Couches minces de LiNbO3, déposées par DLI-CVD, pour les composants BAW à haute fréquence

LiNbO3 thin films, deposited by DLI-CVD, for high-frequency BAW devices

• Auteur / Autrice : Sondes Boujnah
• Direction : Ausrine Bartasyte, Marta Clement Lorenzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 03/10/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques 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) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Sarry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Chatras, Bertrand Dubus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Niobate de lithium

Filtres piézoélectriques

Piézoélectricité

Mots clés libres

Couches minces

Cvd

Résonateurs BAW

Propriétés structurales

BAW resonators

Thin films

Cvd

Structural properties

Piezoelectricity

Résumé

Le développement de filtres RF à large bande fonctionnant à haute fréquence est urgent pour la mise en place de l'infrastructure de communication de la 5ème génération (5G). Le LiNbO3 est un matériau prometteur pour l'intégration dans des résonateurs/filtres à ondes acoustiques de volume (BAW) adaptés aux applications à haute fréquence en raison de ses s propriétés piézoélectriques élevées. Cependant, l'intégration de ce matériau implique généralement des techniques d’implantation ionique/polissage de monocristaux, ce qui pose des problèmes d'homogénéité d'épaisseur et donc de production à l'échelle industrielle. Dans cette thèse, nous avons étudié l'intégration de films minces de 32.8°Y-LiNbO3 à couplage élevé, déposés par DLI-CVD, dans des résonateurs BAW. Nous avons d'abord optimisé la croissance de la phase pure de LiNbO3 avec une croissance texturée (01-12). Nous avons ensuite évalué les propriétés ferroélectriques, pyroélectriques et piézoélectriques des films LN obtenus, avec des valeurs de P_s= 52 μC/cm², pi= 60 μC/m². K et e_(31,f)= -2.81 C/m², comparables à celles du monocristal de LN. Ensuite, nous avons optimisé le processus de fabrication pour l'intégration dans une structure HBAR afin d'évaluer les performances des films croît. Les HBARs ont démontré un keff2 allant jusqu'à 22,4% à une fréquence de résonance de 5,6 GHz. Pour intégrer les films croît dans des SMRs, nous avons d'abord optimisé la croissance et étudié la stabilité thermique du réflecteur de Bragg ZnO/Pt. Ce réflecteur a ensuite été utilisé pour fabriquer des SMRs basés sur le 32.8°Y-LN. La caractérisation électrique des SMRs fabriqués a montré des résonances à des fréquences dans la gamme de 5,2 à 5,7 GHz, indiquant un grand potentiel pour les applications de filtrage RF à haute fréquence.

The development of wide-band RF filters operating at high frequency is urgently needed for the implementation of the 5th generation (5G) communication infrastructure. LiNbO3 is a promising material for integration into bulk acoustic wave (BAW) resonators/filters adapted to high-frequency applications owing to its high piezoelectric properties. However, integrating this material typically involves ion-slicing/polishing techniques of single crystals, which pose challenges for thickness homogeneity and thus industrial-scale production. In this thesis, we investigated the integration of highly-coupled 32.8°Y-LiNbO3 thin films grown by DLI-CVD in BAW resonators. We initially focused on optimizing the growth of pure phase LiNbO3 with (01-12) textured growth on a LaNiO3 seed layer. We then assessed the ferroelectric, pyroelectric, and piezoelectric properties of the grown LN films, obtaining values of P_s= 52 μC/cm², pi= 60 μC/m². K and e_(31,f)= -2.81 C/m², which are comparable to those of LN single crystal. Next, we optimized the fabrication process for integration into a basic HBAR structure to evaluate the performance of the grown films. The HBARs demonstrated a keff2k up to 22.4% at a resonance frequency of 5.6 GHz. For integrating the grown films into SMRs, we first optimized the growth and studied the thermal stability of the ZnO/Pt Bragg reflector. This reflector was then used to fabricate 32.8°Y-LN based SMRs. Electrical characterization of the fabricated SMRs showed resonances at frequencies in the range of 5.2-5.7 GHz, indicating great potential for high-frequency RF filtering applications.