Transducteur à domaines ferroélectriques pour la réalisation de composants passifs permettant le traitement du signal radiofréquence à 5GHz

par Alexandre Matic

Projet de thèse en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Thomas Baron et de Jean-Jacques Boy.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de Département Temps Fréquence (equipe de recherche) depuis le 05-10-2016 .


  • Résumé

    Résumé du sujet de thèse : Transducteur à domaines ferroélectriques pour la réalisation de composants passifs permettant le traitement du signal radiofréquence à 5GHz Le besoin pour des sources de fréquences et filtres dans les bandes de fréquence VHF (30 – 300 MHz), UHF (300 MHz – 3 GHz) et SHF (3 – 30 GHz) n'a cessé de croître depuis le début des années 80, en particulier dans les domaines des télécommunications (téléphonie, GPS…), de la défense (, de l'aéronautique/aérospatial et de l'interrogation à distance (Smart Grid, Internet of things). Dans ces plages de fréquences, les composants passifs électro-acoustiques à base d'ondes de surface (Surface Acoustic Wave, SAW) ou d'ondes de volume (Bulk Acoustic Wave, BAW) jouent un rôle clé du fait de leurs performances (facteur de qualité, stabilité en température et en puissance…), et de leurs possibilités de miniaturisation. Néanmoins, la montée en fréquence de ces composants au-dessus de 3 GHz est très délicate et de plus en plus complexe d'un point de vue technologique et structurel. L'objectif de la thèse est de réaliser des composants à ondes élastiques à base de transducteurs ferroélectriques à domaines périodiques dont la fréquence de fonctionnement atteint voire dépasse 5 GHz. Si la faisabilité de telles structures a déjà été démontrée par de précédents travaux, les fréquences atteintes n'ont, à ce jour, pas pu dépasser 1,2 GHz. Par ailleurs, les aspects d'adaptation d'impédances n'ont jamais été traités pour de telles structures. Selon les travaux déjà effectués et leurs excellentes propriétés acoustiques, les matériaux de type ABO3 tels que le niobate de lithium (LiNbO3) ou le tantalate de lithium (LiTaO3) sont pressentis pour être à la base de ces dispositifs. En fonction de l'avancée de la thèse et des résultats obtenus, d'autres matériaux ferroélectriques pourront éventuellement être étudiés (BaTiO3 – KnbO3…). Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet FEDER SMART-INN, dans lequel cinq sociétés industrielles (AR Electronique, Digital Surf, my OCCS, Snowray et Frec|n|Sys) se sont associées à l'institut FEMTO-ST et à la plateforme technologique Cristal-Innov (en région Rhône-Alpes) afin de regrouper leurs connaissances et mutualiser leurs moyens technologiques pour proposer de nouvelles solutions dans le domaine des composants passifs RF. La première partie de la thèse concernera l'identification des structures de test permettant la montée en fréquence et le traitement de la problématique de l'adaptation d'impédances. L'utilisation d'un logiciel développé au sein de l'équipe nous permettra alors de développer des modélisations physiques pour guider cette identification. La deuxième partie de la thèse traitera de la réalisation technologique des structures préalablement identifiées. Elles seront réalisées dans un premier temps à partir de substrats de niobate de lithium pour lequel nous avons une bonne maîtrise de leurs procédés de fabrication ; le tantalate de lithium sera lui étudié dans un deuxième temps, avec éventuellement d'autres matériaux ferroélectriques. Tous ces dispositifs seront réalisés au sein de la centrale MIMENTO qui fait partie du réseau RENATECH, avec les outils traditionnels de microfabrication en salle blanche (Photolithographie, Gravure et Dépôt) ainsi que des moyens spécifiques développés au sein de la centrale tels que le report-amincissement. La dernière partie de la thèse portera sur la caractérisation des structures réalisées afin de valider les précédentes étapes et espérer comprendre les divers phénomènes électriques et structurels mis en jeu dans nos composants. Nous pourrons alors proposer une technologie et un composant concurrentiels permettant d'atteindre une rupture technologique grâce à une montée en fréquence des composants à ondes élastiques. Au cours de la thèse, un mémoire, des articles scientifiques ainsi que des notes techniques seront rédigés.

  • Titre traduit

    Transducer based on ferroelectric domains and realization of passive components for radiofrequency signal processing at 5 GHz


  • Résumé

    Résumé du sujet de thèse : Transducer based on ferroelectric domains and realization of passive components for radiofrequency signal processing at 5 GHz The need for frequency reference source and filters for VHF (30 – 300 MHz), UHF (300 MHz – 3 GHz) et SHF (3 – 30 GHz) frequency bands has been steadily growing since the beginning of 80s, notably in the areas of telecommunications (telephony, GPS…), defense, aviation/aerospace and remote interrogation (Smart Grid, Internet of Things…). In these frequency bands, passive electroacoustic devices based on Surface Acoustic Waves (SAW) and Bulk Acoustic Waves (BAW) are playing a key role because of their performances, regarding quality factor and frequency stability, and miniaturization possibilities. Nevertheless, increasing frequency above 3 GHz is a technological challenge for such devices, both in terms of design than in terms of technological realization. The aim of this thesis is to conceive Elastic Wave Components based on Periodically Poled Ferroelectric Transducers working at frequencies equal to or above 5 GHz. Feasibility of such structures have been reported by previous works on this field, but none of them have reported components working above 1,2 GHz. Moreover, impedance matching issues have not been studied yet. Furthermore, this thesis is part of the FEDER project SMART-INN, in which five industrial companies (AR Electronique, Digital Surf, my OCCS, Snowray et Frec|n|Sys) are working with FEMTO-ST Institure (Besançon, France) and Cristal-Innov platform (Auvergne-Rhône-Alps region, France) in order to pool the required expertise and resources for realization of novel solutions in Radio-Frequency passive components field. The first part of this thesis will focus on identification of test structures for achieving working frequency improvements while dealing with impedance matching issues. Numerical simulations based on an internal software will be realized to help for this identification. Second part of this thesis will deal with technological realization and characterization of previously identified structures. Those will be realized at MIMENTO technological facility of Besançon, part of RENATECH network. Third and last part of this thesis will discuss about characterization of previous structures and validation of previous simulated results in order to fully understand all the electrical and structural phenomena which take place in our structures. A technological break could be made if obtained results match our initial expectation, resulting possibly on a competing technology and component. By the end of the thesis, a thesis report, scientific articles and technical notes will be written.