Technologies de films minces piezoélectriques 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 LiNbO ₃ et LiTaO ₃ 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...