Matériaux piézoélectriques et électrodes

2.15 ( m o r C C C =

Ce facteur sert à comparer les performances de résonateurs. Les pertes d’insertion d’un filtre construit à partir de résonateurs dépendent directement de ce facteur de mérite. Plus il est élevé moins les pertes d’insertion le sont. La raideur de la zone de transition augmente aussi avec ce facteur de mérite [5]. Le rapport de capacité Cr est très important dans les oscillateurs à résonateur. Un rapport élevé rend plus faible la sensibilité de la fréquence d’oscillation par rapport à la variation d’une capacité de charge.

Pratiquement, les résonateurs BAW sont implémentés sur un substrat. Les électrodes ont aussi une épaisseur non-négligeable. Il convient donc de minimiser leurs influences sur les performances des résonateurs (fréquence de résonance et facteurs de qualité et de couplage). Par exemple, le substrat doit être isolé acoustiquement du résonateur pour minimiser les pertes associées. Ces pertes acoustiques dans le substrat ont un effet non négligeable sur le coefficient de couplage et le facteur de qualité. Les pertes acoustiques et électriques dans les électrodes devraient aussi être optimisées afin d’avoir des facteurs de qualité et de couplage élevés. Ces électrodes peuvent également réduire considérablement les fréquences de résonances série et parallèle. Il convient donc de garder une attention particulière lors de leur conception. La prise en considération du substrat et des pertes dans les électrodes conduit au circuit équivalent BVD d’un résonateur BAW représenté sur la Figure 2.4. L_m R_m C_m R_o C_o R_S1 R_S2 R_Sub C_sub C_ox Electrode supérieure Electrode inférieure Substrat L_m R_m C_m R_o C_o R_S1 R_S2 R_Sub C_sub C_ox Electrode supérieure Electrode inférieure Substrat

Figure 2.4: Modèle BVD d’un FBAR en tenant compte des parasites liés au substrat et aux électrodes.

2.1.3 Matériaux piézoélectriques et électrodes

2.1.3.1 Matériaux Piézoélectriques

On rencontre plusieurs matériaux ayant des propriétés piézoélectriques : AlN, ZnO,

PZT, CdS, LiNbO₃, et KNbO₃ [6]. Le Tableau 1 montre les propriétés de certains de ces

éléments souvent utilisés pour les résonateurs BAW radiofréquences. Les principales caractéristiques sont les coefficients de couplage et de qualité du matériau. Le coefficient de couplage détermine directement la bande passante et les pertes d’insertion des filtres ainsi que la sensibilité de la fréquence d’un oscillateur à résonateur par rapport à la

Chapitre2 : FBARs et leurs applications dans les émetteurs et les récepteurs

variation d’une capacité de charge. Le facteur de qualité détermine les pertes d’insertion et la raideur de la bande de transition dans les filtres ainsi que le bruit de phase dans les oscillateurs. Nous reviendrons sur ces points dans les chapitres suivants. En terme de bande passante, le PZT a le coefficient de couplage le plus élevé, mais son facteur de qualité est médiocre. De plus, il n’est pas compatible avec la technologie CMOS [7]. Le nitrure d’aluminium a des pertes acoustiques intrinsèques faibles et donc un facteur de qualité meilleur que l’oxyde de zinc et le PZT. Il faut rajouter aussi le fait que sa vitesse de dépôt est aussi plus élevée [7]. Ce qui est un critère important pour la fabrication en masse.

Propriétés AlN ZnO PZT

Densité volumique (kg/m³) 3260 5665 7550 Vitesse acoustique (m/s) 11550 6080 4000-6000 Coefficient de couplage kt² (%) 6.5 7.5 8-15 Pertes acoustiques (dB/µm) @ 1GHz ~5 8.3 400-2100 Facteur de qualité Q 2000 >1000 22-125 Impédance acoustiques (10⁷ kg/m²s) _{3 .7} Permittivité relative εr 9.5 7.5 80-400 Résistivité (Ω.cm) 10¹³ 10⁷ 10⁹ TCF (ppm/K) −25 −60 −108 Conductivité thermique (W/K.m) ₂₀₀

Tableau 1: Propriétés acoustique et électriques des quelques matériaux piézoélectriques.

Les autres propriétés telles que la vitesse acoustique, la permittivité, les pertes diélectriques, la résistivité, la stabilité chimique et enfin la compatibilité avec les procédés de fabrication microélectronique (CMOS et BiCMOS) sont aussi d’une grande importance dès que l’intégration avec d’autres circuits silicium est envisagée. Des vitesses acoustiques élevées sont désirables pour les résonateurs destinés aux fréquences supérieures à 5 GHz. En effet, comme l’épaisseur de la couche piézoélectrique est proportionnelle à la vitesse acoustique et inversement proportionnelle à la fréquence (voir équation (2.1)), l’épaisseur de la couche piézoélectrique sera moins fine pour un matériau à forte vitesse acoustique. Rappelons déjà qu’à 5 GHz, l’épaisseur du film piézoélectrique n’est que de quelques centaines de nanomètres. Le dépôt d’une couche moins fine est beaucoup plus facile à contrôler que celle d’une couche fine, d’où une meilleure précision sur la fréquence de résonance. De plus, les propriétés piézoélectriques du film tendent à se détériorer pour des épaisseurs très minces [8]. Les pertes par conduction sont faibles pour un matériau à forte résistivité. De faibles pertes diélectriques sont souhaitables afin d’avoir un facteur de qualité parallèle élevé. Le nitrure d’aluminium AIN a une résistivité très élevée et des pertes diélectriques faibles, ce qui donne un facteur de qualité parallèle élevé. Il possède une bonne conductivité thermique ce qui lui permet d’évacuer facilement la chaleur et donc de pouvoir traiter des puissances conséquentes. Les filtres discrets sont, en général, conçus

pour avoir une impédance en entrée et sortie de 50 Ω. Une telle valeur d’impédance exige

une capacité parallèle C_o faible. D’après l’expression de C_o donnée par l’équation (2.2) et comme l’épaisseur d est faible à des fréquences supérieure à 5 GHz, il est approprié d’avoir une permittivité peu élevée afin de maximiser la surface A du résonateur. Un rapport faible largeur ou surface sur épaisseur du résonateur provoque des modes latéraux parasites. Le

coefficient thermique de l’AlN est de −25 ppm/°C inférieur à celui du ZnO qui est de

−60 ppm/°C, ce qui lui confère moins de sensibilité sur sa fréquence de résonance par

rapport à la température. L’AlN est compatible avec la technologie CMOS, alors que le ZnO l’est peu car le zinc introduit des pièges profonds dans le silicium.

Chapitre 2 : Résonateurs à ondes acoustiques de volume

39 Une vitesse acoustique élevée, de faibles pertes acoustiques et un facteur de couplage acceptable font de l’AlN un matériau de choix pour les résonateurs BAW et plus particulièrement ceux fonctionnant à 5 GHz et plus. Sa compatibilité avec la technologie CMOS font de lui le meilleur matériau pour l’intégration en « above-IC ». Le film AlN peut être élaboré sur différentes types d’électrodes (Al, Ti, Pt, Mo, Au). Il peut être déposé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [9], MOCVD (metal-organic CVD) [10], épitaxie par jet moléculaire (MBE), et pulvérisation (RF, magnétron, DC pulsé). L’orientation du film doit être selon l’axe <002> pour avoir de bonnes propriétés piézoélectriques. En effet, la qualité et l’orientation du film sont d’une importance capitale pour le coefficient de couplage. Un coefficient de couplage sera faible pour un film mal orienté et de moindre qualité. Une corrélation existe entre la désorientation et le facteur de couplage [11, 12]. La désorientation doit être inférieure à 3,5° pour avoir un bon facteur de

couplage. L’orientation dépend largement du substrat de départ (Platine, Molybdène, SiO₂)

sur lequel le film est élaboré [13]. 2.1.3.2 Electrodes

L’électrode inférieure doit offrir la possibilité d’accroître une couche piézoélectrique de très bonne qualité. A cet égard, la qualité et le type de l’électrode inférieure sont très importants. En effet, ils sont déterminants pour la qualité et l’orientation de la couche piézoélectrique [14]. De plus, elle doit présenter une résistivité faible aux fréquences de travail afin de minimiser les pertes ohmiques et ainsi ne pas dégrader le facteur de qualité. Parmi les matériaux utilisés comme électrode, on trouve l’aluminium (Al), molybdène (Mo), platine (Pt), cuivre (Cu), or (Au), Cr (Chrome), et ruthénium (Ru). Le Tableau 2 résume les propriétés de certains d’entre eux. Les valeurs données de la résistivité sont celles des matériaux volumiques. Pour les films minces utilisés pratiquement dans les BAW, les résistivités sont largement plus élevées. En général, la résistivité d’un film augmente lorsque son épaisseur diminue. La densité volumique, la vitesse, et le facteur de qualité (pertes acoustiques) sont aussi importants pour le choix de l’électrode. Concernant la densité, un matériau de densité élevée charge un peu plus le résonateur qu’un matériau de faible densité pour une même épaisseur. Le chargement du résonateur réduit sa fréquence de résonance et en fonction de la densité, la sensibilité de la fréquence par rapport à l’épaisseur de l’électrode diffère. D’une densité faible résultera une sensibilité faible, ce qui permet de déposer une couche épaisse sans avoir beaucoup d’influence sur la fréquence de résonance. Une couche épaisse est plus facile à contrôler lors du dépôt et présente une résistivité plus faible qu’une couche moins épaisse. Comme pour la couche piézoélectrique, une vitesse acoustique élevée est aussi souhaitée pour les électrodes. Ceci est notamment vrai pour les résonateurs destinés aux fréquences élevées (5 GHz et plus). En effet, avec des matériaux ayant des vitesses élevées, des couches assez épaisses peuvent être réalisées sans faire chuter la fréquence de résonance. Les électrodes doivent présenter des pertes acoustiques faibles (facteur de qualité élevé) pour ne pas dégrader le facteur de qualité intrinsèque du résonateur. L’or par exemple, malgré sa faible résistivité, n’est pas utilisé à cause de ses pertes et de sa faible vitesse acoustique. L’impédance acoustique de l’électrode doit être plus grande que celle du matériau piézoélectrique [14]. Vu leurs impédances acoustiques élevées et leurs faibles pertes acoustiques, densités et résistivités, le Molybdène et Ruthénium sont des matériaux qui conviennent mieux pour les résonateurs 5 GHz et au delà.

Chapitre2 : FBARs et leurs applications dans les émetteurs et les récepteurs Propriétés Al Au Mo Pt W Ti Ru Densité (kg/m³) 2700 19320 10220 21450 19300 4540 12370 Vitesse acoustique (m/s) 6490 3361 6408 4230 5231 7100 Facteur de qualité 500 300 200 Impédance acoustique (10⁷ kg/m²s) _{1.75 6.55 6.56 9.09 9 .78} Résistivité (µΩ.cm) 2.65 2.35 5.34 10.6 5.4 42 7.5 Tableau 2 : Propriétés de quelques matériaux utilisés comme électrode dans les résonateurs BAW.

En conclusion, sur les électrodes, on peut dire qu’en plus du choix du matériau, l’épaisseur des électrodes doit être optimisée afin d’obtenir des résonateurs de bonnes caractéristiques (facteur de couplage suffisant, facteur de qualité élevé, et fréquence de résonance souhaitée) [14, 15, 16, 17].