Brevet FR3136325A1 — publié le 20231208

L’invention concerne un dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite (2) qui comprend une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique(7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S); - au moins un transducteur électroacoustique formé sur dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat composite comprend une couche additionnelle (6) intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (7), la couche additionnelle (6) étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique. Figure 1 DISPOSITIF A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs à ondes élastiques de surface. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface formé sur un substrat composite qui comprend une couche de matériau piézoélectrique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface et pour lequel les modes parasites sont atténués. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Initialement fabriqués sur des substrats massifs de matériau piézoélectrique monocristallin (ci-après « substrat massif »), les filtres à ondes élastiques de surface (« SAW filter » ou « Surface Acoustic Wave filter », selon la terminologie Anglo-Saxone) mettent désormais en œuvre des substrats piézoélectriques sur isolant (ci-après nommés « POI » pour Piezoelectric-On-Insulator). Ces derniers comprennent notamment, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support. La couche de piégeage, généralement en silicium polycristallin permet de limiter les pertes radiofréquence dans le substrat support. La couche de piégeage comprend avantageusement un matériau semi-conducteur qui présente une résistivité électrique supérieure à 1kΩ.cm, avantageusement comprise entre 2kΩ.cm et 5kΩ.cm. Ces substrats POI, contrairement aux substrats massifs, permettent de répondre à certaines exigences en termes de sensibilité à la température des modes guidés dans la couche de matériau piézoélectrique. Notamment, le substrat support joue le rôle de raidisseur et permet de limiter la dilatation thermique et d’influer sur le comportement thermoélastique de la couche de matériau piézoélectrique. Ainsi, de manière générale, un mode élastique de surface se propageant sur un substrat POI présente un coefficient de température de la fréquence (« TCF » ou « Temperature coefficient of Frequency » selon la terminologie Anglo-Saxonne) relativement faible, et notamment inférieur à 10 ppm.K -1 , dans une gamme de fréquences qui s’étend de 1,4 GHz à 2,4 GHz. La fabrication des substrats POI peut mettre en œuvre un procédé dit « SmartCut™ » bien connu du domaine de la micro-électronique, notamment pour la fabrication des substrats de silicium sur isolant. A cet égard, le document [1] cité à la fin de la description propose de transférer une couche de matériau piézoélectrique, et plus particulièrement de LiNbO 3 (ci-après « LNO »), sur un substrat de silicium selon le procédé SmartCut™. Le document [2] cité à la fin de la description divulgue également la mise en œuvre d’un substrat POI pour la fabrication d’un filtre à ondes élastiques de surface. Le filtre à ondes élastiques de surface décrit dans ce document comprend une couche miroir formée d’une alternance de couches à impédances acoustiques faible et élevée. Toutefois, la mise en œuvre d’une couche de piégeage n’est pas sans conséquences sur le comportement spectral d’un filtre à ondes élastiques de surface formé sur un tel substrat. En effet des mode parasites sont susceptible d’être observés lors du fonctionnement du filtre considéré. Un but de la présente invention est donc de proposer un filtre à ondes élastiques de surface formé à partir d’un substrat POI qui permet de limiter l’apparition des modes parasites. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention concerne un dispositif à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support, la couche de piégeage comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ; - au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique ; le dispositif à ondes élastiques de surface étant remarquable en ce que le substrat composite comprend en outre une couche additionnelle intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique et la couche de matériau diélectrique, la couche additionnelle étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique. A titre d'exemple, la densité de défauts prédéterminée pourra être comprise entre 10 19 et 10 21 cm-3 (par exemple, dans le cas d'une couche de piégeage en silicium polycristallin). De manière avantageuse, la couche de piégeage comprend un matériau poreux ou polycristallin. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle est associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui associé à la couche de matériau diélectrique. De manière avantageuse, la couche additionnelle est associée à un coefficient de température de la fréquence négatif. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche additionnelle de matériau diélectrique comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al 2 O 3 , AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO 3 , SiC. L’invention concerne également un autre dispositif à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite qui comprend, d’une face avant vers une face arrière, une couche de matériau piézoélectrique, une couche de matériau diélectrique, une couche de piégeage et un substrat support, la couche de piégeage comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ; - au moins un transducteur électroacoustique formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique ; le dispositif à ondes élastiques de surface étant remarquable en ce que le substrat support comprend un substrat de silicium présentant une orientation du type 110. A titre d'exemple, la densité de défauts prédéterminée pourra être comprise entre 10 19 et 10 21 cm-3 (par exemple, dans le cas d'une couche de piégeage en silicium polycristallin). De manière avantageuse, la couche de piégeage comprend un matériau poreux ou polycristallin. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de piégeage comprend du silicium poly cristallin et présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm, avantageusement supérieure à 1000 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau diélectrique comprend du dioxyde de silicium. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm. Selon un mode de mise en œuvre, la couche de matériau piézoélectrique comprend l’un ou l’autre du LiTaO 3 et du LiNbO 3 . Selon un mode de mise en œuvre, le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 60°, avantageusement compris entre 15° et 50°. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : La est une représentation schématique d’un dispositif à ondes élastiques de surface selon un plan de coupe perpendiculaire à une face principale du substrat support du substrat POI conforme aux principes de la présente invention ; la représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un premier résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 750 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ; La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du premier résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ; La représente les conductances théorique « G th » et expérimentale « G exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les résistances théorique « R th » et expérimentale « R exp » (axe vertical de droite en Ohm) d’un deuxième résonateur dont la fréquence de résonance est égale à 940 MHz, en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ; La représente les susceptances théorique « X th » et expérimentale « X exp » (axe vertical de gauche en S), ainsi que les réactances théorique « B th » et expérimentale « B exp » (axe vertical de droite en Ohm) du deuxième résonateur en fonction de la fréquence (axe horizontal en MHz) ; La représente de manière graphique la conductance G (axe vertical de gauche, en S/m) et la susceptance B (axe vertical de droite, en S/m) d’un résonateur à ondes élastiques de surface formé à partir du substrat POI standard et d’un substrat POI selon la présente invention, en fonction de la fréquence (axe horizontal, en MHz), focalisé sur le mode parasite dont on souhaite s’affranchir selon l’invention. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique(7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S), la couche de piégeage (8) comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ; - au moins un transducteur électroacoustique (9, 10) formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat composite comprend en outre une couche additionnelle (6) intercalée entre la couche de matériau piézoélectrique (5) et la couche de matériau diélectrique (7), la couche additionnelle (6) étant choisie de sorte que la vitesse de phase d’une onde élastique dans ladite couche additionnelle soit supérieure aux vitesses de phase de la même onde élastique dans l’une et l’autre de la couche de matériau diélectrique et de la couche de matériau piézoélectrique. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1, dans lequel la couche additionnelle (6) est associée à un coefficient de température de la fréquence de signe opposé à celui associé à la couche de matériau diélectrique (7). Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche additionnelle (6) présente, pour des fréquences inférieures à 1 GHz, une impédance acoustique supérieure ou égale à celle de la couche de matériau diélectrique (7). Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche additionnelle (6) présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 300 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche additionnelle (6) comprend au moins un des matériaux choisi parmi : SiN, Al 2 O 3 , AlN, Carbone diamant, GaN, LiNbO 3 , SiC. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface qui comprend : - un substrat composite (2) qui comprend, d’une face avant (3) vers une face arrière (4), une couche de matériau piézoélectrique (5), une couche de matériau diélectrique (7), une couche de piégeage (8) et un substrat support (S), la couche de piégeage (8) comprenant une densité de défauts supérieure à une densité de défauts prédéterminé, la densité de défauts prédéterminée étant une densité de défauts pour laquelle la résistivité de la couche de piégeage (8) est supérieure ou égale à 10 kΩ pour des températures comprises entre -20°C et 120°C ; - au moins un transducteur électroacoustique (9, 10) formé sur et/ou dans la couche de matériau piézoélectrique (5) ; le dispositif (1) à ondes élastiques de surface étant caractérisé en ce que le substrat support (S) comprend un substrat de silicium présentant une orientation du type 110. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de piégeage (8) comprend du silicium polycristallin et présente une épaisseur comprise entre 400 nm et 2000 nm, avantageusement supérieure à 1000 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche de matériau diélectrique (7) présente une épaisseur supérieure à 300 nm, avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 600 nm, encore plus avantageusement d’une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la couche de matériau diélectrique (7) comprend du dioxyde de silicium. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 1000 nm, avantageusement supérieure à 700 nm, encore plus avantageusement supérieure à 800 nm. Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la couche de matériau piézoélectrique (5) comprend l’un ou l’autre du LiTaO 3 et du LiNbO 3 . Dispositif (1) à ondes élastiques de surface selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le matériau formant la couche de matériau piézoélectrique (5) présente un angle de coupe (YX)/θ avec θ compris entre 10° et 60°, avantageusement compris entre 15° et 50°.