Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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124 perméabilité Des matériaux pour les technologies de l’information et de la santé 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 -50 -100 CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 Les multicouches à couplage d’échange antiferromagnétique/ferromagnétique Le couplage d’échange interfacial d’un matériau ferromagnétique avec un autre, antiferromagnétique celui-là, se traduit par le décalage du cycle d’hystérésis du matériau ferromagnétique vers une valeur de champ potentiellement très élevée (figure 3). Cette propriété fut à l’origine de tous les dispositifs magnétorésistifs modernes. En 2007, le LCRF a démontré que de tels matériaux, notamment ceux constitués d’une succession de films à base de manganèse/nickel ou manganèse (NiMn), manganèse/iridium et de fer/cobalt (FeCo), présentaient aussi un comportement dynamique inégalé. Celui-ci peut atteindre des fréquences d’une dizaine de gigahertz, autrement dit une gamme spectrale jusqu’alors inaccessible aux matériaux ferromagnétiques. L’intégration de ces matériaux a permis la réalisation d’inductances exploitables à 5 GHz, avec des topologies beaucoup plus compactes que celles des inductances planaires habituelles. Des filtres extrêmement simples ont également été réalisés. Ils utilisent le pouvoir absorbant du matériau à sa résonance, ce qui permet de dissiper plus de 99% du signal transmis. Ce type de filtres peut être utilisé jusqu’à plus de 10 GHz. Les matériaux diélectriques et piézoélectriques L’intégration d’un nouveau matériau dans une technologie complexe requiert une étude à part entière – rares étant ceux capables de franchir toutes les étapes menant à l’industrialisation. Les capacités intégrées de forte valeur Dans le cadre d’une collaboration avec ST Micro - electronics, le Leti vient de réaliser une première : synthétiser un matériau à base d’un alliage de titanate de strontium (SrTiO 3) déposé au-dessus d’un circuit d’amplification CMOS (pour Complementary Metal Oxide Semi-conductor) afin d’obtenir des capacités à très forte permittivité connectées au circuit CMOS. Il s’agit d’une véritable prouesse technique. En effet, une contrainte très dure pour réaliser de nouvelles fonctions au-dessus des circuits CMOS (approche dite fréquence (GHz) μ’mesurée μ » mesurée μ’théorique μ » théorique Figure 3. La spectrométrie magnétique permet de mesurer la perméabilité complexe d’un matériau en fonction de la fréquence. La partie réelle μ’exprime la capacité du matériau à répondre à un champ magnétique extérieur et la partie imaginaire μ » représente les pertes dissipées dans le matériau. L’exemple correspond aux réponses expérimentales (en noir) et théoriques (en rouge) d’une couche ferromagnétique de FeCo, couplée avec une couche antiferromagnétique de NiMn (on parle de couche polarisante). B. Viala/CEA Above IC) consiste à respecter une température de procédé inférieure à 450 °C. Or, les matériaux de la famille du SrTiO 3 (dit pérovskite, du nom de la structure cristalline) nécessitent habituellement des températures de synthèse autour de 700 °C. Grâce à l’utilisation d’une méthode de dépôt particulière, mise au point par le LCRF et le Laboratoire des technologies de surface (LTS/Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux), les chercheurs sont parvenus à synthétiser le SrTiO 3, à 400 °C, sur un circuit CMOS. Le circuit fonctionnel a permis de valider l’approche dite Above IC consistant à réaliser une fonction complète sur une seule puce, et non pas seulement un composant. Les capacités variables pour l’adaptation d’impédance Un autre matériau, de structure pérovskite, est à l’étude. Il s’agit du titanate de strontium baryum (Ba,Sr)TiO 3 ou BST. Son intérêt résulte des propriétés de variabilité de sa constante diélectrique en fonction de la tension continue. Cette propriété ouvre la voie vers la réalisation de composants d’impédance variable pilotables par une tension externe. Elle permet de multiplier par quatre le ratio d’impédance tout en limitant les pertes diélectriques à moins de 1% pour quelques GHz. La fonction recherchée est ici l’adaptation d’impédance en temps réel. Celle-ci permettra aux amplificateurs de puissance des systèmes de télécommunications nomades de fonctionner toujours avec un maximum d’efficacité et donc de diminuer leur consommation. La durée de la batterie sera alors multipliée par deux. Les actionneurs électromécaniques Parmi les matériaux diélectriques, certains possèdent des propriétés piézoélectriques. Ceux qui possèdent les plus forts coefficients piézoélectriques en couches minces appartiennent à la famille des pérovskites. Il s’agit du PZT et du PMN-PT (3). Le Leti s’investit fortement sur l’intégration du PZT. En raison de la très forte demande des industriels du secteur des télécommunications, l’un des objectifs concerne la réalisation d’actionneurs piézoélectriques sur une plateforme technologique utilisant des tranches de silicium de 200 mm. Le grand diamètre de ces tranches permet de multiplier le nombre de composants réalisés sur la même plaquette et ainsi, de diminuer le coût du composant unitaire. Une collaboration a été engagée avec Freescale en ce sens. Elle a déjà permis d’obtenir des tranches comportant des microinterrupteurs à radiofréquence fonctionnels dont la tension d’actionnement ne dépasse pas 5 V, limite fondamentale pour fonctionner dans un téléphone portable. La figure 1 montre une de ces structures unitaires, avant l’assemblage final, avec la protection supérieure appelée capot. Les filtres acoustiques dédiés aux radiofréquences Dans la palette des matériaux piézoélectriques, le CEA a également choisi de travailler sur le nitrure d’aluminium (AlN) dont les propriétés acoustiques sont exceptionnelles. Il s’agit du constituant de la couche (3) Pb(Mg,Nb)O 3 -PbTiO 3.
active des résonateurs acoustiques à radiofréquence présentant des pertes extrêmement faibles (moins de 0,1%). Réalisés à base d’AlN, les filtres de fréquence entrent dans la plupart des systèmes de communication sans fil. Parmi ses récents développements, le Leti vient de mettre au point un filtre obtenu par la superposition de deux résonateurs couplés l’un sur l’autre et offrant donc une compacité maximale (figure 4). Outre le CEA, peu d’organismes au monde peuvent se prévaloir d’un savoir-faire capable de telles performances. Une piste ambitieuse pour les diélectriques : les monocristaux intégrés Aujourd’hui, les chercheurs veulent aller encore plus loin dans le développement des couches diélectriques. Le Leti vise l’intégration de monocristaux piézoélectriques à partir de deux approches : l’épitaxie sur silicium et le report de couches – les matériaux étudiés étant les pérovskites, les ilménites (4) et l’AlN.• L’épitaxie consiste à réaliser des couches monocristallines, autrement dit des couches sans défauts cristallins, obtenues par évaporation par jet moléculaire (EJM). Très prometteurs, les premiers résultats démontrent l’amélioration considérable de la qualité structurale du matériau réalisé. Ces avancées résultent de diverses collaborations menées par le Leti avec le Centre de recherche sur l’hétéro-épitaxie et ses applications (CRHEA/CNRS), l’Institut des nanotechnologie de Lyon (INL) et IBM Zurich.• Le report de couches consiste à coller une couche piézoélectrique d’épaisseur submicronique, sur une tranche d’accueil en silicium, à partir d’une tranche monocristalline de ce même matériau piézoélectrique. Ce procédé unique, développé par le Leti et Soitec, a fait la preuve que le couplage électromécanique de couches de LiNbO 3 (niobate de lithium), de structure ilménite, peut égaler la valeur du matériau massif (soit environ 45%). Il est important de remarquer que ce résultat, obtenu sur des couches submicroniques, surpasse tous ceux publiés sur les couches minces polycristallines, quel que soit le matériau piézoélectrique considéré. Il s’agit d’un résultat très encourageant développé en collaboration avec le Laboratoire Femto ST de Besançon. Un renouveau de la magnétoélectricité : les multicouches multiferroïques Au premier rang des avantages collatéraux découlant de la R & D sur les matériaux multicouches, figure le décloisonnement entre plusieurs disciplines scientifiques. Ainsi, depuis 2008, le LCRF contribue au renou veau de la magnétoélectricité, à l’échelle mondiale, en ouvrant une nouvelle voie pour les matériaux multiferroïques qui vise à favoriser leur intégration. L’objectif consiste à combiner artificiellement des propriétés de natures différentes, notamment pour reproduire l’effet piezomagnétique. De multiples applications sont déjà envisagées (antennes et filtres accordables, commutateurs, mémoires...) avec, pour dénominateur commun, une consommation considérablement réduite grâce à une commande de l’aimantation par le champ électrique et non plus par le champ magnétique, gros consommateur de courant. Le principe inverse (générer de la a b 3 μm Figure 4. Filtres radiofréquence, à couplage acoustique, réalisés à partir de résonateurs piézoélectriques à base de nitrure d’aluminium (AlN). La figure « a » est une vue de dessus d’un filtre à couplage acoustique à deux sections (quatre résonateurs en tout). Les six rectangles latéraux sont les contacts électriques alors que les deux formes dites « apodisées », que l’on devine bombées, sont des résonateurs recouverts d’une couche de protection développée au Leti. La figure « b » est une vue, en coupe, du filtre (hors protection). On notera le nombre de couches très important nécessaire à la réalisation du composant (quatorze couches). Le miroir de Bragg empêche la perte d’énergie dans le substrat de silicium sous-jacent. Les résonateurs du bas et du haut sont constitués par une couche piézoélectrique (AlN) et par deux électrodes (molybdène). Entre ces deux résonateurs sont disposées des couches, dites de couplage, qui permettent de gérer l’échange d’énergie acoustique entre les résonateurs. C’est la combinaison de ces quatre éléments qui permet de réaliser la fonction de filtrage. tension à partir d’une source de champ magnétique) est également à l’étude car elle présente un grand intérêt pour la récupération d’énergie. Concernant la radiofréquence, l’avènement de la radio-opportuniste va opérer un tournant historique. Il s’agit d’un domaine où les difficultés de minia - turisation et de multifonctionnalité des blocs d’émission (réception et traitement du signal) obligent à une véritable rupture culturelle. Les départements système du Leti (5) figurent parmi les acteurs majeurs de cette initiative dans la communauté mondiale des télécommunications. Mais les verrous technologiques s’avèrent tels, qu’une partie de l’enjeu repose aussi sur les physiciens dont on attend de nouveaux matériaux. Le LCRF étudie actuellement des couches minces magnétodiélectriques capables de combiner une forte perméabilité () et une forte permittivité () (figure 5). En électromagnétisme, la manipulation de ces deux grandeurs fondamentales conduit à une miniaturisation extrême des structures résonantes et/ou rayonnantes en hyperfréquences (figure 6). En effet, leur taille représente une fraction de la longueur (4) LiNbO 3. (5) Le Département architecture conception et logiciel embarqué (Dacle) et le Département systèmes et intégration des systèmes (Dsis). résonateur supérieur couches de couplage résonateur inférieur miroir de Bragg Christophe Billard et Emmanuel Defaÿ/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 125



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