Performance improvement of lithium niobate bulk acoustic wave resonators

Amélioration des performances des résonateurs à ondes acoustiques de volume en niobate de lithium

• Auteur / Autrice : Aurelio Borzi
• Direction : Ausrine Bartasyte, Alexandre Reinhardt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 27/05/2020
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Thérèse Leblois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephane Chamaly
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillermo Villanueva, Matthieu Chatras

Mots clés

Mots clés contrôlés

5G (téléphonie mobile)

Couches minces

Vases acoustiques

Niobate de lithium

Mots clés libres

Résonateurs

Niobate de lithium

RF composant

Filtres RF

BAW resonators

Lithium niobate

5G

RF filters

Résumé

Les exigences strictes introduites par les prochaines normes 5G mettent l'accent sur le frontal RF intégré aux objets connectés. L’ouverture de bandes de fréquences larges (> 150 MHz) à hautes fréquences (> 5 GHz) pousse les filtres à ondes acoustiques de volume (BAW) actuels vers leurs limites. Ceci tient au coefficient de couplage électromécanique du matériau piézoélectrique employé dans ces composants, le nitrure d’aluminium (AlN). Le CEA-LETI développe depuis quelques années une technologie de filtres BAW basée sur des couches minces, obtenues par Crystal Ion Slicing, de LiNbO3, matériau possédant des propriétés piézoélectriques supérieures à celles de l’AlN. Dans ce cadre, ma thèse a porté sur la caractérisation de ces couches minces en vue d’améliorer lers performances des composants développés. Une première partie de mes travaux a été consacrée à l’analyse des propriétés microstructurales de ces couches minces et à leur amélioration. Ceci a permis d’augmenter le coefficient de couplage électromécanique du matériau jusqu’à atteindre sa valeur théorique pour des monocristaux. Il s’est cependant avéré que ceci ne pouvait se faire en présence d’électrodes en aluminium. Une seconde partie de ma thèse a donc été consacrée à la recherche d’électrodes alternatives et à leur intégration dans des résonateurs. La réalisation de prototypes possédant des électrodes inférieures en tungstène a montré une augmentation significative des coefficients de qualité de 200 à 600. Finalement, je me suis intéressé à l’analyse des défauts microstructuraux électriquement actifs, par la mesure des courants de fuite dans des capacités Al/LiNbO3/Al. L’établissement d’une loi générale reliant ces courants à la tension, la température et le temps a mis en évidence la présence de défauts également rencontrés dans des substrats massifs de ce matériaux. Ceci tend à indiquer que le procédé de réalisation de résonateurs n’apporte pas de défauts suplémentaires au cristal.

The strict requirements introduced by the next 5G standards are putting pressure on the RF front-end of connected objects. The opening of new wide (> 150 MHz) and high frequency (> 5 GHz) bands pushes current Bulk Acoustic Wave (BAW) filters to their limits. This originates from the limited electromechanical coupling factor of the material employed in these devices, aluminum nitride (AlN). CEA-LETI has been developing for several years a BAW filter technology based on LiNbO3 thin-films, a material exhibiting larger piezoelectric properties than AlN, obtained by crystal ion slicing. In this context, my Ph.D. has focused on the characterization of these thin films to improve the performances of BAW devices. The first part of my work has focused on the analysis of the microstructure of LiNbO3 thin films and their improvement. This led to an increase in the electromechanical coupling factor up to reaching the theoretical value for single crystals. However, optimizing the piezoelectric properties proved incompatible with the use of aluminum electrodes. Therefore, the second part of my Ph.D. has been devoted to the development and integration of alternative electrode materials. The fabrication of prototypes with bottom W electrodes has revealed a significant improvement of quality factors, from 200 to 600. Eventually, I have investigated electrically active microstructural defects trough leakage current measurements in Al/LiNbO3/Al capacitors. A general law relating leakage currents to voltage, temperature and time has evidenced defects that have been already reported in studies on the conductivity of bulk wafers. This evidences that the fabrication process does not induce additional crystal defects.