Résonateurs à domaines ferroélectriques périodiques sur coupes obliques de niobate de lithium pour les applications de filtrage radiofréquences

Periodically poled resonators on oblique cuts of lithium niobate for radiofrequency filtering applications

• Auteur / Autrice : Alexandre Matic
• Direction : Thomas Baron, Jean-Jacques Boy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Aubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Baron, Thierry Aubert, Dominique Certon, Thérèse Leblois, Samuel Margueron, Victor Petrovitch Plessky
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Aubert, Dominique Certon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferroélectricité

Filtres piézoélectriques

Ondes élastiques

Mots clés libres

Composants radiofréquences

Ondes élastiques

Ferroélectricité

Transducteurs périodiquement Polarisés

Radiofrequency Devices

Elastic waves

Ferroelectricity

Periodically Poled Transducers

Résumé

Les filtres piézoélectriques à ondes élastiques de surface (SAW) et à ondes élastiques de volume (BAW) jouent un rôle prépondérant dans le développement et les performances de la téléphonie mobile. À l’aube de la 5ème génération des standards de la téléphonie mobile (5G), les filtres à ondes élastiques doivent s’adapter à la hausse des fréquences envisagée pour ce nouveau standard. Dans les années 2000, des études sont menées sur des composants piézoélectriques à base de domaines ferroélectriques périodiquement polarisés qui permettent, du fait leur architecture, une montée en fréquence plus aisée. Ces composants, initialement réalisés à partir de niobate ou tantalate de lithium coupe Z, ne présentent cependant pas les performances nécessaires pour une application filtre large-bande. Dans le cadre de ces travaux, l’utilisation de coupes obliques de niobate de lithium pour la réalisation de résonateurs à domaines ferroélectriques périodiques est étudiée. Une étude théorique, fondée sur des simulations par éléments finis, est d’abord menée pour déterminer l’apport des coupes obliques. La fabrication et la faisabilité de domaines ferroélectriques sur ces coupes est ensuite présentée. Enfin, une caractérisation de résonateurs fabriqués sur différentes coupes de niobate de lithium est réalisée. Une hausse des performances de ces composants, associée à l’utilisation de coupes obliques, est mise en évidence et ouvre la voie pour des applications dans le filtrage radiofréquences.

Piezoelectric surface acoustic waves (SAW) and bulk acoustic waves (BAW) filters play a key role in development and performances of mobile telephony. As the mobile phone standards enters its 5th generation (5G), acoustic wave filters must adapt to the expected increase of frequencies. In the 2000s, studies are carried out on piezoelectric components based on periodic poled structures, which allow, due to their architecture, an easier increase of operating frequency. However, these devices, initially made from Z-cut lithium niobate or tantalate, do not fulfill performance requirements for wideband filter applications.In this work, use of lithium niobate oblique cuts for the realization of periodically poled resonators is investigated. A theoretical study, based on finite element simulations, is performed to determine the contribution of the oblique cuts. Fabrication and feasibility of ferroelectric domains on these cuts is then presented. Finally, characterization of resonators made on different lithium niobate cuts is carried out. Increase in the performance of theses devices associated with the use of oblique cuts is demonstrated and paves the way for applications in radiofrequency filtering.