Résonateurs hybrides à ondes acoustiques de surface et de volume

Hybrid surface and bulk acoustic waves resonators

• Auteur / Autrice : Saher Barsoum
• Direction : Bertrand Dubus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 02/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bou Matar-Lacaze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Reinhardt, Claire Prada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, Guillermo Villanueva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Niobate de lithium

Nitrure d'aluminium

Micro-fabrication

Transducteurs piézoélectriques

Ondes acoustiques de surface

Cavités résonnantes (acoustique)

Filtres radioélectriques

Filtrage du signal

Mots clés libres

Filtres radiofréquences

Simulation de matériaux architectures

Fabrication microélectronique

Piézoélectricité

Filtres SAW

Filtres SAW

Ondes acoustiques de volume

Radiofrequency filters

Architected materials simulation

Microelectronics fabricationwaves

Piezoelectricity

SAW filters

BAW filters

Résumé

Le concept des résonateurs hybrides SAW/BAW (HSB) a été introduit en 2013. Il se base sur un arrangement périodique de transducteurs piézoélectriques sur un substrat, combinant les avantages des dispositifs à ondes de volume et des dispositifs à ondes de surface. Une étude initiale portant sur l'AlN a permis d'optimiser deux modes de résonance atteignant respectivement des coefficients de couplage électromécanique de 1% et 1,8% à envi-ron 1 GHz et 2,4 GHz. Ces résultats ont été confirmés par deux cycles de fabrication, mettant en évidence des facteurs de qualité élevés, allant jusqu'à 3700 à la résonance et 3300 à l'antirésonance pour le premier mode à 600 MHz, et jusqu'à 1900 à la résonance et 1700 à l'antirésonance pour le second mode à 2,8 GHz.Afin d'améliorer ces coefficients de couplage électromécanique, nous avons évalué l'utilisation de matériaux piézoélectriques tels que le AlScN et le niobate de lithium (LNO). Une étude théorique a été réalisée, montrant la possibilité d'atteindre un coefficient de couplage électromécanique de 38% à 500 MHz et de 28% à 1,8 GHz pour le LNO. De nouveaux procédés de fabrication sont introduits, et des résultats préliminaires sont présentés. Enfin, nous avons mis en évidence l'existence d'un nouveau mode qui peut atteindre, sous certaines conditions spécifiques, des fréquences supérieures à 4 GHz avec des coefficients de couplage électromécaniques de 7% pour l'AlN et 16% pour le LNO.

The concept of hybrid SAW/BAW (HSB) resonators was introduced in 2013. It is based on a periodic arrangement of piezoelectric transducers on a substrate, combining the ad-vantages of bulk- and surface-wave devices. An initial study on AlN optimized two reso-nance modes achieving electromechanical coupling coefficients of 1% and 1.8% respectively at around 1 GHz and 2.4 GHz. These results were confirmed by two manufacturing cycles, demonstrating quality factors up to 3700 at resonance and 3300 at anti-resonance for the first mode at 600 MHz, and up to 1900 at resonance and 1700 at anti-resonance for the second mode at 2.8 GHz.In order to improve the electromechanical coupling, we have investigated other piezoelectric materials such as scandium-doped AlN and lithium niobate (LNO). A theoretical analysis have shown that an electromechanical coupling coefficient of 38% at 500 MHz and 28% at 1.8 GHz can be attained with LNO. A new manufacturing process is introduced, and pre-liminary results are presented. Finally, we demonstrate the existence of a new mode that can reach frequencies above 4 GHz with electromechanical coupling coefficients of 7% for AlN and 16% for LNO, under certain specific conditions.