Optimisation d’empilements innovants à base d’AlN et texturation sur 2D-MoS2 - Applications aux résonateurs à ondes acoustiques et à l’électronique de puissance

Optimization of innovative AlN-based stacks and texturing on 2D-MoS2 - Applications to acoustic wave resonators and power electronics

• Auteur / Autrice : Julien Patouillard
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Bano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ionut Radu, Gabriel Ferro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvon Cordier, Bertrand Dubus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bisulfure de molybdène

Matériaux

Mots clés libres

Matériaux

Dispositifs et systèmes RF

Technologie des procédés

RF Devices & Systems

Process technologies

Materials

Résumé

Ces dernières années, les communications sans fils et le trafic de données associé se sont développés de manière intensive. Afin d’adresser cette augmentation, l’industrie des télécommunications s’est appuyée sur l'introduction de bandes de fréquences supplémentaires généralement plus larges et positionnées dans des fréquences plus élevées. La 5ème génération de communication sans fils (5G) est un bon exemple illustrant ce développement.Ainsi, les objets connectés tels que le smartphone sont au coeur de notre quotidien. Au sein de ces objets, la transmission et réception des données se fait via une chaîne de Radiofréquence. Cette chaîne est constituée d’éléments basiques permettent de moduler le signal transmis ou émis (amplification, filtrage, décalage en fréquence…).Parmi ces éléments, les filtres et spécialement les filtres acoustiques sont les plus utilisés. Ce type de filtres se divisent en deux technologies : Surface Acoustic Wave (SAW) et Bulk Acoustic Wave (BAW). Elles sont notamment dédiées aux communications mobiles 2G, 3G et 4G. La brique élémentaire d’un filtre acoustique est un résonateur acoustique où le filtrage en fréquence est assuré par un matériau piézoélectrique.Ces dispositifs sont caractérisés par deux paramètres. Le coefficient de couplage électromécanique (k²) détermine la largeur de la bande passante du filtre. Plus cette valeur est élevée, plus la largeur de la bande passante est importante. Le facteur de qualité (Q) caractérise la perte d’insertion et la sélectivité du filtre. Maximiser cette valeur permet de diminuer la perte d’insertion et augmenter la sélectivité.Cependant, les dispositifs SAW et BAW ne sont pas adaptés pour répondre aux besoins envisagés par la prochaine norme. La technologie SAW présente des limitations dans les fréquences de fonctionnement supérieures à 2 GHz. La technologie BAW permet de fonctionner à des fréquences plus élevées mais la qualité cristalline actuelle du matériau piézoélectrique (nitrure d’aluminium : AlN) utilisé n'est pas optimisée. Ainsi, le coefficient de couplage électromécanique k² et le facteur de qualité Q sont insuffisants pour répondre aux futures exigences des normes de communications sans fils. Typiquement, le k² de l’AlN est limité autour de 7 % tandis qu'une bande passante plus large nécessitant un k² d'environ 10 % avec un impact limité sur le facteur Q est requise pour les nouvelles normes.L'objectif principal de cette thèse est de développer une solution innovante et rentable pour répondre aux nouveaux défis auxquels sont confrontées les technologies de filtres RF. L'enjeu principal étant d'ordre matériel, l'objectif est de proposer une solution innovante pour améliorer la qualité du matériau piézoélectrique permettant le filtrage en fréquence.Dans un premier temps, les travaux portent sur l'amélioration de la qualité cristalline de films de nitrure d'aluminium (AlN) ciblant les applications des dispositifs acoustiques. L'AlN est élaboré via une technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD) à faible coût et à basse température sur un substrat à base de silicium. L'innovation vient de l'utilisation d'un matériau bidimensionnel : le disulfure de molybdène (MoS2). Il sert de couche d’accommodation et affiche un décalage de réseau raisonnable avec AlN. Son utilisation devrait augmenter de manière significative la qualité du cristal d'AlN, permettant d'améliorer ses propriétés piézoélectriques, dont le k².Dans un second temps, le dépôt PVD de films d’AlN dopés au scandium (Sc) est investigué. Si l'utilisation du matériau 2D innovant comme couche d’accommodation texturante pour l’AlN PVD est prouvée, l'AlN dopé Sc pourrait être une solution intéressante pour répondre aux besoins des dispositifs acoustiques et en particulier au compromis k²/Q. En effet, il pourrait être possible d’atteindre un k² relativement élevé (proche de 10 %) avec un faible dopage de Sc permettant de conserver un facteur de qualité Q raisonnable.

In recent years, wireless communications and the associated data traffic have been developed intensively. In order to address this increase, the telecommunications industry has been relying on the introduction of additional frequency bands generally wider and positioned in higher frequency. The 5th generation of wireless communication (5G) is a good example of this development.Thus, connected objects such as the smartphone are at the heart of our daily lives. Within these objects, the data transmission and reception is ensured via a radiofrequency chain. This chain is composed of basic elements used to modulate the transmitted or emitted signal (amplification, filtering, frequency shift, etc.).Among these elements, filters and especially acoustic filters are the most used. This type of filter is divided into two technologies: Surface Acoustic Wave (SAW) and Bulk Acoustic Wave (BAW). In particular, they are dedicated to 2G, 3G and 4G mobile communications. The elementary brick of an acoustic filter is an acoustic resonator where the frequency filtering is ensured by a piezoelectric material.These devices are characterized by two parameters. The electromechanical coupling coefficient (k²) determines the bandwidth of the filter. The higher this value, the greater the bandwidth. The quality factor (Q) characterizes the insertion loss and the selectivity of the filter. Maximizing this value reduces the insertion loss and increases the selectivity.However, SAW and BAW devices are not suitable to meet the needs required by the next standard. SAW technology has limitations in operating frequencies above 2 GHz. BAW technology allows operation at higher frequencies but the actual crystal quality of the piezoelectric material (aluminum nitride: AlN) used is not optimized. Thus, the electromechanical coupling coefficient k² and the quality factor Q are insufficient to meet the future requirements of wireless communication standards. Typically, the k² of AlN is limited around 7% while a wider bandwidth requiring a k² of around 10% with a limited impact on the Q factor is required for new standards.The main objective of this thesis is to develop an innovative and cost-effective solution to address the new challenges faced by RF filter technologies. The main challenge being material, the objective is to propose an innovative solution to improve the quality of the piezoelectric material allowing the frequency filtering.In a first step, the work focuses on improving the crystalline quality of aluminum nitride (AlN) films targeting the applications of acoustic devices. AlN is produced via a low-cost, low-temperature physical vapor deposition (PVD) technique on a silicon-based substrate. The innovation comes from the use of a two-dimensional material: molybdenum disulphide (MoS2). It serves as an accommodation layer and exhibits a reasonable lattice mismatch with AlN. Its use should significantly increase the quality of the AlN crystal, improving its piezoelectric properties, including the k².In a second step, the PVD deposition of Scadiuym (Sc) doped AlN films is investigated. If the use of the innovative 2D material as a texturizing accommodation layer for AlN PVD is proven, Sc doped AlN could be an interesting solution to meet the needs of acoustic devices and in particular the k²/Q trade-off. Indeed, it could be possible to reach a relatively high k² (close to 10%) with a low doping of Sc allowing to keep a reasonable quality factor Q.