Epitaxy of AIN and GaN thin films on silicon or sapphire for the development of high frequency saw devices

Abstract

The increase in operating frequencies of telecommunication systems requires to use Surface Acoustic Wave (SAW) devices for filtering applications that propagate on “high velocity” subtrates like sapphire or even <100 > silicon. The excitation of SAW on such materials requires using thin piezoelectric layers deposited on their top surface, like AIN or GaN. This paper is devoted to the theoretical and experimental study of such material combinations. The theoretical models for multimaterial substrates are first presented. Experimental results are then reported, allowing to define the application field of AIN or GaN thin-film based devices. Epitaxie de films minces de AIN et GaN sur silicium et saphir pour le d e ́ veloppement de dispositifs d'ondes de surface a ̀ haute fr e ́ quence. La montée en fréquence des systémes de télécommunication impose l'utilisation de composants à ondes de surface pour les besoins de filtrage de fréquence fabriqués sur des substrats pour lesquels celles-ci présentent des vitesses de phase élevées, tels que le saphir ou encore le silicium d'orientation <100 >. L'excitation d'ondes élastiques sur de tels matériaux réclame la présence d'une fine couche piézoélectrique en surface de travail, composée par exemple d'AIN ou de GaN. Cet article est dédié l'étude théorique et expérimentale de telles combinaisons de matéraiaux. Les modéles théoriques développés pour la simulation de propagation d'ondes sur substrats multimatériaux sont tout d'abord briévement évoqués. Les résultats expérimentaux sont alors interprétés à la lumiére des prévisions théoriques pour bien définir la gamme d'application des substrats à base de couches d'AIN ou de GaN.