Étude et amélioration des performances de dispositifs hyperfréquences accordables à base de films minces ferroélectriques KTN et diélectriques BZN

Study and improvement of the performance of microwave tunable devices based on KTN ferroelectric and BZN dielectric thin films

• Auteur / Autrice : Yonathan Corredores
• Direction : Ronan Sauleau, Xavier Castel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs diélectriques

Couches minces ferroélectriques

Résonateurs électriques

Dispositifs à micro-ondes

Résumé

Les dispositifs hyperfréquences reconfigurables sont une solution pertinente pour la réduction de l’encombrement et de la complexité des chaînes d’émission/réception dans les terminaux. Les travaux de ce manuscrit concernent l’étude de dispositifs hyperfréquences coplanaires accordables en fréquence à base de films minces ferroélectriques de KTN, matériau prometteur à forte agilité mais doté de pertes conséquentes. Des études numériques et expérimentales ont été engagées afin d’obtenir le meilleur compromis accordabilité / pertes. Dans un premier temps, les constantes diélectriques (εr, tanδr) des films de KTN de différentes épaisseurs ont été mesurées sur une large bande de fréquence (de 1 GHz à 40 GHz). Des résonateurs à stub ont ensuite été imprimés sur les échantillons et caractérisés en bande X. Enfin, des solutions permettant la réduction de leurs pertes globales sans altérer leur accordabilité en fréquence (54% en bande X et sous champ bias modéré (~75 kV/cm)) ont été proposées et étudiées. Elles concernent, (1) l’intégration du matériau diélectrique BZN à faibles pertes intrinsèques, (2) l’intégration de la couche tampon KNbO3, et (3) la localisation du matériau KTN par microgravure laser dans les zones actives des dispositifs réalisés. Cette dernière solution permet de conserver la forte accordabilité en fréquence du dispositif résonant (47%) tout en réduisant d’un facteur ~3 ses pertes globales.

Reconfigurable devices are an attractive solution to reduce the complexity of radio front-ends in microwave wireless systems. In this framework, the objective of this work is to characterize coplanar tunable resonators printed on ferroelectric KTN thin films. In particular, the best trade-off between frequency tunability and insertion loss is investigated numerically and experimentally in X-band. Moreover, the main features of the KTN layer (relative permittivity and loss tangent) are determined up to 40 GHz for various KTN thickness values. Three original solutions are proposed to reduce the global loss of the resonators, i. E. To increase their figure of merit. They consist either in using a two-layer BZN/KTN or KTN/KNbO3 heterostructures, or in confining the KTN layer only in regions of interest through laser microetching. The KTN confinement enables to divide the global loss by a factor ~3 while keeping up the high frequency tunability (47%, against 54% before KTN localizing) under a moderate applied electric field (~75 kV/cm).