Intégration de LiNbO3 à la technologie de silicium pour des filtres RF ultra-large bande et haute fréquence – Lilit

Le LiNbO3 (LN) présente des orientations cristallines permettant exciter des ondes de volume fortement couplées. Le projet LILIT explore donc les performances acoustiques de films LN épitaxiaux. Pour intégrer les films de LN dans les dispositifs BAW, le projet LiLit doit relever les défis scientifiques et techniques suivants :
- Obtenir des films de LN texturés avec une orientation offrant un fort couplage électromécanique, sur des substrats Si avec des couches tampons amorphes (SiO2 ou miroirs de Bragg), qui empêchent la croissance texturée de LN ;
- Eviter la formation de silicates liée à l’interaction entre LN et SiO2 ou Si à haute température ;
- Réduire les contraintes thermiques des films de LN dans les hétérostructures ;
- Assurer des films de haute qualité acoustique;
- Proposer une technologie avec des modifications mineures par rapport aux technologies disponibles et compatible avec la fabrication industrielle, qui permettra l’application des couches minces de LN avec grand couplage électromécanique non seulement dans les filtres FBAR (sélectionnés comme démonstrateur), mais aussi dans les filtres SMR-BAW ou des dispositifs à ondes de Lamb ;
-Permettre de contrôler précisément une large gamme d’épaisseurs de films de LN de haute qualité pour des filtres BAW ultra large bande ou des filtres agiles fonctionnant sur de larges gammes de fréquences ;
-Concevoir des résonateurs/filtres FBAR offrant des performances extrêmes (large bande ou haute fréquence) et une dérive thermique raisonnable de la fréquence. Il a été montré dans le cadre de nos projets antérieurs, qu’il était difficile d’aborder simultanément tous ces défis en utilisant la croissance directe de couches minces de LN ou en fabriquant des couches minces à partir des monocristaux. LiLit propose donc de développer une approche originale, dans laquelle les couches de LN d’épaisseur homogène et contrôlée précisément seront intégrées sur la structure électrode/SiO2/Si.

Dans le cadre du projet LiLit, nous avons ciblé des applications pour les communications V2V (véhicule à véhicule) et V2X (véhicule à tout) à 5,89 GHz. Le potentiel des films minces de LiNbO3intégrés dans des dispositifs BAW fonctionnant à ces fréquences a été identifié par des simulations. Ainsi, la conception de filtres et de résonateurs BAW a été optimisée. Différentes approches sont considérées pour l’intégration de films de LN dans des hétérostructures sur substrats Si. La possibilité de faire croître l’orientation de LN fortement couplée sur substrat Si a été démontrée. La compatibilité chimique des films LN avec différents oxydes et des métaux a été étudiée en détail expérimentalement et par le biais de simulations thermodynamiques (en collaboration avec SIMAP, Grenoble). D’excellentes performances acoustiques ont été obtenues pour des couches LN crues sur des substrats de saphir. La 5e génération de communications nécessite des solutions compatibles avec l’industrie des filtres haute fréquence. Ainsi, une nouvelle collaboration avec Annealsys a été lancée et un réacteur de 4 pouces de l’DLI-CVD dédié à la croissance de LN a été installé à FEMTO-ST en mai 2017. Nous avons commencé à transféré le procédé de croissance de LN développé à petite échelle (réacteur PI-MOCVD) vers une machine industrielle 4 pouces de DLI-CVD (ce qui nécessite une réoptimisation des conditions de dépôt : évaporation des précurseurs, pression, composition et stoechiométrie des couches, etc.). À l’automne 2017, nous avons confirmé la possibilité de faire croitre des couches minces de LN avec une excellente qualité épitaxiale sur des substrats de saphir par DLI-CVD. Un banc pour l’inversion des domaines ferroélectriques à haute température (jusqu'à 600 ° C) a été installé à FEMTO-ST.

Les prochain développements dans le projet de LiLit seront focalisés sur l’optimisation de l’intégration des couches LN dans les structures électrode/SiO2/Si, de la procédure d’inversion des domaines ferroélectriques adapté aux couches minces LN, et de la fabrication et la caractérisation des TFBARs et des filtres. Un brevet sur la technologie de fabrication est en cours de rédaction.

Revues à comité de lecture:
1. Review “Toward high-quality epitaxial LiNbO3 and LiTaO3 thin films for acoustical and optical applications” A. Bartasyte et al., Adv. Mater. Interfaces 1600998, (36 pages) (2017).
2. “Thermoelectric La-doped SrTiO3 epitaxial layers with single-crystal qualtiy : from nano to micrometers” M. Apreutesei et al., Sci. Technol. Adv. Mater. 18, 430, (2017).
3. “Epitaxy of SrTiO3 on silicon: the knitting machine strategy” G. Saint-Girons et al., Chem. Mater. 28, 5347, (2016).
4. (Chapitre) « Direct Liquid Injection Chemical Vapor Deposition » V. Astié, et al. in « Chemical Vapour Deposition » Ed. P. Mandracci, IntechOpen (accepted)

Communications:
1. (Invité) EMRS-2018 Spring meeting, June 2018, Strasbourg, France, Engineering the properties of functional oxides and integrating them on Si and GaAs thanks to molecular beam epitaxy, G. Saint-Girons et al.
2. IC-MBE 2016 international conference, Sept 2016, Montpellier (France), Interface reactivity and epitaxial growth of SrTiO3 and other functional oxides on Si and GaAs, B. Meunier et al.
3. (Tutoriel) International Summer School on “Sustainability and Nanotechnology”, February 2018, Jaipur, India, Alkaline niobates - alternative lead-free materials for vibrational energy micro-harvesters, A. Bartasyte.
4. (Invité) ISEPD 2018, February 2018, Jaipur India, LiNbO3 thin films for high-temperature vibrational/thermal energy harvesters, A. Bartasyte et al.
5. (Tutoriel) ANF JNCO, Ecole thématique du réseau national CMDO+, Septembre, 2017, Paris, France, Guides optiques à base des couches minces de LiNbO3, A. Bartasyte.
6. (Prix meilleure presentation) ISIF, Delhi, India, December 2017, Epitaxial lift-off and 3D structuring of Rutile TiO2 films, S. Kuprenaite et al.
7. (Oral, Proceeding) IEEE-EFTF, 516, Jul. 2017, Besançon, France, Characterization of single-port SAW resonators at 3.7 GHz based on epitaxial LiNbO3 layers, A. Clairet et al.

Les produits de filtrage radiofréquence (RF), qui représentent un marché de 4.3 milliards d'Euros en 2016, sont utilisés dans les domaines de l'information/communication, des systèmes de navigation, des instruments médicaux, des appareils ménagers, des applications militaires, etc… L’évolution des systèmes de communication et l’augmentation continue de la quantité d'informations transmises par des systèmes multicanaux (4G) nécessitent d’une part d'augmenter le nombre de bandes de transmission des données (jusqu'à 8) et d’autre part d'augmenter la bande passante et/ou la fréquence de chaque canal. Pour ce faire, il faut mettre en œuvre des circuits RF plus complexes, sans pour autant augmenter la taille totale des systèmes. Les filtres RF conventionnels basés sur des SAW sont limités à des fréquences inférieures à 3,5 GHz. Il existe à l’heure actuelle, peu de perspectives pour améliorer notablement cette technologie, basée sur l’utilisation de monocristaux massifs. Les résonateurs à ondes de volume utilisant des couches minces (TFBARs) d'AlN sont limités, par leur faible couplage électromécanique (K2=7,5 %) et leur bande passante étroite, à des fréquences inférieures à 4 GHz. L’utilisation de nouveaux matériaux présentant des pertes acoustiques faibles et un plus grand K2 est ainsi nécessaire pour augmenter la bande passante des filtres RF.
Ce projet mettra l'accent sur le développement de filtres TFBARs, à base des couches minces de LiNbO3 à K2 élevé, travaillant à 5-6 GHz et/ou avec une bande passante supérieure à 10 %.
Une technologie sera développée pour obtenir des composants à bas coût, rapidement industrialisables et compatibles avec la microfabrication standard des composants TFBAR. Cette technologie sera basée sur l’obtention de couches de LiNbO3 de haute qualité, d’épaisseur contrôlée sur des substrats électrode/SiO2/Si. Cette technologie sera également utilisable pour la fabrication de dispositifs à base de SMR, SAW ou ondes de Lamb. Un effort particulier sera mis en œuvre pour (i) obtenir de meilleurs performances acoustiques sur des couches de LiNbO3 (K2 > 20 %, facteur de qualité élevé et stabilité à haute puissance) ; (ii) proposer une conception des filtres TFBAR avec une réponse monomode, des pertes < 3 dB dans la bande passante et une dérive de fréquence en température compatible avec les applications des filtres.
L'intégration des couches de LiNbO3 à la technologie de silicium serait une percée dans l’industrie de l’information et de la communications (infrastructures de téléphonie mobile 5e génération, traitement des données, Wi-Fi, etc.). Elle permettrait d'augmenter les fréquences des télécommunications de 2 - 3 GHz à 6 GHz et d'augmenter la bande passante d’un facteur 2. Cette technologie permettrait une amélioration considérable des systèmes de communication : débit de transmission plus élevé, réduction du nombre de composants.
LiLit regroupe deux laboratoires publics, un laboratoire semi-industriel et un industriel, leaders dans leurs domaines en France, pour une approche combinée et multidisciplinaire. Un tel développement technologique, accompagné par la science et la combinaison de savoir-faire à l’état de l’art, permettra l’émergence de produits de filtrage performants de nouvelle génération pour l'industrie des communications RF. Le partenariat permettra un effort collectif tendant vers cet objectif allant des matériaux avancés à la micro-fabrication de pointe et jusqu’au dispositif intelligent. LiLit contribuera également à renforcer les relations entre les secteurs académiques et industriels, relations essentielles pour le maintien et le développement de la compétitivité de l’industrie française et européenne dans le secteur hautement concurrentiel des communications RF.