Composants et dispositifs accordables pour la micro-électronique et l’optique à base de matériaux intelligents à transition de phase

« Le sujet que nous proposons concerne la conception, la fabrication et la caractérisation des commutateurs électriques (à deux ou trois terminaux) et optiques (réseaux de Bragg, miroirs, filtres spectraux…) innovants à base de matériaux dite « intelligents » (notamment le dioxyde de vanadium, VO2). Les caractéristiques spécifiques des composants et dispositifs réalisés seront rendues accordables en intégrant lors de leur fabrication des matériaux (e.g. le VO2) dont on peut modifier la résistivité électrique ou l’indice de réfraction (ou la réflectivité).
Les applications visées concernent des dispositifs utilisés dans les chaînes de télécommunications (commutateurs, filtres, limiteurs de puissance…) fonctionnant dans le domaine des fréquences micro-ondes jusqu’au Terahertz ainsi que des circuits optiques (commutateurs, filtres, atténuateurs variables) utilisables dans des systèmes optoélectroniques.
L’objectif principal de la thèse proposé est de développer et de caractériser ces nouveaux composants pour la microélectronique et l’optique intégrée dont les caractéristiques principales (résistivité, réflectivité) seront aisément commandables. Les fonctions d’agilité de ces composants sont basées sur l’intégration dans leur structure de matériaux présentant une transition de phase réversible semi-conducteur- métal (SMT) comme le dioxyde de vanadium (VO2). La transition de phase SMT de ces matériaux en couche minces est accompagnée d’une modification abrupte et drastique de leurs propriétés optiques et électriques. Ainsi, pendant un cycle de transition SMT, la résistivité électrique des films de VO2 peut diminuer de plusieurs ordres de grandeur. D’un point de vue optique, le matériau passe d’un état transparent (phase semi-conductrice) à un état hautement réfléchissant (phase métallique) dans une large bande spectrale allant de l’infrarouge proche jusqu’aux fréquences THz. Cette transition ultra- rapide (inférieure à la picoseconde) peut être induite par différentes excitations externes (changement de température, excitation optique ou encore électrique par injection de porteurs). La fabrication des couches minces sera réalisé par ablation laser (en collaboration avec le laboratoire SPCTS) ou à l’intérieur du département MINACOM (par pulvérisation magnétron DC). Les composants seront fabriqués et caractérisés en utilisant les facilités disponibles au département ou dans le cadre de la plate-forme Platinom de l’XLIM (instrumentation et moyens de fabrication en salle blanche).
Concrètement, le projet de recherche concernera un ou plusieurs volets cités ci-dessus:
· L’étude expérimentale et fondamentale au regard des propriétés souhaitées (transition de phase, accordabilité etc.) en fonction des différents stimuli extérieurs pour la réalisation des fonctions de commutations électriques et optiques.
· La simulation, la conception et la fabrication en salle blanche des circuits micro-ondes et optiques basés sur ces matériaux, corrélation des performances souhaitées avec les caractéristiques de commutation/ accordabilité du matériau.
Ces volets ont vocation à s’étendre vers des nouveaux concepts innovants comme la co-intégration avec des structures suspendues type MEMS pour la réalisation des capteurs de pression, la réalisation des commutateurs dans le domaine THz etc.
Les recherches que nous envisageons ont, certes, une orientation applicative bien identifiée mais permettront surtout, à un niveau plus fondamental, de caractériser la transition de phase SMT des matériaux «  »actifs » » (VO2 ou d’autres matériaux à transition de phase) en terme de rapidité, d’efficacité, en fonctions du design spécifique (dimensions critiques, épaisseurs etc.) et des divers facteurs d’excitation (température, excitation optique, injection des porteurs). »

Contact: Aurelian Crunteanu

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