Amélioration des performances de dispositifs hyperfréquences accordables à base de films minces ferroélectriques KTN

Amélioration des performances de dispositifs
hyperfréquences accordables à base de films minces ferroélectriques KTN

Utilisation des matériaux ferroélectriques en électronique

Aujourd’hui, les matériaux ferroélectriques sont largement répandus en microélectronique et plusieurs applications sont exploitées : – Les mémoires sont O¶une des applications les plus importantes [24-26]. Grâce à leur forte permittivité relative, les matériaux ferroélectriques sont de très bons candidats pour la fabrication des condensateurs de mémoires DRAM (Dynamic Random Access Memory). Les mémoires FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) sont, quant à elles, fabriquées avec des matériaux  Uémanente (+Pr et -Pr, Figure I.5a) associée au codage binaire 0 et 1. Ces valeurs de polarisation sont aisément commutables  des problèmes de rafraîchissement des mémoires volatiles. Aussi, une évolution importante a eu lieu ces dernières années par la fabrication de ces mémoires. En 2004, Samsung a fabriqué à partir de titano-zirconate de plomb (PZT) la première mémoire ferroélectrique industrielle (4 Mbit) [27]. Cependant, deux critères doivent encore être optimisés : la réduction des coûts de fabrication et O¶DPpOLRUDWLRQGHleur fiabilité. – De nos jours, les condensateurs sont difficilement intégrables dans les circuits intégrés (ICs) HQ UDLVRQ G¶Xne occupation en surface trop importante. La forte permittivité relative des matériaux ferroélectriques peut aider à la réduction de leurs dimensions et les rendre ainsi plus facilement intégrables. Cependant, l¶LQFRPSDWLELOLWp HQWUH OD WHFKQRORJLH « silicium » et les matériaux ferroélectriques a pénalisé leur développement. Toutefois, depuis XQH GL]DLQH G¶DQQpHV GHV DYDQFpHVLPSRUWDQWHV RQW pWp UpDOLVpHV
DPpOLRUDWLRQ GHO¶LQWHUIDFH ferroélectrique/silicium et conservation des performances des ICs après intégration du matériau ferroélectrique) [28, 29]. – 3OXVLHXUV DXWUHV W\SHV G¶DSSOLFDWLRQV H[LVWHQW : les condensateurs céramiques multicouches, les dispositifs piézoélectriques, les capteurs pyroélectriques, les dispositifs pour  applications électro-optiques, mais elles restent en dehors des préoccupations des travaux de

Application des matériaux ferroélectriques aux dispositifs reconfigurables

Le F°XU  des dispositifs agiles en fréquence. La bibliographie nous fournit des nombreux exemples G¶éléments reconfigurables tels que les oscillateurs, filtres, résonateurs, déphaseurs, antennes… Oscillateurs (Voltage Controlled Oscillators (VCO)) : éléments qui via une sortie. Ils sont utilisés en électronique analogique comme synthétiseur de fréquence, circuit  comme boucle à verrouillage de phase. Des oscillateurs reconfigurables à relativement basse fréquence ont été fabriqués. Pour exemple, une variation en fréquence de 205 MHz à 216,3 MHz sous une tension de commande de 4,5 V a été reportée avec un bruit de phase de – 90 dBc/Hz à 100 kHz (Figure I.11a) [30]. A fréquences plus élevées, une variation de 1,625 GHz à 1,675 GHz sous une tension de commande de 100 V a été mesurée avec un bruit de phase de -81,4 dBc/Hz à 100 kHz (Figure I.11b) [31]. Figure I.11 ; (b) oscillateur reconfigurable dans la gamme du GHz, fabriqué par [31] Résonateurs : éléments utilisés pour rejeter une fréquence, mais aussi pour fabriquer des filtres. La longueur électrique du doigt (Figure I.12a) contrôle la fréquence de rejection. L¶agilité en fréquence de ces éléments est donc obtenue en faisant varier la valeur de la longueur électrique. De nombreux exemples de résonateurs reconfigurables ont été publiés. Deux ont particulièrement attiré notre attention. Ce sont : (i) le résonateur DBR (Dual a) b) Chapitre I : Dispositifs hyperfréquences reconfigurables pWDWGHO¶DUW 17 Behavior Resonator) (Figure I.12a) imprimé sur un film ferroélectrique de KTN. Il présente une variation en fréquence de résonance allant de 6,2 GHz à 7,6 GHz sous un champ de commande égal à 80 kV/cm [32]; (ii) le résonateur coplanaire (Figure I.12b), chargé par un monocristal de SrTiO3, présente une variation maximale en fréquence de 8,90 GHz à 9,97 GHz sous une tension de 200 V [33]. Figure I.12. Exemples de résonateurs reconfigurables à structure coplanaire : (a) imprimé sur un film de KTN [32] ; (b) fabriqué avec un monocristal de SrTiO3 [33] Filtres passe-bande : ces composants sont essentiels en électronique afin de sélectionner signal. Ils sont très souvent fabriqués à partir de résonateurs couplés, chacun possédant des fréquences de résonance spécifiques. Ces dernières années, /es filtres reconfigurables systèmes de communication sans fil. Pour exemple : une variation en fréquence de 380 MHz à 420 MHz a été mesurée avec un filtre reconfigurable intégrant des condensateurs ferroélectriques en BST sous une tension de commande de 300 V [34] (Figure I.13a). Un filtre fabriqué à partir de résonateurs en anneau (split-ring) imprimés sur un film de BST présente une variation de sa fréquence centrale entre 2,95 GHz et 3,57 GHz sous une tension de commande de 100 V [35] (Figure I.13b). Un autre filtre, réalisé en utilisant des condensateurs ferroélectriques (BST), montre une variation de sa fréquence centrale de 48,1 GHz à 52,1 GHz sous une tension de commande inférieure à 30 V [36] (Figure I.13c). Figure I.13. Exemples de filtres reconfigurables à base de : (a) condensateurs ferroélectriques (~ 400 MHz) [34] ; (b) résonateurs en anneau (~ 3 GHz) [35] ; condensateurs ferroélectriques (~ 50 GHz) [36] a) b) c) a) b)  dispositifs en réflexion et de lignes chargées périodiquement. Leur application principale se trouve dans la fabrication de  matériaux ferroélectriques dans ces éléments permet non seulement le contrôle du déphasage via une tension de commande externe, mais aussi une miniaturisation du composant. Pour exemple : un déphaseur utilisant un film ferroélectrique de BST présente une variation de phase égale à 262º à 18 GHz sous une tension de commande de 32 V [37] (Figure I.14a). De manière similaire, une ligne de transmission artificielle (structure simulant les caractéristiques électriques G¶XQHligne de transmission) imprimée sur un film de BST est utilisée comme déphaseur (OOH SHUPHW G¶REWHQLU un déphasage de 342º sous une tension de 500 V [38] (Figure I.14b). Figure I.14. Exemples de déphaseurs reconfigurables : (a) ligne de transmission chargée par des condensateurs BST [37] ; (b) ligne de transmission artificielle imprimée sur un film de BST [38] Antennes : éléments transmettant ou rayonnant une onde électromagnétique. Elles sont utilisées comme élément principal dans les front-end des systèmes de communication sans fil. les antennes reconfigurables peuvent être utilisées de façon unitaire ou en réseau. Pour exemple, une antenne unitaire en structure CPW (Coplanar Waveguide) (Figure I.15a) a été développée pour les communications de type (UMTS, WLAN….) [39]. Elle a été imprimée sur un film de matériau ferroélectrique BST en associant des varicaps ferroélectriques. Sous une tension de commande égale à 7 V, une variation de la fréquence de travail de 5,3 GHz à 5,8 GHz a été mesurée. UQUpVHDXG¶DQWHQQHV microruban (Figure I.15b) a été imprimé toujours sur un film de BST. Sous une tension de 180 V, ce réseau présente un dépointage de ± 50º de son diagramme de rayonnement [40]. (a) imprimée sur un film de BST et associée à des varicaps ferroélectriques [39] ; (b) à base de déphaseurs en BST [40] I.3.5 La famille Ba1-xSrxTiO3 (BST) Le titanate de baryum-strontium (BST) (Figure I.16), est le matériau ferroélectrique le plus utilisé dans le domaine des hyperfréquences. Ses caractéristiques diélectriques ainsi que sa compatibilité potentielle avec la technologie des circuits intégrés monolithiques MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) en font un matériau de choix dans la fabrication de dispositifs reconfigurables. proportion relative de Baryum et de Strontium. Lorsque x = 0, le matériau est GDQV O¶pWDW ferroélectrique à température ambiante (matériau BaTiO3, Tc ~ 400 K). Lorsque x = 1 (SrTiO3), le matériau est GDQVO¶pWDWparaélectrique, toujours à température ambiante. Lorsque a) b) Chapitre I : Dispositifs hyperfréquences reconfigurables pWDWGHO¶DUW 20 x = 0,6, le matériau T température ambiante, mais très proche de la transition de paraélectrique/ferroélectrique (Tc = 270 K). Ce matériau présente des caractéristiques diélectriques intéressantes en bande X (entre 8 GHz et 12 GHz) avec des valeurs de permittivité relative İr § 500 et des valeurs de tangente de pertes WDQįr § 0,05 [41,42@ 7RXWHIRLV O¶DPpOLRUDWLRQ GHV WHFKQLTXHV GH IDEULFDWLRQ HW O¶DMRXW GH GRSDQWV permettent une réduction significative des pertes (WDQįr évolue de 0,013 à 0,007 après dopage par MgO [43]).