Élaboration et caractérisation de couches minces de LiNbO3 obtenues par pulvérisation cathodique et ablation laser pulsée

Elaboration and characterisation of LiNbO3 thin films obtained by sputtering and pulsed laser deposition

• Auteur / Autrice : Laura Sauze
• Direction : Denis Remiens, Florian Dupont, Marie Bousquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 18/01/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Ballandras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Remiens, Florian Dupont, Marie Bousquet, Maryline Guilloux-Viry, Pascal Tristant, Nathalie Lemée, Ionut Radu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maryline Guilloux-Viry, Pascal Tristant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Dépôt par laser pulsé

Matériaux piézoélectriques

Filtres acoustiques

Mots clés libres

Niobate de lithium

Matériaux piézoélectrique

Pulvérisation cathodique radio-fréquence

Ablation laser pulsée

Lithium niobate

Piezoelectric Materials

Radio-Frequency sputtering

Pulsed Laser Deposition

Résumé

Atteindre le plein potentiel de la 5ème génération d’applications mobiles (5G) nécessite de pousser les performances des filtres acoustiques radiofréquences au-delà de leurs limites actuelles. Les filtres radiofréquences hautes performances existants (supérieurs à 2,5 GHz) sont réalisés à base de nitrure d’aluminium.Leur bande passante est cependant limitée par le faible coefficient de couplage électromécanique du nitrure d’aluminium. Dans ce contexte, en raison de son coefficient de couplage électromécanique plus élevé, le niobate de lithium semble être un bon candidat comme matériau piézoélectrique. Pour cette application, les couches de niobate de lithium doivent être stoechiométriques et soit hautement texturées, soit monocristallines. Dans le présent travail, deux techniques de dépôt ont été étudiées. Plusieurs techniques de caractérisations ont été évaluées afin de pouvoir analyser les propriétés des couches : leur cristallinité, leur rugosité, leur composition chimique ou encore leur microstructure. En effet, la couche doit répondre à un cahier des charges précis afin de pouvoir être utile pour l’application radiofréquneces.Dans un premier temps, des couches hautement texturées suivant l’axe c (correspondant à la famille de plans cristallins 001), déposées directement sur substrat silicium par pulvérisation cathodique radio fréquence à température ambiante et après recuits ont été réalisés. Dans un second temps, des couches homoépiatxiales ont été obtenues sur des substrats niobate de lithium de différentes coupes cristallines par ablation laser pulsée. De plus, les relations de croissance de niobate de lithium sur des substrats de saphir ont été mises en évidence avec cette même technique de dépôt. Enfin, les propriétés piézoélectriques de couches minces de niobate de litihum déposées sur électrodes métalliques sur des substrats de niobate de litihum, saphir et silicium ont été étudiées avec la réalisation d’un résonateur FBAR (Film Bulk Acoustic waves Resonator).

Reaching the full potential of the 5th Generation of mobile applications (5G) requires pushing the performances of acoustic radio-frequency filters beyond their current limits. Current high-performances radio-frequency filters (above 2.5 GHz) are based on aluminium nitride. Their bandwidth is however limited by the low electromechanical coupling coefficient of aluminium nitride. In this context, due to its higher electromechanical coupling coefficient, lithium niobate seems a good candidate as an active piezoelectric material. For this application, lithium niobate films need to be stoichiometric and to be either highly textured or monocrystalline. In the present work, two deposition techniques were investigated. Several characterisation techniques have been used in order to analyse the properties of the layers such as their cristallinity, roughness, chemical composition or microstructure. The layer has to comply to multiple requirements in order to be used for radio-frequency applciation. In a first time, highly textured c-axis (corresponding to the crystalline 001 plane family) films deposited directly on silicon substrate by radio-frequency sputtering at room temperature and after annealing was demonstrated. In a second time, homoepitaxials layers were obtained on lithium niobate substrates of various crystal cuts. Moreover, growth relationship of lithium niobate on sapphire substrates were highlighted. Finaly, the piezoelectric properties of lithium niobate thin films deposited on metallic electrodes on lithium niobate, sapphire and silicon susbtrates were investigated with a FBAR resonator.