Thin films & heterostructures of LiNbO3 for acoustical/optical integrated devices.

Couches minces épitaxiées de LiNbO3 pour les dispositifs acoustiques et optiques intégrés

• Auteur / Autrice : Stefania Oliveri
• Direction : Ausrine Bartasyte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 02/10/2017
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Viart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ausrine Bartasyte, Nathalie Viart, Marta Clement Lorenzo, Nathalie Lemée, Graziella Malandrino, Carmen Jimenez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marta Clement Lorenzo, Nathalie Lemée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Couches minces

Mots clés libres

CVD

Couches minces

Science des matériaux

Piézoélectriques

Chemical Vapour Deposition

Thin films

Material Science

Piezoelectrics

Résumé

Les couches minces de LiNbO3 (LN) avec des orientations du single cristallographique en dehors-du-plan et dans-le-plan sont nécessaires pour les dispositifs optiques et acoustiques. La technique PIMOCVD est adapté pour la déposition de couches minces de LN avec des orientations cristallographiques différentes sur des substrats monocristallins. Pour obtenir des couches avec une surface lisse et composé une phase pure de LN avec une concentration contrôlé de Li, les paramètres de déposition ont été ajustés.Un effort particulier a été mis dans la croissance de couches avec une orientation unique dans-le-plan. La qualité cristalline, la qualité de l’épitaxie, Li2O nonstoichiometrique, l’orientation dans-le-plan, le stress résiduel et le twinning ont été étudiés avec la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman. Couches de LN avec composition presque stoichiometrique on été obtenues. Les couches épaisses ont tendance à se fracturer et à former twins pour détendre les grands stress thermique. Les différences dans les mécanismes de relaxation et dans la capacité de supporter des stress dans les couches de X-, Y- et Z-LN sont discutés. Dans le cas des couches Z-LN le stress thermique sont equi-biaxial quand le stress dans les couches X- et Y- sont anisotropies. On a étudié aussi la structure des domaines ferroélectriques et la réponse piézoélectrique des couches. L’énergie de bande et l’indice de réfraction des couches de LN, mesuré pas elipsometrie spectrale, sont très proche de ceux du LN monocristallin. On démontre expérimentalement la présence d’une résonance à 5.5 GHz dans un résonateur à un seul port réalisé dans une couche de Z-LN/saphir de 150 nm d’épaisseur.

LiNbO3 (LN) thin films are attracting interest due to possibility to miniaturize, to integrate and to ameliorate the performance of acoustical and optical devices. These applications require LN films with single crystallographic out-of-plane and in-plane orientations. PIMOCVD technique was used for deposition of high quality of different crystallographic orientations LN thin films, offering a possibility to obtain films with various different cut on single crystalline substrates.In order to obtain films with smooth surface and consisting of pure LN phase with controlled Li concentration, the deposition parameters were tuned.A particular effort was done to obtain films with single in-plane orientation. The crystallinity, epitaxial quality, Li2O nonstoichiometry, in-plane orientation, residual stresses and twinning were studied by means of X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The LN films with nearly stoichiometric composition were obtained. The thick films tend to crack and to form the twins in order to relax the high thermal stresses. The differences in relaxation mechanisms and in ability to withstand high stresses of X-, Y- and Z-LN films were discussed. In the case of Z-LN films the thermal stresses are equibiaxial, while the stresses in X- and Y- films are anisotropic. The ferroelectric domain structure and piezoelectric response of grown films were investigated. Energy gap and refractive indexes of LN films, measured by spectroscopic ellipsometry, were similar to those of single crystal. Acoustic resonance at 5.5 GHz in single-port resonators based on as-grown 150 nm thick Z-LN film on sapphire films was demonstrated experimentally.