Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Bauelemente, die auf der Basis von sog. akustischen Oberflächenwellen, in der Fachsprache üblicherweise mit dem Begriff SAW (surface acoustic wave) bezeichnet, arbeiten. In den vergangenen ca. 40 Jahren haben SAW-Bauelemente einen außerordentlich starken Aufschwung erlebt. Den Beginn markierte ein neuartiger Zwischenfrequenz-Filter für Fernsehgeräte am Ende der 1960er Jahre. Heute finden sich unterschiedliche Arten dieser Bauelemente in nahezu jedem Bereich unseres täglichen Lebens wieder. Als Beispiele können hier allgemein die draht-, funk- und fasergestützte Daten- und Signalübertragung und im Speziellen Mobil- und Schnurlostelefone oder Fernbedienungen genannt werden. Inzwischen sind auch neue Anwendungen in der Sensorik sowie der Identifikationstechnik hinzugekommen. Es gibt für SAW-Bauelemente eine Entwicklung hin zu höheren Arbeitsfrequenzen, steigenden Leistungen, erhöhter Zuverlässigkeit, weiterer Miniaturisierung und zunehmender Modulintegration, wobei alle Anforderungen bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten realisiert werden müssen. Dabei zeichnet sich ab, dass mit den herkömmlichen Herstellungstechnologien nicht alle Bedürnisse erfüllt werden können. So ist z.B. die Lift-off-Technik, mit der ein Großteil der Bauelemente hergestellt wird, nicht auf beliebig kleine Strukturen anwendbar. Eine Alternative bildet die sog. Damaszentechnologie, die auch zur Herstellung modernster Mikroprozessoren eingesetzt wird. Dabei werden die Metallelektroden anstatt auf dem Substrat aufzuliegen, in das Substrat eingelassen, woraus sich für zukünftige SAWBauelemente Vorteile ergeben können, wie z.B. eine erhöhte Leistungsbeständigkeit, kostengünstige Abscheideverfahren, eine Reduktion der Strukturgrößen und eine planare Oberfläche. Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt darin, die Damaszentechnologie erstmalig auf SAW-Strukturen anzuwenden und mit den Vorteilen der Cu-Technologie zu kombinieren. Als inhaltliche Schwerpunkte wurden die Herstellung von Demonstratorbauelementen und die Bewertung der Prozessschritte, die Eigenschaftsbestimmung der Strukturen sowie deren Schädigungsverhalten bei Leistungsbelastung definiert.

Le développement de matériaux avec différents ordres ferroïques couplés (multiferroïques) motive d’intenses activités de recherche. Une combinaison particulièrement intéressante est celle des paramètres d'ordre magnétique et électrique qui, dans le cas favorable où ceux-ci sont couplés, ouvre la voie au contrôle électrique de l’aimantation. Celui-ci peut être envisagé via la manipulation de la polarisation d’un ferroélectrique ou des déformations d’un piézoélectrique Les propriétés du matériau ferroélectrique/piézoélectrique peuvent être inversement modifiées par l’état d’aimantation, ce qui laisse envisager des applications dans le domaine des capteurs de champs magnétiques. Ce travail s’inscrit dans l’étude de systèmes piézoélectrique/ magnétostrictif, avec un intérêt spécifique porté à l’influence de l’aimantation sur les ondes acoustiques de surface (SAW) générées dans le dispositif. Nous avons ainsi déposé des couches polycristallines de Ni, des multicouches [Co/IrMn], ainsi que des couches épitaxiées de TbFe2 sur des substrats de Niobate de Lithium (LNO) de différentes orientations. Sur LNO Z-cut, la croissance de TbFe2 est réalisée en utilisant différentes couches tampons simples ou doubles qui permettent d’obtenir des directions de croissance [111] ou [110] avec des anisotropies magnétiques respectivement perpendiculaire et planaire. Sur des substrats de coupe 128Y et 41Y, la croissance s’avère beaucoup plus complexe mais il est néanmoins possible d’obtenir un film cristallisé de TbFe2 multidomaines avec des relations d’orientation 3D similaires à celles obtenus sur LNO Z-cut, que ce soit entre la couche magnétique et la couche tampon, ou entre la couche tampon et le substrat. Des dispositifs magnétiques à ondes acoustiques de surface (MSAW) ont été ensuite fabriqués dans une géométrie de résonateur permettant une interrogation à distance aisée. La fréquence de résonance des dispositifs MSAW est sensible à l’application d’un champ magnétique externe, via des effets statiques liés à l’orientation de l’aimantation sous champ et via des effets dynamiques d’origine magnétoélastique liés à l’excitation acoustique. Nous avons examiné les réponses magnéto-acoustiques des différents dispositifs, en corrélation étroite avec les propriétés magnétiques statiques, en particulier l’anisotropie, la coercivité et l’hystérèse. Un modèle piézomagnétique équivalent a été utilisé pour simuler certaines de ces réponses. De manière générale, nous montrons qu’un choix judicieux du matériau magnétique et le contrôle de ses propriétés permettent d’élaborer des capteurs spécifiques : un matériau magnétique doux permet de contrôler l’anisotropie de la réponse acoustique via la forme des IDT; un matériau magnétique dur ouvre la voie au développement de capteurs de forts champs magnétiques; un système à anisotropie d’échange dont on peut contrôler la réversibilité de la réponse magnétique permet d’envisager un capteur de champ magnétique hors plan / The development of materials with different coupled ferroic orders (multiferroics) drives an intense research activity. A particularly interesting combination is the case where magnetic and electrical orders are simultaneously present, which, in the favorable case where these are coupled, opens the way to the electrical control of magnetization. This can be achieved in manipulating the polarization in a ferroelectric or the strains in a piezoelectric compound. Ferroelectric or piezoelectric properties can inversely be influenced by the magnetic state, an interesting feature for the development of magnetic field sensors. This work aims in the investigation of piezoelectric/magnetostrictive systems, more especially in the role of the magnetization and of the magnetization versus field behavior on the surface acoustic waves (SAW). Polycristalline Ni films, [Co/IrMn] multilayers and epitaxial TbFe2 films have been deposited on Lithium Niobate (LNO) substrates of different orientations. On LNO Z-cut, various single or double buffer layers have been used to achieve the TbFe2 epitaxial growth, along either [111] or [110] directions and with either perpendicular or in-plane magnetic anisotropy. On LNO 128Y and 41Y substrates, the growth is more complex but it is nevertheless possible to obtain crystalline multidomains TbFe2 films with 3D orientation relationships similar to those obtained on LNO Z-cut, both between the magnetic and the buffer layers, and between the buffer layer and the substrate. Magnetic surface acoustic wave (MSAW) devices have been patterned in a resonator geometry that enables an easy wireless interrogation. The MSAW device resonance frequency is sensitive to an external magnetic field, both via static effects related to the field-induced magnetization changes, and via magnetoelastic dynamic effects related to the acoustic excitation. We have investigated the MSAW magneto acoustic responses of the various devices in close connection with the static magnetic properties, especially the anisotropy, the coercivity and the hysteresis. An equivalent piezomagnetic model could support some of these observations. We show more generally that the proper choice of magnetic material and the control of the magnetic properties helps to build up specific sensors: soft magnetic materials enable to tailor the anisotropy of the MSAW response by engineering the IDT’s shape; hard magnetic materials enable to achieve high field unipolar or bipolar field response; exchange-biased systems in which the reversibility of the magnetic response is achieved let envision the development of sensors for out-of-plane magnetic fields

[…] Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ces bandes interdites et à ces modes de propagations dans le cas d’un cristal photonique constitué d’une matrice de piliers déposés en surface d’un milieu semi-fini. L’étude des interactions entre les piliers résonants localement avec la surface du milieu semi fini nous a permis d’identifier de nouveaux modes de propagation […]Nous avons également montré comment obtenir une réfraction négative omnidirectionnelle[…] La dernière partie de ce travail a été consacré à l’étude des mécanismes permettant la propagation et le confinement d’ondes guidées[…] .Nous avons également explicité les mécanismes qui permettent de crée ce type d’ondes guidées sub-longeur d’onde et le confinement des photons de surface. / [...] We present the features of the interaction between surface acoustic wave and locally resonant pillar on the top of demi infinite medium. We shown that the photonic crystal we proposed possess an acoustic metamaterial feature for surface acoustic waves in the manner that pillars on the top of the surface introduce new guide modes in the non radiative region of the substrate outside sound cone. We also demonstrate the these guided modes are resonant modes that have frequencies greatly lower than those expected from the Bragg mechanism. […]

Ce travail de thèse porte sur l’étude fondamentale de systèmes nano-électroniques,mesurés à très basse température. Nous avons réalisé des interféromètres électroniques àdeux chemins à partir d’électrons balistiques obtenus dans un gaz 2D d’électrons d’unehétéro-structure GaAs/AlGaAs. Nous montrons que la phase des électrons, et ainsileur état quantique,peut être contrôlée par des grilles électrostatiques. Ces dispositifsse révèlent être des candidats prometteurs pour la réalisation d’un qubit volant. Nousavons développé une simulation numérique évoluée d’un modèle de liaisons fortes à partirde transport quantique ballistique qui décrit toutes les découvertes expérimentales etnous apporte une connaissance approfondie sur les signatures expérimentales de cesdispositifs particuliers. Nous proposons des mesures complémentaires de ce système dequbit volants. Pour atteindre le but ultime, à savoir un qubit volant à un électron unique,nous avons assemblé la source à électron unique précédemment développée dans notreéquipe à un beam splitter électronique. Les électrons sont alors injectés depuis une boîtequantique à un train de boîte quantiques en mouvement. Ce potentiel électrostatique enmouvement est généré par des ondes acoustiques de surface créées par des transducteursinter-digités sur le substrat GaAs piézo-électrique. Nous avons étudié et optimisé chacunde ces composants fondamentaux nécessaires à la réalisation d’un beam splitter à électronunique et développé un procédé local et fiable de fabrication. Ce dispositif nous permet d’étudier les interactions électroniques pour des électrons isolés et pourra servir de basede mesure pour des expériences d’optique quantiques sur un système électronique del’état condensé. Enfin, nous avons développé un outil puissant de simulation du potentielélectrostatique à partir de la géométrie des grilles. Ceci permet d’optimiser la conceptiondes échantillons avant même leur réalisation. Nous proposons ainsi un prototype optimiséde beam splitter à électron unique. / This thesis contains the fundamental study of nano-electronic systems at cryogenictemperatures. We made use of ballistic electrons in a two-dimensional electron gasin a GaAs/AlGaAs heterostructure to form a real two-path electronic interferometerand showed how the phase of the electrons and hence their quantum state can becontrolled by means of electrostatic gates. The device represents a promising candidateof a flying qubit. We developed a sophisticated numerical tight-binding model based onballistic quantum transport, which reproduces all experimental findings and allows togain profound knowledge about the subtle experimental features of this particular device.We proposed further measurements with this flying qubit system. With the ultimate goalof building a single electron flying qubit, we combined the single electron source that hasbeen developed in our lab prior to this manuscript with an electronic beam splitter. Theelectrons are injected from static quantum dots into a train of moving quantum dots.This moving potential landscape is induced in the piezoelectric substrate of GaAs bysurface acoustic waves from interdigial transducers. We studied and optimized all keycomponents, which are necessary to build a single electron beam splitter and built up areliable local fabrication process. The device is capable of studying electron interactionson the single electron level and can serve as a measurement platform for quantum opticsexperiments in electronic solid state systems. Finally, we developed a powerful toolcapable of calculating the potential landscapes of any surface gate geometry, which canbe used as a fast feedback optimization tool for device design and proposed an optimizedprototype for the single electron beam splitter.

Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements / In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings

Through the history of mankind, novel materials have played a key role in techno- logical progress. As we approach the limits of scaling it becomes difficult to squeeze out any more extensions to Moore’s law by just reducing device feature sizes. It is important to look for an alternate semiconductor to silicon in order to continue making the progress predicted by Moore’s law. Among the various semiconductor options being explored world-wide, the III-nitride semiconductor material system has certain unique characteristics that make it one of the leading contenders. We explore the III-nitride semiconductor material system for the unique advantages that it offers over the other alternatives available to us. This thesis studies the device applications of epitaxial III-nitride films and nanos- tructures grown using plasma assisted molecular beam epitaxy (PAMBE) The material characterisation of the PAMBE grown epitaxial III-nitrides was car- ried out using techniques like high resolution X-ray diffraction (HR-XRD), field emis- sion scanning electron microscopy (FESEM), room temperature photoluminescence (PL) and transmission electron microscopy (TEM). The epitaxial III-nitrides were then further processed to fabricate devices like Schottky diodes, photodetectors and surface acoustic wave (SAW) devices. The electrical charcterisation of the fabricated devices was carried out using techniques like Hall measurement, IV and CV measure- ments on a DC probe station and S-parameter measurements on a vector network analyser connected to an RF probe station. We begin our work on Schottky diodes by explaining the motivation for adding an interfacial layer in a metal-semiconductor Schottky contact and how high-k di- electrics like HfO2 have been relatively unexplored in this application. We report the work carried out on the Pt/n-GaN metal-semiconductor (MS) Schottky and the Pt/HfO2/n-GaN metal-insulator-semiconductor (MIS) Schottky diode. We report an improvement in the diode parameters like barrier height (0.52 eV to 0.63 eV), ideality factor (2.1 to 1.3) and rectification ratio (35.9 to 98.9 @2V bias) after the introduction of 5 nm of HfO2 as the interfacial layer. Temperature dependent I-V measurements were done to gain a further understanding of the interface. We observe that the barrier height and ideality factor exhibit a temperature dependence. This was attributed to inhomogeneities at the interface and by assuming a Gaussian distribution of barrier heights. UV and IR photodetectors using III-nitrides are then studied. Our work on UV photodetectors describes the growth of epitaxial GaN films. Au nanoparticles were fabricated on these films using thermal evaporation and annealing. Al nanostruc- tures were fabricated using nanosphere lithography. Plasmonic enhancement using these metallic nanostructures was explored by fabricating metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors. We observed plasmonic enhancement of photocurrent in both cases. To obtain greater improvement, we etched down on the GaN film using reac tive ion etching (RIE). This resulted in further increase in photocurrent along with a reduction in dark current which was attributed to creation of new trap states. IR photodetectors studied in this thesis are InN quantum dots whose density can be controlled by varying the indium flux during growth. We observe that increase in InN quantum dot density results in increase in photocurrent and decrease in dark current in the fabricated IR photodetectors. We then explore the advantages that InGaN offers as a material that supports surface acoustic waves and fabricate InGaN based surface acoustic wave devices. We describe the growth of epitaxial In0.23 Ga0.77 N films on GaN template using molecular beam epitaxy. Material characterisation was carried out using HR-XRD, FESEM, PL and TEM. The composition was determined from HR-XRD and PL measurements and both results matched each other. This was followed by the fabrication of interdigited electrodes with finger spacing of 10 µm. S-parameter results showed a transmission peak at 104 MHz with an insertion loss of 19 dB. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of an InGaN based SAW device. In summary, this thesis demonstrates the practical advantages of epitaxially grown film and nanostructured III-nitride materials such as GaN, InN and InGaN using plasma assisted molecular beam epitaxy for Schottky diodes, UV and IR photodetec- tors and surface acoustic wave devices.

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Ultra-wideband (UWB) communication technology offers inherent advantages such as the ability to coexist with previously allocated Federal Communications Commission (FCC) frequencies, simple transceiver architecture, and high performance in noisy environments. Spread spectrum techniques offer additional improvements beyond the conventional pulse-based UWB communications. This dissertation implements a multiple-access UWB communication system using a surface acoustic wave (SAW) correlator receiver with orthogonal frequency coding and software defined radio (SDR) base station transmitter. Orthogonal frequency coding (OFC) and pseudorandom noise (PN) coding provide a means for spreading of the UWB data. The use of orthogonal frequency coding (OFC) increases the correlator processing gain (PG) beyond that of code division multiple access (CDMA); providing added code diversity, improved pulse ambiguity, and superior performance in noisy environments. Use of SAW correlators reduces the complexity and power requirements of the receiver architecture by eliminating many of the components needed and reducing the signal processing and timing requirements necessary for digital matched filtering of the complex spreading signal. The OFC receiver correlator code sequence is hard-coded in the device due to the physical SAW implementation. The use of modern SDR forms a dynamic base station architecture which is able to programmatically generate a digitally modulated transmit signal. An embedded Xilinx Zynq ™ system on chip (SoC) technology was used to implement the SDR system; taking advantage of recent advances in digital-to-analog converter (DAC) sampling rates. SDR waveform samples are generated in baseband in-phase and quadrature (I & Q) pairs and upconverted to a 491.52 MHz operational frequency. The development of the OFC SAW correlator ultimately used in the receiver is presented along with a variety of advanced SAW correlator device embodiments. Each SAW correlator device was fabricated on lithium niobate (LiNbO3) with fractional bandwidths in excess of 20%. The SAW correlator device presented for use in system was implemented with a center frequency of 491.52 MHz; matching SDR transmit frequency. Parasitic electromagnetic feedthrough becomes problematic in the packaged SAW correlator after packaging and fixturing due to the wide bandwidths and high operational frequency. The techniques for reduction of parasitic feedthrough are discussed with before and after results showing approximately 10:1 improvement. Correlation and demodulation results are presented using the SAW correlator receiver under operation in an UWB communication system. Bipolar phase shift keying (BPSK) techniques demonstrate OFC modulation and demodulation for a test binary bit sequence. Matched OFC code reception is compared to a mismatched, or cross-correlated, sequence after correlation and demodulation. Finally, the signal-to-noise power ratio (SNR) performance results for the SAW correlator under corruption of a wideband noise source are presented.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen Bauelemente, die auf der Basis von sog. akustischen Oberflächenwellen, in der Fachsprache üblicherweise mit dem Begriff SAW (surface acoustic wave) bezeichnet, arbeiten. In den vergangenen ca. 40 Jahren haben SAW-Bauelemente einen außerordentlich starken Aufschwung erlebt. Den Beginn markierte ein neuartiger Zwischenfrequenz-Filter für Fernsehgeräte am Ende der 1960er Jahre. Heute finden sich unterschiedliche Arten dieser Bauelemente in nahezu jedem Bereich unseres täglichen Lebens wieder. Als Beispiele können hier allgemein die draht-, funk- und fasergestützte Daten- und Signalübertragung und im Speziellen Mobil- und Schnurlostelefone oder Fernbedienungen genannt werden. Inzwischen sind auch neue Anwendungen in der Sensorik sowie der Identifikationstechnik hinzugekommen. Es gibt für SAW-Bauelemente eine Entwicklung hin zu höheren Arbeitsfrequenzen, steigenden Leistungen, erhöhter Zuverlässigkeit, weiterer Miniaturisierung und zunehmender Modulintegration, wobei alle Anforderungen bei gleichzeitig sinkenden Herstellungskosten realisiert werden müssen. Dabei zeichnet sich ab, dass mit den herkömmlichen Herstellungstechnologien nicht alle Bedürnisse erfüllt werden können. So ist z.B. die Lift-off-Technik, mit der ein Großteil der Bauelemente hergestellt wird, nicht auf beliebig kleine Strukturen anwendbar. Eine Alternative bildet die sog. Damaszentechnologie, die auch zur Herstellung modernster Mikroprozessoren eingesetzt wird. Dabei werden die Metallelektroden anstatt auf dem Substrat aufzuliegen, in das Substrat eingelassen, woraus sich für zukünftige SAWBauelemente Vorteile ergeben können, wie z.B. eine erhöhte Leistungsbeständigkeit, kostengünstige Abscheideverfahren, eine Reduktion der Strukturgrößen und eine planare Oberfläche. Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt darin, die Damaszentechnologie erstmalig auf SAW-Strukturen anzuwenden und mit den Vorteilen der Cu-Technologie zu kombinieren. Als inhaltliche Schwerpunkte wurden die Herstellung von Demonstratorbauelementen und die Bewertung der Prozessschritte, die Eigenschaftsbestimmung der Strukturen sowie deren Schädigungsverhalten bei Leistungsbelastung definiert.

A passive wireless surface acoustic wave sensor of a delay-line type is composed of an antenna, a transducer that converts the EM signal into a surface acoustic wave, and a set of acoustic reflectors that reflect the incoming signal back out through the antenna. A cavity forms between the transducer and the reflectors, trapping energy and causing multiple unwanted echoes. The work in this dissertation aims to reduce the unwanted echoes so that only the main transit signal is left--the signal of interest with sensor information. The contributions of this dissertation include reflective delay-line device response in the form of an infinite impulse response (IIR) filter. This may be used in the future to subtract out unwanted echoes via post-processing. However, this dissertation will use a physical approach to echo suppression by using a unidirectional transducer. Thus a unidirectional transducer is used and also optimized for 3rd harmonic operation. Both the directionality and the coupling of the 3rd harmonic optimized SPUDT are improved over a standard electrode width controlled (EWC) SPUDT. New type of reflectors for the reflective delay-line device are also presented. These use BPSK type coding, similar to that of the Walsh-Hadamard codes. Two types are presented, variable reflectivity and variable chip-lengths. The COM model is used to simulate devices and compare the predicted echo suppression level to that of fabricated devices. Finally, a device is mounted on a tunable antenna and the echo is suppressed on a wireless operating device.