflecteurs relativement courts placés de chaque coté. La méthode de calcul utilisée (méthode « FEM/BEM ») est décrite notamment dans « Advances in Surface Acoustic Wave Technology, Systems and Applications (Vol.2) », Eitors C.C.W.Ruppel & T.A.Fjedly, World Scientific (2001), pages 1 -82. Les paramètres utilisés sont l'angle de coupe θ, l'épaisseur h des électrodes, l'épaisseur hTl02 de la couche d'oxyde de Titane et le rapport de métalisation a/p, où a est la largeur d'un doigt d'électrodes et p est la période, comme cela est illustré sur la figure 3. Dans l'exemple décrit ci-dessous, le rapport a/p est fixé à 0,5.
Les calculs ont permis de déterminer en fonction des paramètres cités les fréquences de résonance fr et d'antirésonance far du résonateur, ainsi que leurs facteurs de qualité respectifs Qr et Qar. D'autres caractéristiques ont été déterminées telles que la vitesse de propagation de l'onde acoustique v, la réflectivité par électrode K, la transductance normalisée αn (caractéristique du couplage électromécanique), la capacitance normalisée Cn et la distance résonance-antirésonance R-a-R définie par la relation suivante :
Figure imgf000008_0001
qui présente un intérêt direct dans la définition des filtres à éléments d'impédance (lEFs, ou filtres SAW en échelle appelés« ladder filters » selon l'expression anglo-saxonne).
On s'intéresse dans un premier temps aux simulations effectuées avec un substrat de Tantalate de Lithium (LiTaO3).
La figure 4 montre en fonction de l'angle de coupe θ du cristal de LiTaO3, la valeur optimale hop, de l'épaisseur des électrodes normalisée par rapport à la longueur d'onde λ0 d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface du substrat piézoélectrique, pour différentes valeurs de l'épaisseur hTl02 de la couche d'oxyde de titane, données également en fonction de la longueur d'onde λ0. La valeur optimale montrée ici est la valeur qui rend les pertes de propagation minimales à la fréquence de résonance fr (et à la fréquence d'anti-resonance). Quatre courbes sont représentées, notées 41 à 44, correspondant respectivement à une épaisseur de la couche de TiO2 de hTlO2=0 (pas de couche), hTlO2=0,005λ0, hTlO2=0,01λ0 et hTlO2=0,015λ0. On retrouve sur la courbe 41 de la figure 4, qu'en l'absence de la couche de TiO2, aucune valeur d'épaisseur des électrodes ne permet de rendre minimales les pertes de propagation autour de θ =36°, tandis que le choix d'électrodes très minces correspond à un optimum pour une coupe de 36.7° environ. Par contre, les calculs effectués par la déposante montrent qu'avec l'insertion d'une couche de TiO2, la valeur optimale de l'épaisseur des électrodes est finie, même pour des angles situés autour de 36°. Par ailleurs, plus l'épaisseur de la couche de TiO2 est grande, plus l'épaisseur optimale des électrodes l'est aussi. Il apparaît ainsi au vu des résultats montrés sur la figure 4 que pour un angle de coupe θ usuel autour de 36°, et une épaisseur de la couche de TiO2 comprise sensiblement entre 0,1 % et 2% de la longueur d'onde λ0 d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface du substrat piézoélectrique, il est possible de trouver l'épaisseur d'électrode h optimale (entre 3% et 10% de la longueur d'onde λ ) de telle sorte à obtenir un dispositif dont les pertes de propagation sont minimales.
La déposante montre ainsi que grâce au dispositif selon l'invention, il est possible de trouver la combinaison qui minimise les pertes par le choix de 3 paramètres (angle de coupe θ, épaisseur des électrodes hopt et épaisseur de la couche de TiO2 hTi02). On peut choisir arbitrairement (dans les limites indiquées) deux de ces paramètres, le troisième est alors déterminé par les courbes de la figure 4. La figure 4 montre ainsi un éventail possible des angles de coupe de 34° à 38°, pour illustrer que la coupe dite
« standard » de 36° à 37° peut être optimisée. Mais il est entendu que l'éventail des angles permettant de limiter les pertes de propagation, grâce au dispositif selon l'invention, peut être plus large, typiquement entre 30° et 45°. Les calculs effectués montrent qu'à la fréquence d'antirésonance, le comportement est similaire.
Le tableau 1 présenté en annexe donne pour un substrat de Tantalate de Lithium, les valeurs de certains paramètres du filtre selon l'invention (définis ci-dessus), calculées dans les mêmes conditions que précédemment (en utilisant le modèle FEM/BEM) avec une couche diélectrique de TiO2, des électrodes en Aluminium, et un rapport a/p = 0,5. Ce tableau montre les résultats numériques précis obtenus pour quelques configurations particulières, notées A à F, correspondant chacune à une valeur d'angle de coupe et une valeur d'épaisseur d'électrodes, pour différentes valeurs de l'épaisseur de la couche de TiO2.
Le tableau 1 apporte notamment les mêmes conclusions que celles tirées de la figure 4, à savoir que le choix des trois paramètres angle de coupe θ, épaisseur des électrodes hopt et épaisseur de la couche de TiO2 hTl02 permet, grâce au dispositif selon l'invention, de trouver la combinaison optimale permettant de limiter les pertes de propagation. Ainsi, la déposante a montré qu'il n'y a pas un seul angle optimale mais que pour chaque angle (entre 34° et 38°, par exemple, comme le montre la figure 4) et pour une épaisseur raisonnable des électrodes (environ 8% de la longueur d'onde acoustique), on peut trouver l'épaisseur de la couche TiO2, qui minimise les pertes de propagation . Par ailleurs, le Tableau 1 ci-dessus montre également que l'écart entre la fréquence de résonance et d'antirésonance diminue lorsque l'on augmente l'épaisseur de TiO2. Ceci peut être utilisé lorsque l'on cherche à réduire la bande passante relative du filtre.
On considère maintenant les simulations effectuées avec un substrat de Niobate de Lithium (LiNbO3). Comme précédemment, la couche diélectrique est formée d'oxyde de Titane et les électrodes sont en Aluminium. La figure 5 montre en fonction de l'angle de coupe θ du cristal de
LiNbO3, la valeur optimale hopl de l'épaisseur des électrodes normalisée par rapport à la longueur d'onde λ0 d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface du substrat piézoélectrique, pour différentes valeurs de l'épaisseur hTl02 de la couche d'oxyde de titane (données également en fonction de la longueur d'onde λ0). Comme sur la figure 4, la valeur optimale montrée ici est la valeur qui rend les pertes de propagation minimales à la fréquence de résonance fr. Cinq courbes sont représentées, notées 51 à 55, correspondant respectivement à une épaisseur de la couche de TiO2 de h^≈O.OOδ, hTlO2=0,010λ0, hTιO2=0,015λ0 et hTlO2=0,020λ0.et hTlO2=0,025λ0. On vérifie que sans couche de TiO2 la coupe de 41 ° est optimale pour une épaisseur d'Aluminium des électrodes très faible. Il apparaît sur ces courbes que grâce au dispositif selon l'invention, il est possible même en utilisant des coupes usuelles du Niobate de Lithium (θ = 41 ° et θ = 64°) de trouver des valeurs d'épaisseur d'électrodes qui minimisent les pertes de propagation. Il apparaît ainsi que pour un angle de coupe θ usuel, autour de 41 ° et une épaisseur de la couche de TiO2 comprise sensiblement entre 0,1 % et 3% de la longueur d'onde λ0 d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface du substrat piézoélectrique, il est possible de fixer l'épaisseur d'électrode h entre 2% et 10% de la longueur d'onde λ de telle sorte à obtenir un dispositif dont les pertes de propagation sont minimales.
Par ailleurs, pour un angle de coupe autour de 64° et une épaisseur de la couche de TiO2 comprise sensiblement entre 0,1 % et 3% de la longueur d'onde λ0, il est également possible de fixer l'épaisseur d'électrode h entre 2% et 10% de la longueur d'onde λ0 de telle sorte à obtenir un dispositif dont les pertes de propagation sont minimales. Bien entendu, comme précédemment, la même optimisation peut être faite dans un éventail d'angles de coupe beaucoup plus large (typiquement entre 35° et 65°).
Les tableaux 2 et 3 présentés en annexe donnent les valeurs des paramètres obtenus par simulation, respectivement pour un angle de coupe θ = 41° et pour un angle de coupe θ = 64°, traditionnellement les plus utilisés en pratique. Les différentes configurations correspondant à des couples de valeurs épaisseur de TiO^épaisseur d'électrode sont notées de A' à F'. Toutes les combinaisons des paramètres choisis (A' à F') donnent d'excellents résultats pour les facteurs de qualité Q , à la fréquence de résonance et à la fréquence d'anti-résonance. Ce qui est remarquable notamment, c'est que le coupe 41 °Y-X LiNb03 permet des pertes de propagation minimales avec une très forte constante de couplage piézoélectrique. Ainsi, dans l'art antérieur, cet angle de coupe était peu utilisé car était réputé présenter des pertes de propagation élevées. Grâce au dispositif selon l'invention, en choisissant des angles de coupe inférieurs à 41 ° on peut obtenir un couplage encore plus fort, sans pour autant subir des pertes de propagation fortes, en choisissant correctement l'épaisseur de la couche de TiO2, grâce par exemple aux résultats présentés sur la figure 5 ou dans les tableaux 2 et 3.
La déposante a ainsi montré que dans le cas du Tantalate de Lithium (LiTaO3), comme dans le cas du Niobate de Lithium (LiNbO3), il est possible grâce au dispositif SAW selon l'invention de rendre minimales les pertes de propagation, même en utilisant des angles de coupe usuels, et avec des épaisseurs d'électrodes suffisantes (au-delà de 5% de la longueur d'onde de propagation de l'onde acoustique) pour réduire la résistance ohmique y compris dans les hautes fréquences, de l'ordre du gigaherz et au-delà.
ANNEXE
Figure imgf000013_0001
Tableau 1 : Simulations avec LiTaO,
Figure imgf000014_0001
Tableau 3 : Simulations avec une coupe 64°Y-X LiNbO3

Claims

REVENDICATIONS
1- Dispositif à ondes acoustiques de surface à faibles pertes (1) comprenant un substrat piézoélectrique (2) formé à partir de cristal de Tantalate de Lithium ou de Niobate de Lithium de coupe Y-X, un ensemble d'électrodes conductrices (3), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche mince (4) d'un matériau diélectrique de dureté et de permittivité diélectrique supérieures à celle du substrat, déposée de façon sensiblement uniforme sur la surface dudit substrat, les électrodes étant disposées sur ladite couche et l'épaisseur des électrodes étant déterminée, pour un angle de coupe (θ) donné du cristal, en fonction de l'épaisseur de ladite couche mince (4) de telle sorte à rendre minimales les pertes de propagation.
2- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau diélectrique est constitué de dioxyde de Titane TiO2. 3- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau diélectrique est constitué d'oxyde de Niobum Nb2O5.
4- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau diélectrique est sensiblement comprise entre 0,1% et 5% de la longueur d'onde d'une onde acoustique de surface excitée sur ladite surface dudit substrat piézoélectrique.
5- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont faites en Aluminium pur (Al), en alliage Aluminium/Cuivre (Al/Cu), en Cuivre pur (Cu) ou en Or (Au).
6- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur des électrodes est sensiblement comprise entre 1 % et
15% de la longueur d'onde d'une onde acoustique de surface excitée sur ladite surface dudit substrat piézoélectrique.
7- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est formé à partir de cristal de Tantalate de Lithium LiTaO3.
8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle de coupe (θ) du cristal de LiTaO3 est compris sensiblement entre 34° et 38°, en ce que la couche mince diélectrique est formée de dioxyde de Titane et présente une épaisseur comprise sensiblement entre 0,1 % et 3% de la longueur d'onde d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface dudit substrat et en ce que l'épaisseur des électrodes est déterminée, pour un angle de coupe donné, en fonction de l'épaisseur de la couche de TiO2 de telle sorte à rendre minimales les pertes de propagation.
9- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'angle de coupe (θ) du cristal de LiTaO3 se situe sensiblement entre 36° et 37°, en ce que l'épaisseur de la couche de TiO2 est comprise sensiblement entre 0,1 % et 2% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 3% et 10% de ladite longueur d'onde.
10- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de TiO2 est comprise sensiblement entre 1.0 % et
2% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 6% et 10% de ladite longueur d'onde.
11 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est formé à partir de cristal de Niobate de Lithium LiNbO3 .
12- Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce que l'angle de coupe (θ) du cristal de LiNbO3 est compris sensiblement entre 35° et 70°, en ce que la couche mince diélectrique est formée de dioxyde de Titane et présente une épaisseur comprise sensiblement entre 0,1% et 3% de la longueur d'onde d'une onde acoustique de surface excitée sur la surface dudit substrat et en ce que l'épaisseur des électrodes est déterminée, pour un angle de coupe donné, en fonction de l'épaisseur de la couche de TiO2 de telle sorte à rendre minimales les pertes de propagation.
13- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'angle de coupe (θ) du cristal de LiNbO3 se situe autour de 41 °, en ce que l'épaisseur de la couche de TiO2 est comprise sensiblement entre 0,1 % et 3% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 2% et 10% de ladite longueur d'onde.
14- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de TiO2 est comprise sensiblement entre 2.0 % et
3% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 6% et 10% de ladite longueur d'onde.
15- Dispositif selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que l'angle de coupe (θ) du cristal de LiNbO3 se situe autour de 64°, en ce que l'épaisseur de la couche de TiO2 est comprise sensiblement entre 0,1 % et 3% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 2% et 10% de ladite longueur d'onde.
16- Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de Ti02 est comprise sensiblement entre 2.5 % et 3% de ladite longueur d'onde et en ce que l'épaisseur des électrodes est comprise sensiblement entre 8% et 10% de ladite longueur d'onde.
PCT/FR2002/002587 2001-07-20 2002-07-19 Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite WO2003010888A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0109753A FR2827720B1 (fr) 2001-07-20 2001-07-20 Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite
FR01/09753 2001-07-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003010888A1 true WO2003010888A1 (fr) 2003-02-06

Family

ID=8865770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2002/002587 WO2003010888A1 (fr) 2001-07-20 2002-07-19 Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2827720B1 (fr)
WO (1) WO2003010888A1 (fr)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7046102B2 (en) * 2002-03-06 2006-05-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Surface acoustic wave filter, balanced type circuit, and communication apparatus
US7439648B2 (en) 2004-08-27 2008-10-21 Kyocera Corporation Surface acoustic wave device and manufacturing method therefor, and communications equipment
EP2284191A2 (fr) 2004-12-22 2011-02-16 Ambrx, Inc. Procédé de préparation de hGH
CN115781946A (zh) * 2022-11-29 2023-03-14 山东大学 一种铌酸锂晶体的压缩式高温压电敏感切型及制备与应用

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008109413A (ja) * 2006-10-25 2008-05-08 Fujitsu Media Device Kk 弾性波デバイスおよびフィルタ

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3760299A (en) * 1971-08-09 1973-09-18 Hazeltine Corp Acoustic surface wave-apparatus having dielectric material separating transducer from acoustic medium
US5757250A (en) * 1995-03-06 1998-05-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Surface acoustic wave module with thin film for wave transmission velocity differentiation
WO1998051008A1 (fr) * 1997-05-09 1998-11-12 Kobe Steel Usa Inc. Dispositifs a ondes acoustiques (saw) de surface contenant des electrodes interdigitees isolees

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3760299A (en) * 1971-08-09 1973-09-18 Hazeltine Corp Acoustic surface wave-apparatus having dielectric material separating transducer from acoustic medium
US5757250A (en) * 1995-03-06 1998-05-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Surface acoustic wave module with thin film for wave transmission velocity differentiation
WO1998051008A1 (fr) * 1997-05-09 1998-11-12 Kobe Steel Usa Inc. Dispositifs a ondes acoustiques (saw) de surface contenant des electrodes interdigitees isolees

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAMANOUCHI K: "GHZ-RANGE UNIDIRECTIONAL LOW-LOSS SAW FILTERS AND FINE LITHOGRAPHY TECHNOLOGY", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, PUBLICATION OFFICE JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS. TOKYO, JP, vol. 30, no. SUPPL30-1, 1991, pages 12 - 16, XP000305653, ISSN: 0021-4922 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7046102B2 (en) * 2002-03-06 2006-05-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Surface acoustic wave filter, balanced type circuit, and communication apparatus
US7439648B2 (en) 2004-08-27 2008-10-21 Kyocera Corporation Surface acoustic wave device and manufacturing method therefor, and communications equipment
US8097178B2 (en) 2004-08-27 2012-01-17 Kyocera Corporation Surface acoustic wave device and manufacturing method therefor, and communications equipment
EP2284191A2 (fr) 2004-12-22 2011-02-16 Ambrx, Inc. Procédé de préparation de hGH
CN115781946A (zh) * 2022-11-29 2023-03-14 山东大学 一种铌酸锂晶体的压缩式高温压电敏感切型及制备与应用
CN115781946B (zh) * 2022-11-29 2024-06-04 山东大学 一种铌酸锂晶体的压缩式高温压电敏感切型及制备与应用

Also Published As

Publication number Publication date
FR2827720A1 (fr) 2003-01-24
FR2827720B1 (fr) 2005-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3113362B1 (fr) Dispositif a ondes elastiques de surface comprenant un film piezoelectrique monocristallin et un substrat cristallin, a faibles coefficients viscoelastiques
EP2909932B1 (fr) Transducteur a ondes de volume guidees en surface par des structures d'excitation synchrone
EP2203976B1 (fr) Resonateur a ondes de lamb
EP1222735B1 (fr) Filtre a ondes acoustiques d'interface notamment pour les liaisons sans fil
FR2711863A1 (fr) Dispositif à onde acoustique de surface et son procéédé de fabrication.
EP2628243A1 (fr) Structure acoustique heterogene formee a partir d'un materiau homogene
FR3079668A1 (fr) Dispositif d'onde acoustique de surface sur substrat composite
EP3465784B1 (fr) Structure hybride pour dispositif a ondes acoustiques de surface
FR2951336A1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques comprenant un filtre a ondes de surface et un filtre a ondes de volume et procede de fabrication
EP0998037B1 (fr) Filtre faibles pertes à ondes acoustiques de surface sur substrat de quartz de coupe optimisée
SG181225A1 (en) Acoustic wave device
EP2351214B1 (fr) Elements de filtres par couplage transverse sur structures resonantes a ondes de volume a resonances harmoniques multiples
WO2023047042A1 (fr) Filtre a ondes elastiques de surface et a cavites resonantes
EP1500191B1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques d' interface en tantalate de li thium
FR3079667A1 (fr) Dispositif d'onde acoustique de surface sur substrat composite
EP2291911B1 (fr) Résonateur hbar à intégration élevée
WO2003010888A1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques de surface a faibles pertes avec couche dielectrique de forte permittivite
CN113676147A (zh) 用于表面声波器件的复合基板及其制造方法
EP0369835B1 (fr) Transducteur interdigité pour filtre à ondes de surface
WO2023222282A1 (fr) Dispositif a ondes acoustiques de surface integrant une couche mince de materiau metallique
FR3079101A1 (fr) Structure de transducteur pour suppression de source dans les dispositifs de filtres a ondes acoustiques de surface
WO2023232562A1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif à ondes élastiques de surface
FR3136327A1 (fr) Dispositif a ondes elastiques de surface
FR3136326A1 (fr) Filtre dispositif a ondes elastiques de surface
WO2002047264A1 (fr) Filtres a ondes acoustiques de surface a symetrie optimisee

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM ZW

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC PT SE SK TR BF BJ CF CG CI GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP