Brevet FR3135868A1 — publié le 20231124

L'invention porte sur un dispositif (200) à ondes de surface comprenant un substrat (210) ; une couche piézoélectrique (240) au-dessus d’une face supérieure du substrat ; une paire d’électrodes (250A, 250B) en contact avec la couche piézoélectrique, les deux électrodes comprenant des doigts (252A, 252B) s’étendant selon une même direction de manière à former une structure périodique dans laquelle les doigts des deux électrodes alternent les uns avec les autres, et présentant une distance interdigitale (2p) séparant des centres de deux doigts adjacents d’une même électrode ; une couche métallique (220) interposée entre le substrat et la couche piézoélectrique ; et une couche diélectrique (230) interposée entre la couche métallique et la couche piézoélectrique, dispositif dans lequel la couche métallique présente une épaisseur comprise entre 5 nm et 100 nm et la couche diélectrique présente une épaisseur comprise entre 25 nm et 600 nm. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 2 DISPOSITIF A ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE INTEGRANT UNE COUCHE MINCE DE MATERIAU METALLIQUE Le domaine de l’invention est celui des dispositifs à ondes élastiques de surface (SAW pour Surface Acoustic Wave en terminologie anglaise) à structures composites intégrant une couche mince de matériau piézoélectrique reposant sur un substrat semi-conducteur. Les dispositifs à ondes élastiques de surfaces, ou dispositifs SAW, sont employés dans de nombreuses applications, et en particulier dans les applications électroniques où ils forment l’élément central de filtres, d’oscillateurs, de lignes de retard ou encore de transformateurs. Les matériaux piézoélectriques génèrent une tension électrique lorsqu'ils sont déformés sous l’action d’une contrainte mécanique, et, réciproquement, se déforment lorsqu'une tension électrique leur est appliquée. Par conséquent, lorsqu'un signal électrique alternatif est appliqué à une ou plusieurs électrodes en contact avec le matériau piézoélectrique, un signal mécanique correspondant (c'est-à-dire une oscillation ou une vibration) est généré au niveau de ce matériau piézoélectrique : le signal électrique est traduit en un signal mécanique. Le signal mécanique traduit dans le matériau piézoélectrique présente une dépendance en fréquence par rapport au signal électrique alternatif, dépendance qui est fonction des caractéristiques de la ou des électrodes, des propriétés du matériau piézoélectrique et d'autres facteurs tels que la forme du dispositif à ondes élastiques et d'autres structures constituant le dispositif. Les dispositifs à ondes élastiques exploitent cette dépendance en fréquence pour fournir une ou plusieurs fonctions au moyen de résonateurs à ondes élastiques de surface (SAW) ou transducteurs SAW, qui sont de plus en plus utilisés pour former, par exemple, des filtres dits « filtres SAW » mis en œuvre dans la transmission et la réception de signaux RF pour des applications dans la télécommunication. Un filtre SAW comprend au moins un transducteur SAW, connecté potentiellement à d’autres transducteurs de façon à réaliser une fonction de filtrage entre un port d’entrée et un port de sortie. De manière non limitative, un filtre SAW comprend typiquement un transducteur SAW d’entrée et un transducteur SAW de sortie formés sur un même élément piézoélectrique, le transducteur SAW d’entrée générant des ondes élastiques de surface à partir d’un signal électrique arrivant, le transducteur SAW de sortie recevant l’onde élastique de surface et la convertissant en un signal électrique sortant. La géométrie et les dimensions des transducteurs, les types et les formes des matériaux utilisés conditionnent les caractéristiques du filtre SAW telles que les facteurs de couplage et de réflexion, les facteurs de qualité Q à la résonance ou à l’anti-résonance, la bande passante, les réponses parasites, la suppression de hauts ordres de résonances, ou encore la dépendance en température. Le brevet US 10,938,367 B2 divulgue un transducteur SAW interdigité 100 (IDT en terminologie anglaise, pour Inter Digital Transducer), illustré par la , avec une vue d’en haut en A) et une vue en coupe selon le plan XX’ en B). Le transducteur SAW interdigité 100 comprend une couche piézoélectrique 140 reposant sur un substrat 110, une paire d’électrodes 150A et 150B en contact avec une surface de la couche piézoélectrique 140, une couche métallique 120 interposée entre le substrat 110 et la couche piézoélectrique 140, et une couche diélectrique 130 interposée entre la couche métallique 120 et la couche piézoélectrique 140. Les électrodes 150A et 150B comprennent respectivement des doigts 152A et 152B s’étendant selon une même direction D de manière à former une structure périodique de période 2p selon une direction perpendiculaire à la direction D, dans laquelle les doigts des deux électrodes sont placés en alternance, de manière conventionnelle. La couche diélectrique et la couche métallique interposées entre la couche piézoélectrique et son substrat permettent d’améliorer le comportement du transducteur, et plus particulièrement de limiter l’apparition de réponses parasites, les pertes induites liés aux propriétés du substrat et des effets d’interfaces au sein de l’empilement. Cependant, les informations divulguées par le brevet US 10,938,367 B2 restent insuffisantes en vue d’applications pratiques requérant des caractéristiques particulières et/ou de hauts niveaux de performance pour un transducteur SAW. Un but de l’invention est de caractériser des dispositifs à ondes de surface de manière à leur donner des paramètres opérationnels suffisants pour les mettre en œuvre dans des applications pratiques, au-delà des simples principes de fonctionnement de l’art antérieur. A cet effet, l’invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface comprenant un substrat ; une couche piézoélectrique au-dessus d’une face supérieure du substrat ; une paire d’électrodes en contact avec la couche piézoélectrique, les deux électrodes comprenant des doigts s’étendant selon une même direction de manière à former une structure périodique dans laquelle les doigts des deux électrodes alternent les uns avec les autres, et présentant une distance interdigitale séparant les centres de deux doigts adjacents d’une même électrode ; une couche métallique interposée entre le substrat et la couche piézoélectrique ; et au moins une couche diélectrique interposée entre la couche métallique et la couche piézoélectrique, dispositif dans lequel la couche métallique présente une épaisseur comprise entre 5 nm et 100 nm et la (ou les) couche(s) diélectrique(s) présente(nt) une épaisseur comprise entre 25 nm et 600 nm. Un tel dispositif représente l’aboutissement d’un compromis apte à être mis en œuvre en tant que dispositif à ondes élastiques bénéficiant des effets positifs de blindage électromagnétique d’une couche métallique interposée entre la couche piézoélectrique et le substrat de cette dernière, tout en maintenant d’excellentes performances en termes de vitesse de phase, de coefficient de réflexion et de coefficient de couplage électromécanique k S ² dans la structure du dispositif. Selon d'autres caractéristiques non limitatives de l'invention, prises seules, ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - la couche métallique peut présenter une épaisseur comprise entre 0,25% et 5% de la distance interdigitale ; - la couche diélectrique peut présenter une épaisseur comprise entre 250 nm et 400 nm ; - la couche diélectrique peut présenter une épaisseur supérieure à cinq fois l’épaisseur de la couche métallique ; - la couche diélectrique peut présenter une épaisseur inférieure à 200 nm ; - une couche diélectrique optionnelle peut être interposée entre le substrat et la couche métallique ; - la couche diélectrique et la couche diélectrique optionnelle peuvent avoir chacune une épaisseur inférieure à 300 nm ; - la somme de l’épaisseur de la couche diélectrique et de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle est inférieure à 200 nm ; - le rapport de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle sur la somme de l’épaisseur de la couche diélectrique et de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle peut être compris entre 15% et 30% ; - la couche piézoélectrique peut comprendre une juxtaposition d’une couche de tantalate de lithium LiTaO 3 et d’une couche de niobate de lithium LiNbO 3 ; et - la couche métallique comprend des surfaces métallisées séparées d’une distance inférieure ou égale à la distance interdigitale. L’invention s’étend à un dispositif de filtrage comprenant le dispositif à ondes élastiques de surface. L’invention porte également sur un procédé de fabrication du dispositif comprenant une étape de collage direct. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : La illustre schématiquement un transducteur SAW interdigité déjà connu, en vue plane et en coupe ; La illustre schématiquement un transducteur SAW interdigité selon l’invention, en vue plane et en coupe ; La comprend deux graphes illustrant l’effet de la présence d’une couche métallique dans un transducteur SAW interdigité ; La comprend quatre graphes illustrant des grandeurs caractéristiques du transducteur de la en fonction de l’épaisseur de la couche métallique 220 ; La comprend quatre graphes illustrant chacun la conductance et l’admittance d’une structure similaire à celle de la en fonction des surfaces métalliques en vis-à-vis ; La comprend six graphes illustrant l’admittance harmonique pour différentes épaisseurs de la couche diélectrique du transducteur de la ; La comprend quatre graphes illustrant des grandeurs caractéristiques du transducteur de la en fonction de l’épaisseur de la couche de diélectrique 230 ; La illustre une variante dans la structure du transducteur de la , avec une couche diélectrique optionnelle 330 ; La illustre un dispositif à ondes acoustiques comprenant deux transducteurs correspondant à celui de la ou à celui de la ; La comprend six graphes illustrant l’admittance harmonique pour différentes combinaisons d’épaisseurs des couches diélectriques 230 et 330 du transducteur de la ; et La illustre un procédé de fabrication des dispositifs des figures 2 et 8. La illustre une couche métallique discontinue. Dispositif (200) à ondes élastiques de surface comprenant : - un substrat (210) ; - une couche piézoélectrique (240) au-dessus d’une face supérieure du substrat (210) ; - une paire d’électrodes (250A, 250B) en contact avec la couche piézoélectrique, les deux électrodes comprenant des doigts (252A, 252B) s’étendant selon une même direction (D) de manière à former une structure périodique dans laquelle les doigts des deux électrodes alternent les uns avec les autres, et présentant une distance interdigitale (2×p) séparant des centres de deux doigts adjacents d’une même électrode ; - une couche métallique (220) interposée entre le substrat et la couche piézoélectrique ; et - au moins une couche diélectrique (230) interposée entre la couche métallique et la couche piézoélectrique, le dispositif étant caractérisé en ce que : - la couche métallique (220) présente une épaisseur comprise entre 5 nm et 100 nm ; et - la au moins une couche diélectrique (230) présente une épaisseur comprise entre 25 nm et 600 nm. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 1, dans lequel la couche métallique présente une épaisseur comprise entre 0,25% et 5% de la distance interdigitale. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 et 2, dans lequel la couche diélectrique présente une épaisseur comprise entre 250 nm et 400 nm. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 et 2, dans lequel la couche diélectrique présente une épaisseur supérieure à cinq fois l’épaisseur de la couche métallique. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 et 2, dans lequel la couche diélectrique présente une épaisseur inférieure à 200 nm. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, comprenant en outre une couche diélectrique optionnelle (330), interposée entre le substrat (210) et la couche métallique (220). Le dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 6, dans lequel la couche diélectrique (230) et la couche diélectrique optionnelle (330) ont chacune une épaisseur inférieure à 300 nm. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 6, dans lequel la somme de l’épaisseur de la couche diélectrique (230) et de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle (330) est inférieure à 200 nm. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon la revendication 6, dans lequel le rapport de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle (330) sur la somme de l’épaisseur de la couche diélectrique (230) et de l’épaisseur de la couche diélectrique optionnelle (330) est compris entre 15% et 30%. Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 9, dans lequel la couche piézoélectrique comprend une juxtaposition d’une couche de tantalate de lithium LiTaO 3 et d’une couche de niobate de lithium LiNbO 3 . Le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 10, dans lequel la couche métallique (220) comprend des surfaces métallisées séparées d’une distance inférieure ou égale à la distance interdigitale. Dispositif (900) de filtrage à ondes élastiques de surface comprenant le dispositif à ondes élastiques de surface selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 11. Procédé (1100) de fabrication du dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 12, comprenant une étape (1150) de collage direct.