Croissance de films minces piézoélectriques de ScxAl1-xN par pulvérisation cathodique pour la réalisation de dispositifs à ondes élastiques confinées, destinés à des applications haute-température

par Florian Bartoli

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Thierry Aubert.

Le président du jury était Marta Clement Lorenzo.

Le jury était composé de Laurent Le Brizoual, Thomas Baron, Cinzia Caliendo, Omar Elmazria.

Les rapporteurs étaient Laurent Le Brizoual, Thomas Baron.


  • Résumé

    Certaines industries demandent le développement d’un capteur résistant à des environnements hostiles (températures au-delà de 700°C, et atmosphères nocives), tout en permettant des mesures sans-fil. Si les dispositifs de type SAW permettent ces dernières, actuellement elle ne permet pas l’utilisation en conditions extrêmes, les matériaux les composant étant peu résistant à ces environnements. Il est possible d’encapsuler ces dispositifs dans des boîtiers pour augmenter leur viabilité, mais seulement jusqu’à 300°C. On cherche alors à réaliser un capteur auto-protégé. Il serait constitué d’une structure à trois couches, la couche centrale servant de guide à l’onde élastique. Les couches externes serviraient à confiner l’onde dans la couche guidante, et à protéger cette dernière des attaques chimiques. Cette structure est appelée WLAW (Waveguiding Layer Acoustic Wave). Dans cette thèse, on étudie l’intérêt du matériau ScAlN en tant que couche piézoélectrique, et on teste la viabilité de la structure WLAW pour notre application. Les films minces de ScAlN n’étant pas disponibles dans le commerce, nous avons développé un procédé de croissance. Des films de Sc0.09Al0.91N et Sc0.18Al0.92N ont été réalisés par pulvérisation cathodique magnétron. La microstructure des films a été déterminée par DRX, et par microscopie électronique en transmission. Des couches minces de ScAlN hétéro-épitaxiées ont été obtenues. Le comportement de dispositifs Sc0.09Al0.91N/saphir ont été testés jusqu’à 575°C. La réalisation d’un dispositif WLAW a aussi été effectuée, en utilisant des substrats de GaN/Saphir achetés dans le commerce. Des simulations ont permis de déterminer une structure AlN/GaN/Saphir pouvant confiner l’onde. Le bon confinement de l’onde dans le matériau piézoélectrique (ici le GaN), ainsi que la viabilité d’une telle structure à la température a été vérifié.

  • Titre traduit

    Piezoelectric ScxAl1-xN thin films growth by cathodic reactive magnetron sputtering, for the realization of confined wave devices, for high temperature applications


  • Résumé

    Some industries require the development of a sensor that is resistant to hostile environments (temperatures above 700°C, and aggressive atmospheres), while allowing wireless measurements. While SAW-type devices allow these measurements, it currently does not allow for use in extreme conditions, as the materials are not resistant to these environments. These devices can be encapsulated in packages to increase their viability, but only up to 300°C. We then try to make a self-protected sensor. It would consist of a three-layer structure, the central layer serving as a guide to the acoustic wave. The outer layers would serve to confine the wave in the guiding layer and protect it from chemical attack. This structure is called WLAW (Waveguiding Layer Acoustic Wave). In this thesis, we study the interest of the ScAlN material as a piezoelectric layer, and we test the viability of the WLAW structure for our application. Since thin ScAlN films are not commercially available, we have developed a growth process. Films of Sc0.09Al0.91N and Sc0.18Al0.92N were made by cathodic magnetron sputtering. The microstructure of the films was determined by XRD, and by transmission electron microscopy. Thin layers of hetero-epitaxial ScAlN were obtained. The behavior of Sc0.09Al0.91N/Sapphire devices were tested up to 575°C. The realization of a WLAW device was also carried out, using commercially purchased GaN/Sapphire substrates. Simulations have determined an AlN/GaN/Sapphire structure that can confine the wave. The proper containment of the wave in the piezoelectric material (here the GaN), as well as the viability of such a structure at temperature has been verified.


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