Thèse soutenue

Croissance de films minces piézoélectriques de ScxAl1-xN par pulvérisation cathodique pour la réalisation de dispositifs à ondes élastiques confinées, destinés à des applications haute-température

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Auteur / Autrice : Florian Bartoli
Direction : Thierry Aubert
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 05/04/2019
Etablissement(s) : CentraleSupélec
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
Jury : Président / Présidente : Marta Clement Lorenzo
Examinateurs / Examinatrices : Laurent Le Brizoual, Thomas Baron, Cinzia Caliendo, Omar Elmazria
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Le Brizoual, Thomas Baron

Résumé

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Certaines industries demandent le développement d’un capteur résistant à des environnements hostiles (températures au-delà de 700°C, et atmosphères nocives), tout en permettant des mesures sans-fil. Si les dispositifs de type SAW permettent ces dernières, actuellement elle ne permet pas l’utilisation en conditions extrêmes, les matériaux les composant étant peu résistant à ces environnements. Il est possible d’encapsuler ces dispositifs dans des boîtiers pour augmenter leur viabilité, mais seulement jusqu’à 300°C. On cherche alors à réaliser un capteur auto-protégé. Il serait constitué d’une structure à trois couches, la couche centrale servant de guide à l’onde élastique. Les couches externes serviraient à confiner l’onde dans la couche guidante, et à protéger cette dernière des attaques chimiques. Cette structure est appelée WLAW (Waveguiding Layer Acoustic Wave). Dans cette thèse, on étudie l’intérêt du matériau ScAlN en tant que couche piézoélectrique, et on teste la viabilité de la structure WLAW pour notre application. Les films minces de ScAlN n’étant pas disponibles dans le commerce, nous avons développé un procédé de croissance. Des films de Sc0.09Al0.91N et Sc0.18Al0.92N ont été réalisés par pulvérisation cathodique magnétron. La microstructure des films a été déterminée par DRX, et par microscopie électronique en transmission. Des couches minces de ScAlN hétéro-épitaxiées ont été obtenues. Le comportement de dispositifs Sc0.09Al0.91N/saphir ont été testés jusqu’à 575°C. La réalisation d’un dispositif WLAW a aussi été effectuée, en utilisant des substrats de GaN/Saphir achetés dans le commerce. Des simulations ont permis de déterminer une structure AlN/GaN/Saphir pouvant confiner l’onde. Le bon confinement de l’onde dans le matériau piézoélectrique (ici le GaN), ainsi que la viabilité d’une telle structure à la température a été vérifié.