Technologie de films minces piézoélectriques pour filtres RF

Les communications de cinquième et sixième générations (5G et 6G) seront bénéfiques pour la société moderne, en ouvrant de larges possibilités pour l'Internet des objets, le transfert de données, la densité extrême des utilisateurs et des appareils, la communication en temps réel, les systèmes intelligents de transport (voitures autonomes) et de communication, la robotique, la fabrication complexe, les villes intelligentes, etc.

En 2020, le smartphone de nouvelle génération contient de 50 à 100 filtres radiofréquences (RF). Pour intensifier la transmission des données, il faut augmenter le nombre de bandes RF dédiées à la transmission de données, la largeur de la bande passante, ou les fréquences de travail, et aussi diminuer le temps de latence.

Les technologies de filtres RF reposent sur des dispositifs d’ondes élastiques de surface (SAW, pour Surface Acoustic Wave), ou à ondes élastiques de volume (BAW, pour Bulk Acoustic Wave). On utilise des matériaux piézoélectriques, tels que LiNbO₃ et LiTaO₃ sous forme de plaquettes monocristallines, pour les filtres SAW, et AlN sous forme de couches minces, pour les filtres BAW.

La fréquence des filtres SAW conventionnels est aujourd’hui limitée à 3,5 GHz. L’augmentation de cette fréquence nécessite l’augmentation de la vitesse de phase dans les matériaux disponibles, ainsi que la réduction de la période des électrodes interdigitées (IDT). Cette dernière est limitée à 350 nm par le recours, par l’industrie des SAW, à la lithographie I-line à la longueur d’onde UV de 365 nm. La vitesse de phase, quant à elle, peut être augmentée de manière significative par des ondes élastiques guidées dans des films minces piézoélectriques sur les substrats à haute vitesse acoustique (diamant, saphir, etc.), mais la stabilité à des densités de haute puissance est la principale limite de la technologie SAW.

Dans le cas des filtres BAW, des résonateurs acoustiques à base de couches minces exploitent les modes des ondes élastiques de volume (BAW). Pour être utilisé dans les filtres BAW large bande, un matériau piézoélectrique doit présenter un couplage électromécanique, $K^2$ , idéalement égal à deux fois la largeur relative de la bande passante du filtre (par exemple, $K^2=7\%$ pour une bande relative de 3,5 %), et un facteur de qualité, $Q$ , maximum (de préférence supérieur à 2 000 à 2 GHz). Ces paramètres sont généralement donnés par le facteur de mérite, $K^{2}Q$ , que l’on cherche le plus élevé possible pour une fréquence donnée.

Ces paramètres dépendent aussi de la conception des dispositifs BAW, de la fréquence opérationnelle, et des matériaux utilisés pour les électrodes. L’orientation des films piézoélectriques est choisie afin d’être en mesure d’exciter un mode unique.

Les films piézoélectriques d’AlN présentent le facteur de qualité conforme à la définition précédente jusqu’à 4 GHz. Les filtres BAW fondés sur des films d’AlN déposés par pulvérisation cathodique présentent des pertes d’insertion compatible avec la fonction de filtrage RF (typiquement < 2 dB). Leur résistance aux densités de puissance élevées et leur sélectivité sont améliorées par rapport aux filtres BAW à base de couches de ZnO.

La fréquence, $f$ , des filtres BAW est définie par une vitesse de phase, $v$ , et une épaisseur de film mince piézoélectrique, $h(f=v\text{/}2h)$ . Les films minces utilisés dans les filtres BAW présentent une épaisseur d’environ 1 μm. Ainsi, la fréquence des résonateurs BAW peut être facilement augmentée en réduisant l’épaisseur du film mince piézoélectrique. Cependant, une diminution du $K^2$ effectif des résonateurs BAW due à la présence d’électrodes, des couches de compensation de température, et des couches de protection, devient très significative dans le cas des couches piézoélectriques très minces (d’épaisseur inférieure à 300 nm), utilisées pour atteindre des fréquences élevées (supérieures à 4 GHz). Par conséquent, les filtres BAW à base d’AlN sont limités à des fréquences inférieures à 4 GHz, en raison d’une bande trop étroite réalisable à des fréquences plus élevées.

En outre, à haute fréquence, les pertes acoustiques des matériaux, et la puissance dissipée ont tendance à augmenter considérablements, et les tolérances de fabrication aux variations d’épaisseur et de propriétés du film deviennent très faibles. Des travaux de recherche et développement ont permis d’atteindre un couplage électromécanique doublé dans les solutions mixtes Al_1-xSc_xN (AlScN) par rapport à AlN. À cette fin, des matériaux tels que LiNbO₃ et LiTaO₃ avec des couplages électromécaniques élevés sous forme de couches minces sont aussi considérés.

À l’heure actuelle, trois techniques sont considérées pour la fabrication des couches minces LiNbO₃ et LiTaO₃ : croissance directe, collage-amincissement et implantation ionique-clivage des cristaux massifs. Des efforts sont aussi faits pour développer de nouveaux types de résonateurs, qui peuvent dépasser les limites actuelles de fréquence et de bande passante des dispositifs BAW et SAW.