Effets des propriétés physico-chimiques du cristal LGT (La3Ga5.5Ta0.5O14) sur les performances des résonateurs piézoélectriques.

par Maroua Allani

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Jean-Jacques Boy et de Narjes Batis.

Soutenue le 30-09-2017

à Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec l'Université de Carthage (Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) , Université de Carthage (Tunisie) (Etablissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Ilyes Khedher.

Le jury était composé de Jean-Jacques Boy, Narjes Batis, Ilyes Khedher, Abdessalem Bel Haj Amara, Philippe Veber, Hugues Cabane, Kheirreddine Lebbou.

Les rapporteurs étaient Abdessalem Bel Haj Amara, Philippe Veber.

mots clés

• Cristal piézoélectrique Langatate
• Quartz
• Resonnateur à ondes de volume
• Produit QF
• Tirage Czochralski
• Composition cristalline
• Spectométries IR e UV visible
• ICP-AES
• Oscillateurs à quartz -- Thèses et écrits académiques
• Cristaux -- Qualité -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Nous avons caractérisé différents cristaux piézoélectriques de Langatate La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), de différentes couleurs afin d’évaluer l’influence des défauts sur la qualité de dispositifs du domaine Temps-Fréquence (résonateurs acoustiques).Nous avons étudié la composition de ces cristaux dont les variations autour de la composition stoechiométrique sont surtout dues à l’évaporation du Ga2O au cours de la croissance compensée par un excès de Ga2O3 dans le mélange initial. Pour déterminer cette composition, la technique ICP-AES, précédée par une mise en solution par fusion alcaline, est la plus fiable.La présence d’impuretés chimiques, telles que les éléments métalliques ou les terres rares, liée à la pureté des oxydes de base, au frittage de la charge dans un creuset alumine… est étudiée. Nous expliquons ainsi la nature des centres colorés qui évolue selon l’atmosphère de tirage ou lors d’un recuit particulier.C’est ainsi que nous avons déterminé certaines propriétés de LGT permettant l’obtention de dispositifs comme les résonateurs à ondes de volume dont le produit Q.f est supérieur à celui des résonateurs à quartz. Pour cela, nous montrons notamment qu’il est nécessaire que :- la composition du cristal soit la plus proche possible de la stoechiométrie,- la résistivité électrique soit la plus grande possible,- l’étude spectroscopique ne révèle aucune absorption dans le domaine du visible.Dans ces conditions, le facteur de qualité Q d’une résonance à 10 MHz peut être de 1.44 million au point d’inversion de la courbe fréquence-température (1.35 pour le quartz) mais qu’il diminue notablement pour atteindre 0.35 million si nous pratiquons un recuit sous air à 1000°C pendant 48 h.

mots clés

• Piezoelectric crystal Langatate
• Quartz crystal
• BAW resonator
• Q.f product
• Czochralski pulling
• Crystalline composition
• IR and UV-Visible spectrometries
• ICP-AES

Titre traduit

Effects of the physiocochemical properties of langatate crystal La3Ga5.5Ta0.5O14 on the performances of piezoelectric resonators

Résumé

We have characterized Langatate piezoelectric crystals La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT), differently colored in order to evaluate the defects influence on the quality of Bulk Acoustic Waves resonators for the Time and Frequency domain.We have analyzed the composition of crystals whose variations around stoichiometric composition are mainly due to the evaporation of the Ga2O during growth compensated by adding an excess of Ga2O3 in the initial mixture. Among different techniques, the ICP-AES spectrometry, preceded by a dissolution by alkaline fusion seems to be the most accurate technique to determine the composition.The inevitable presence of chemical impurities, such as metallic elements, rare earth… linked to the purities of the raw materials, to the sintering of the load in an alumina crucible… is also studied. We try to explain in particular the nature of the color centers that evolve according to the growth atmosphere or during a particular annealing.So, we conclude by a list of necessary properties to obtain BAW resonators exhibiting a Q.f product higher than quartz. For this, we establish that it is necessary that:- the crystal composition is as close as possible to the stoichiometric composition,- the electrical resistivity is the highest possible,- the spectroscopic study does not reveal any absorption band in the visible domain.In these conditions, we were able to highlight that the quality factor of a 10 MHz resonance is of 1.44 million at the inversion temperature of the frequency-temperature curve (1.35 for the quartz crystal in the same conditions), but that this one decreases significantly to reach 0.35 million if we perform an annealing under air at 1000 °C during 48 hours.