FR3144489A1 - Composant de connexion radiofréquence supraconducteur - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un composant électronique de connexion configurable, réalisé sur un substrat, et destiné à un fonctionnement en interrupteur et/ou en atténuateur. Ledit composant électronique comprenant un empilement de couches comprenant : - une première couche en un premier matériau de type cuprate supraconducteur, - une deuxième couche en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau et déposée sur la première couche ; - une troisième couche en un matériau électriquement conducteur et déposée sur la seconde couche formant une électrode de contrôle; ladite première couche présentant une résistivité variable selon la fraction molaire de l’oxygène dans ledit premier matériau. Figure pour l’abrégé : Fig. 3a
Description
La présente invention concerne le domaine de la transmission et réception des signaux radiofréquences (RF) et en particulier un composant de connexion intégré dans un dispositif de transmission et destiné à un fonctionnement en interrupteur et/ou en atténuateur. Plus particulièrement, l’invention concerne un composant réalisé avec un matériau supraconducteur pour un dispositif de transmission fonctionnant à des températures cryogéniques.
Les dispositifs de transmission de signaux RF réalisés par des microstructures et des nanostructures sur un substrat comprennent d’une manière générale une pluralité de pistes de transmission de signaux. Chaque piste de transmission constitue un guide d’onde pour confiner et guider des ondes électromagnétiques d’un point d’émission vers un point de réception. D’une manière générale, les dispositifs de transmission comprennent un réseau de composants de connexions entre les différentes microstructures qui le composent permettant de configurer son fonctionnement.
A titre d’exemple de composants de connexion, on cite les interrupteurs RF (RF switch en Anglais). Les interrupteurs RF (ou commutateurs RF) servent à activer ou désactiver la transmission dans une piste de transmission choisie. Cela permet de contrôler le flux d’information en activant une piste de transmission et en désactivant les autres pistes de transmission. À titre d’exemple de mode de fonctionnement des interrupteurs RF, la désactivation d’une piste de transmission est réalisée en la court-circuitant avec la masse électrique à travers un interrupteur RF dédié.
On cite en outre comme exemple de composants de connexion les atténuateurs RF. Il s’agit de composants permettant de réduire la puissance d’un signal transmis par une piste de transmission sans distorsion de l’onde électromagnétique.
Dans le domaine de la transmission radiofréquence, les composants de connexion communément utilisés sont les diodes de type PIN (de l’anglais Positive Intrinsic Negative diodes). Cette technologie nécessite l’injection d’un courant de polarisation (de l’ordre de 10mA pour chaque diode) à travers la diode d’une manière continue. Les courants de polarisation du réseau de diodes PIN induisent des pertes d’énergie par dissipation thermique par effet Joule.
Plus particulièrement, dans le contexte d’un dispositif de transmission fonctionnant à des températures cryogéniques, cette dissipation thermique pose un problème. En effet, il est nécessaire de maintenir le dispositif de transmission à une température de fonctionnement basse à l’aide d’un système de refroidissement. Les courants de polarisation des composants de connexion chauffent le dispositif de transmission ce qui augmente la consommation énergétique du système de refroidissement. L’énergie dépensée par le système de refroidissement pour compenser les pertes thermiques associées à la polarisation des composants de connexion représente une grande partie du budget énergétique global de refroidissement.
Ainsi, il existe un besoin pour réduire la consommation énergétique due à la polarisation des composants de connexion dans un dispositif de transmission des signaux RF et plus particulièrement dans le contexte d’un fonctionnement à des températures cryogéniques.
Nous allons commencer par introduire les solutions connues par l’Homme de l’art présentant des technologies alternatives aux diodes PIN pour réaliser des composants de connexion.
Une première solution connue concerne la réalisation de composant de connexion par des microsystèmes électromécaniques MEMS (de l’anglais Micro-Electro-Mechanical System). Cette solution présente l’inconvénient d’une dégradation considérable des performances en matière d’isolation et de pertes d’insertion pour les basses températures. De plus, le procédé de fabrication des composants MEMS est complexe et coûteux. De plus, les composants de connexion MEMS nécessitent à leur tour un courant de polarisation pendant le fonctionnement du dispositif de transmission.
Une deuxième solution connue concerne la réalisation de composant de connexion par des transistors de type GaN HEMT. Cette solution présente l’inconvénient d’une mauvaise isolation à l’état bloquant pour les hautes fréquences. Cela rend la technologie GaN HEMT incompatible avec les dispositifs de transmission des signaux radiofréquences (RF).
Une troisième solution connue concerne la réalisation de composant de connexion par des structures à base de Tellurure de Germanium. Ce matériau présente une phase cristalline et une phase amorphe selon la température appliquée. Pour basculer d’une phase à une autre, il est nécessaire de recourir à une succession d’étapes de chauffage et de refroidissement. Ainsi, cette solution présente l’inconvénient d’une augmentation considérable de la consommation énergétique à cause des cycles de chauffage et refroidissement. De plus, la température de chauffage peut atteindre 200°C ce qui rend cette solution incompatible au contexte d’un fonctionnement à des températures cryogéniques.
Pour pallier les limitations des solutions existantes en ce qui concerne la limitation de la consommation énergétique induite par les composants de connexion dans un dispositif de transmission des signaux RF, l’invention propose un composant de connexion configurable pour contrôler le flux des signaux dans un dispositif de transmission de signaux RF. Le composant selon l’invention est réalisé par un empilement de couches comprenant une couche en un matériau de type cuprate supraconducteur. La couche en cuprate supraconducteur présente trois états de conductivités configurables : le premier état est un état supraconducteur, le second état est un état isolant et le troisième état est un état résistif intermédiaire. Les différents états de conductivité sont rémanents et réversibles. Ainsi, le composant selon l’invention ne nécessite pas l’application d’une tension (ou courant) d’alimentation pour maintenir son état de conductivité. La rémanence des états de conductivité du composant de connexion selon l’invention permet ainsi de résoudre le problème de la consommation énergétique due à la polarisation des composants de connexion dans un dispositif de transmission des signaux RF.
Le dispositif selon l’invention permet l’obtention d’un fonctionnement en interrupteur en basculant entre l’état supraconducteur (interrupteur passant) et l’état isolant (interrupteur bloquant). La supraconductivité offre une meilleure connexion à l’état passant que les matériaux semiconducteurs utilisés dans les solutions de l’état de l’art.
Le dispositif selon l’invention permet l’obtention d’un fonctionnement en atténuateur en faisant varier sa résistance électrique d’une manière continue lorsqu’il est à l’état résistif intermédiaire.
Le dispositif selon l’invention présente en outre l’avantage d’une stabilité de la phase physique (solide, liquide, gaz) puisqu’il reste à l’état solide pour tous les états de conductivité.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un guide d’onde sur un substrat comprenant au moins un composant de connexion selon l’invention. Le procédé de fabrication est compatible avec les techniques de fabrication de circuits intégrés microélectroniques. Cela présente l’avantage d’une simplicité d’implémentation du procédé par les chaînes de production de l’industrie du semiconducteur. Ainsi, le procédé selon l’invention présente des coûts d’implémentation et de fabrication réduits par rapport aux solutions alternatives préalablement discutées.
L’invention a pour objet un composant électronique de connexion configurable, réalisé sur un substrat, et destiné à un fonctionnement en interrupteur et/ou en atténuateur, ledit composant électronique comprenant un empilement de couches comprenant :
- une première couche en un premier matériau de type cuprate supraconducteur,
- une deuxième couche en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau et déposée sur la première couche;
- une troisième couche en un matériau électriquement conducteur et déposée sur la seconde couche formant une électrode de contrôle;
Le premier matériau présentant des états de conductivité rémanents.
Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau présente des états de conductivité réversibles.
Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau est à l’état solide pour chaque état de conductivité.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la première couche est comprise entre 50 nm et 700 nm.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la deuxième couche est comprise entre 2 nm et 50 nm.
Selon un aspect particulier de l’invention, le composant électronique comprend en outre une quatrième couche en un matériau diélectrique confinée entre la deuxième couche et la troisième couche.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’épaisseur de la quatrième couche est supérieure à 100nm.
Selon un aspect particulier de l’invention, le premier matériau est le YBa2Cu3O7- δou Bi2Sr2Ca1Cu2O8- δou NdBa2Cu3O7- δ ,avec δ la variation de la fraction molaire de l’oxygène dans la première couche.
Selon un aspect particulier de l’invention, le deuxième matériau est choisi parmi l’aluminium ou l’argent ou l’Yttrium ou l’Or ou le Molybdène ou le Silicium.
Selon un aspect particulier de l’invention, le substrat est réalisé en saphir ou en MgO ou en SrTiO3 ou en Silicium.
Selon un aspect particulier de l’invention, le composant électronique comprend en outre une couche tampon confinée entre le substrat et la première couche lorsque le substrat est réalisé en Silicium.
Selon un aspect particulier de l’invention, la couche tampon est réalisée en oxyde de cérium ou en zircone stabilisée à l'yttrium.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’empilement de couches forme un parallélépipède ayant une base de longueur supérieure à 10µm.
L’invention a également pour objet un dispositif de transmission de signaux radio fréquence réalisé sur un substrat comprenant :
- une première microstructure configurée pour propager un signal radiofréquence;
- une seconde microstructure connectée à une tension de masse électrique ;
- un composant électronique de connexion selon l’invention tel que :
- la première microstructure est connectée à la seconde microstructure par l’intermédiaire de la première couche du composant ;
- l’électrode de contrôle est configurée pour recevoir un signal de contrôle permettant de commander les états de conductivité de la première couche.
Selon un aspect particulier de l’invention, le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de contrôle configurés pour générer le signal de contrôle selon deux configurations :
une première configuration permettant d’obtenir l’état supraconducteur de la première couche de manière à mettre en court-circuit la première microstructure avec la seconde microstructure ; et une seconde configuration permettant d’obtenir l’état isolant de la première couche de manière à isoler électriquement la première microstructure de la seconde microstructure. Le composant électronique ayant une fonction d’interrupteur.
Selon un aspect particulier de l’invention, le dispositif de transmission comprend en outre des moyens de contrôle configurés pour générer le signal de contrôle de manière à faire varier la résistivité variable du composant électronique sur une plage de valeurs correspondant à l’état résistif intermédiaire. Le composant électronique ayant une fonction d’atténuateur.
Selon un aspect particulier de l’invention, la première microstructure et la seconde microstructure comprennent chacun :
- une structure de guidage réalisée avec le premier matériau de type cuprate supraconducteur;
- une couche métallique déposée sur la structure de guidage formant une électrode d’alimentation.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un dispositif de transmission de signaux radio fréquence comprenant les étapes suivantes :
- fabriquer au moins une première microstructure et une seconde microstructure et au moins une première couche reliant lesdites microstructures.
la première couche étant en un premier matériau de type cuprate supraconducteur. - déposer, sur chaque première couche, une deuxième couche en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau.
- déposer, sur chaque deuxième couche, une troisième couche en un matériau électriquement conducteur.
Selon un aspect particulier de l’invention, l’étape a) comprend les sous-étapes suivantes :
- déposer une couche intermédiaire du premier matériau de type cuprate supraconducteur répartie sur un substrat;
- déposer une couche métallique intermédiaire sur la couche intermédiaire du premier matériau ;
- graver sélectivement la couche métallique pour réaliser au moins deux électrodes d’alimentation;
- graver sélectivement la couche du premier matériau pour:
- réaliser, pour chaque électrode d’alimentation, une structure de guidage composée du premier matériau ;
- et réaliser, entre au moins deux structures de guidage adjacentes, au moins une première couche reliant lesdites deux structures de guidage adjacentes;
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
La illustre une vue en perspective d’un premier mode de réalisation du composant de connexion 10 selon l’invention dans un repère (x, y, z). Le composant de connexion 10 est réalisé par un empilement de couches minces sur un substrat SUB. L’axe du composant Δ est l’axe perpendiculaire au plan horizontal (x,y) formé par la surface supérieure du substrat SUB. Le composant de connexion 10 comprend les couches suivantes en partant du substrat, selon la direction de l’axe du composant Δ : une première couche C1 en un matériau supraconducteur ; une deuxième couche C2 en un matériau plus électronégatif que le matériau supraconducteur et une troisième couche C3 en un matériau électriquement conducteur.
Avantageusement, le substrat est réalisé en saphir ou en MgO ou en SrTiO3 ou en Silicium. Ainsi, le composant de connexion 10 est réalisable via un procédé compatible avec les procédés de fabrication de l’industrie du semiconducteur.
La première couche C1 constitue la zone active du composant de connexion 10. La première couche C1 est réalisée en un premier matériau de type cuprates supraconducteurs. Les cuprates supraconducteurs sont des « supraconducteurs à haute température critique » constitués de couches d’oxyde de cuivre CuO2alternant avec des couches de réservoirs de charges qui sont des oxydes d’autres métaux. On entend par « supraconducteur à haute température critique » un matériau présentant une température critique de supraconductivitéT c relativement élevée par rapport aux supraconducteurs conventionnels (supérieure à 30K).
D’une manière générale, un matériau de type cuprates supraconducteurs présente une résistivité variable selon la fraction molaire de l’oxygène dans la composition chimique dudit matériau. La sensibilité de la résistivité à la fraction molaire de l’oxygène est nettement supérieure dans les cuprates en comparaison aux autres matériaux supraconducteurs. Pour une température de fonctionnement donnée, cette caractéristique permet d’obtenir dans la première couche C1, les états de conductivité suivants : un état supraconducteur ou un état isolant ou un état résistif intermédiaire.
L’état supraconducteur correspond à une résistance électrique quasi nulle de la première couche C1. L’état isolant correspond à une résistance électrique très élevée de la première couche C1. Dans l’état résistif intermédiaire, la résistance est variable d’une manière continue selon la variation de la fraction molaire de l’oxygène dans la composition chimique du premier matériau.
Les états de conductivité du premier matériau de type cuprates supraconducteurs sont des états rémanents. Ainsi, l’état de conductivité est maintenu sans la nécessité d’une application continue d’une tension d’alimentation (ou courant). Le composant de connexion 10 est non volatile et sa consommation énergétique est réduite.
Les états de conductivité du premier matériau de type cuprates supraconducteurs sont des états réversibles. Cela permet de basculer d’un état de conductivité à un autre.
Les états de conductivité du premier matériau de type cuprates supraconducteurs correspondent toujours à un état physique solide. Cette stabilité de l’état physique du premier matériau permet son intégration dans un composant à empilement de couches minces.
A titre d’exemples non limitatifs, la première couche C1 est réalisée avec le YBa2Cu3O7- δ(ou YBCO) ou Bi2Sr2Ca1Cu2O8- δou NdBa2Cu3O7- δ ,avec δ un réel positif présentant la variation de la fraction molaire de l’oxygène dans la première couche C1. Pour une température de fonctionnement donnée, lorsque δ est inférieure à une première valeur limite, le premier matériau est à l’état supraconducteur. Pour une température de fonctionnement donnée, lorsque δ est supérieure à une seconde valeur limite, le premier matériau est à l’état supraconducteur. Lorsque δ est comprise entre la première valeur limite et la seconde valeur limite, le premier matériau est à l’état résistif intermédiaire. A titre d’exemple, pour une couche C1 en YBCO à une température de fonctionnement T=70K, la première valeur limite est égale à 0,3 et la seconde valeur limite est égale à 0,6.
La sensibilité de la résistivité du premier matériau à la fraction molaire de l’oxygène dans sa composition chimique est exploitée pour réaliser la zone active configurable du composant de connexion 10.
La deuxième couche C2 est déposée directement sur la première couche C1. La deuxième couche C2 est réalisée par un deuxième matériau plus électronégatif que le premier matériau. L’électronégativité d’un matériau est sa capacité à attirer des porteurs de charges négatives. A titre d’exemples non limitatifs, la deuxième couche C2 est réalisée avec l’aluminium ou l’argent ou l’Yttrium ou l’Or ou le Molybdène ou le silicium.
La troisième couche C3 est déposée sur la deuxième couche C2. La troisième couche C3 est réalisée par un matériau électriquement conducteur pour former une électrode de contrôle EL3 recevant une tension de contrôle Vc. A titre d’exemple, la tension de contrôle Vcest sous forme d’impulsion carrée définie par une amplitude et une durée d’application.
Nous allons dans ce qui suit expliquer le mécanisme de fonctionnement de l’empilement des couches C1/C2/C3 pour obtenir un composant de connexion 10 configurable. Lorsqu’une tension de contrôle Vcpositive est appliquée à l’électrode de contrôle EL3, un champ électrique est créé à travers l’empilement des couches C1/C2/C3. Le champ électrique induit la création de lacunes d’oxygène et induit un mouvement des ions d’oxygène négatifs du réseau cristallin de la première couche C1 vers l’interface avec la deuxième couche C2. La deuxième couche C2 est plus électronégative que la première couche C1 ; donc les ions d’oxygène négatifs provenant de la première couche C1 sont absorbés par la deuxième couche C2. Ainsi, la fraction molaire de l’oxygène dans la première couche C1 est modifiée. Il en résulte une augmentation de la résistivité de la première couche C1 par l’action de la tension de contrôle Vcappliquée sur l'électrode de contrôle EL3. Inversement, lorsqu’une tension de contrôle Vcnégative est appliquée à l’électrode de contrôle EL3, la résistivité de la première couche C1 diminue par le mécanisme inverse.
Comme illustré, la première couche C1 présente une largeur l1 et une longueur L1; la deuxième couche C2 présente une largeur l2 et une longueur L2 ; et la troisième couche C3 présente une largeur l3 et une longueur L3. L’exemple de dimensionnement illustré présente des largeurs l1, l2 et l3 égales pour simplifier le procédé de fabrication. Pour un état de conductivité donnée, la conductivité de la première couche C1 augmente avec la largeur l1 de ladite couche. La longueur L1 de la première couche C1 est supérieure à celles des couches C2 et C3 de manière à obtenir deux extrémités de la première couche C1 qui dépassent l’empilement des couches C1/C2/C3. La première extrémité forme une première électrode de connexion EL1. La seconde extrémité forme une première électrode de connexion EL2. On obtient ainsi un composant de connexion 10 présentant une électrode de contrôle EL3 destinée à recevoir la tension de contrôle Vcet deux électrodes de connexion EL1 et EL2.
On décrit le cas où le composant de connexion 10 est destiné à un fonctionnement en interrupteur. La tension de contrôle Vcprésente une amplitude et/ou une durée suffisamment élevée afin d’entrainer le basculement de la première couche C1 entre les états de conductivité extrêmes : un état supraconducteur ou un état isolant. On obtient ainsi, un fonctionnement en interrupteur configurable. Par analogie avec le fonctionnement d’un transistor CMOS, l’électrode de contrôle EL3 joue le rôle de la grille ; les électrodes de connexion EL1 et EL2 jouent le rôle de la source et du drain.
On décrit le cas où le composant de connexion 10 est destiné à un fonctionnement en atténuateur. La tension de contrôle Vcprésente une amplitude et/ou une durée choisie afin de faire varier graduellement la résistivité de la première couche C1 à travers les trois états de conductivité. On obtient ainsi, un fonctionnement en atténuateur à impédance variable en continu.
Pour mieux comprendre le dimensionnement du composant de connexion 10, la illustre une vue en coupe dans le plan (x,z) du premier mode de réalisation du composant de connexion 10. La première couche C1 a une épaisseur e1, la deuxième couche C2 a une épaisseur e2 et la troisième couche a une épaisseur e3.
Avantageusement, l’épaisseur e1 de la première couche C1 est supérieure à 50nm pour assurer une robustesse mécanique de la couche déposée par épitaxie. En effet, si la première couche C1 n’est pas suffisamment épaisse, elle présenterait des fragilités mécaniques. De plus, cela permet de maintenir la température critique de supraconductivitéT c de la première couche à une valeur élevée.
Avantageusement, l’épaisseur e1 de la première couche C1 est inférieure à 700nm pour éviter d’obtenir une surface supérieure rugueuse. En effet, si la surface supérieure de la première couche C1 est rugueuse, l’interface entre la première couche C1 et la deuxième couche C2 présenterait des défauts d’adhérence surfacique lors du dépôt. Ces défauts réduisent la performance électrique du composant de connexion et réduisent sa robustesse mécanique. D’ailleurs, les défauts surfaciques sous forme d’excroissances peuvent créer une concentration locale des champs électriques avec des risques de destruction de la couche. De plus, les excroissances peuvent créer des discontinuités dans la deuxième couche C2. Les discontinuités induisent des court-circuits au niveau de l’interface entre les deux couches C1 et C2.
Avantageusement, l’épaisseur e2 de la deuxième couche C2 est supérieure à 2nm pour assurer un pouvoir d’attraction des ions oxygène suffisant. Cela est nécessaire pour réaliser la fonction de « pompage » d’ions oxygène à partir de la première couche C1. De plus, une deuxième couche C2 trop fine présente une structure irrégulière pendant le dépôt avec un risque de création de zones de fragilité mécanique et électrique.
Avantageusement, l’épaisseur e2 de la deuxième couche C2 est inférieure à une valeur limite supérieure pour éviter d’obtenir des états de conductivité irréversibles. En effet, si la deuxième couche C2 est trop épaisse, ladite couche aura un très fort potentiel d’attraction des ions d’oxygène. La tension de contrôle risque de devenir inefficace pour contrôler l’état de conductivité de la première couche C1. Il y a ainsi un risque de rester bloqué dans un état de conductivité isolant pour une deuxième couche C2 très épaisse. Le dimensionnement de la deuxième couche dépend ainsi de l’électronégativité du deuxième matériau qui la constitue. A titre d’exemple, dans le cas de l’argent, l’épaisseur e2 de la couche C2 est comprise entre 2nm et 50nm. Dans le cas de l’aluminium plus électronégatif que l’argent, l’épaisseur e2 de la couche C2 est comprise entre 2nm et 10nm.
La illustre une vue de dessus du premier mode de réalisation du composant de connexion 10. L’empilement des couches C1/C2/C3 présente une structure en « mésa » reposant sur la première couche C1 avec une largeur égale pour les trois couches qui constituent ladite structure. D’une manière générale, plus la largeur de la structure est grande, moins la structure est résistive. Avantageusement, la largeur des trois couches l1=l2=l3 est choisie égale à 10µm. La longueur L1 de la première couche C1 est supérieure à celles de la deuxième et troisième couches afin de réaliser les deux électrodes de connexion EL1 et EL2.
La illustre une vue en coupe d’un deuxième mode de réalisation du composant de connexion 11. Dans ce mode de réalisation, l’empilement de couches du composant de connexion 11 comprend en outre une quatrième couche C4 en matériau diélectrique. La quatrième couche est confinée entre la deuxième couche C2 et la troisième couche C3. L’avantage de l’insertion de la quatrième couche C4 en diélectrique est d’éviter l’injection de courants intenses à partir de l’électrode de contrôle EL3 dans la structure du composant de connexion 11. Par analogie, ladite couche en diélectrique joue un rôle similaire à la couche d’oxyde au niveau de la grille d’un transistor CMOS. Cette couche augmente ainsi la fiabilité du composant et sa robustesse technologique et prolonge ainsi sa durée de vie. A titre d’exemple, la quatrième couche C4 est réalisée en dioxyde de silicium, oxyde d’aluminium ou nitrure de silicium. Avantageusement, l’épaisseur e4 de la quatrième couche C4 est supérieure à 100nm pour protéger la première couche C1 et la deuxième couche C2 des courants forts provenant de l’électrode de contrôle pendant l’application d’une tension de contrôle.
La illustre une vue en coupe d’un troisième mode de réalisation du composant de connexion 12. Le substrat SUB est réalisé en silicium dans ce mode de réalisation. L’empilement de couches du composant de connexion 12 comprend en outre une couche tampon CT confinée entre le substrat SUB et la première couche C1. La couche de transition CT permet de réaliser une adaptation de la maille cristalline du premier matériau de la première couche C1 avec celle du substrat lors de la croissance par épitaxie. Avantageusement, la couche tampon CT est réalisée en oxyde de cérium ou en zircone stabilisée à l'yttrium. De plus, la couche tampon CT permet d’isoler chimiquement la première couche C1 du substrat SUB.
Nous avons décrit le deuxième mode de réalisation et le troisième mode de réalisation d’une manière séparée par souci de clarté. Un quatrième mode de réalisation est envisageable dans lequel le composant de connexion comprend l’empilement de couches suivant à partir du substrat : la couche de tampon CT, la première couche C1 en matériau supraconducteur, la deuxième couche C2 en matériau plus électronégatif que celui de la première couche, la quatrième couche C4 en diélectrique, la troisième couche C3 formant l’électrode de contrôle.
La illustre une vue en perspective d’un premier mode de réalisation d’un dispositif de transmission de signaux RF, noté 1, comprenant au moins un composant de connexion selon l’invention.
Le dispositif 1 de transmission de signaux radiofréquence est réalisé sur le substrat SUB. Le dispositif 1 comprend : une première microstructure 20 configurée pour propager un signal radiofréquence Vs , deux microstructures de masse électrique 30 et 30’ chacune étant connectée à la masse électrique globale du dispositif 1, et une pluralité de composants de connexion 10 selon l’invention. La première microstructure 20 constitue une piste de transmission et les deux microstructures 30 et 30’ constituent des pistes de masse. La piste de transmission 20 est disposée, entre les deux pistes de masse 30 et 30’. A titre illustratif et sans perte de généralité, le dispositif 1 comprend quatre composants de connexion 10. La piste de transmission 20 est connectée à la première piste de masse 30 adjacente à travers deux composants de connexion 10. La piste de transmission 20 est connectée à la seconde piste de masse 30’ adjacente à travers deux composants de connexion 10.
Avantageusement, le substrat est réalisé en saphir ou en MgO ou en SrTiO3 ou en silicium.
Le dispositif 1 comprend en outre des moyens de contrôle (non représentés ici) pour générer les signaux de contrôle (Vc1, Vc2Vc3Vc4) associés respectivement à chaque composant de connexion 10. A titre d’exemple, les différents composants de connexion 10 permettent d’activer ou désactiver la transmission du signal Vs à travers la piste de transmission 20. Lorsque les composants de connexion 10 sont configurés par les signaux de contrôle à un état résistif isolant, la piste de transmission 20 est isolée électriquement des pistes de masse adjacentes 30 et 30’. La transmission est activée et le signal Vs est alors propagé à travers la piste de transmission 20 vers le point de réception. Lorsque les composants de connexion 10 sont configurés par les signaux de contrôle à un état résistif supraconducteur, la piste de transmission 20 est connectée électriquement aux pistes de masse adjacentes 30 et 30’. La transmission est désactivée et le signal Vs n’est pas propagé à travers la piste de transmission 20 vers le point de réception.
Alternativement, les différents composants de connexion 10 permettent d’atténuer le signal Vs transmis à travers la piste de transmission 20. Les composants de connexion 10 sont configurés par les signaux de contrôle à un état résistif intermédiaire. Ainsi, l’impédance des composants de connexion 10 est variable en continu dans la plage de valeurs définissant l’état résistif intermédiaire. Cela permet de contrôler l’atténuation de l’amplitude du signal transmis Vs.
La illustre une vue de dessus du premier mode de réalisation d’un dispositif de transmission de signaux RF comprenant une pluralité de composants de connexion 10. Nous nous limitons à présenter le dispositif de transmission 1 d’un seul côté selon le sens de propagation PROP par souci de simplification.
La piste de transmission 20 comprend une structure de guidage 20 réalisée en un matériau électriquement conducteur. La structure de guidage 20 sert à confiner et propager les ondes électromagnétiques du signal propagé Vs vers le point de réception selon la direction de propagation PROP.
La piste de transmission 20 comprend en outre une électrode d’alimentation 22 en un matériau électriquement conducteur déposée sur la structure de guidage 20. Dans le cas illustré, l’électrode d’alimentation 22 est déposée au niveau de l’extrémité de piste de transmission 20 du côté du point de réception. L’électrode d’alimentation 22 est configurée pour fournir le signal propagé Vs à un terminal de réception non représenté ici. Symétriquement, lorsque l'électrode d’alimentation 22 est déposée au niveau de l’extrémité de piste de transmission 20 du côté du point d’émission, elle est configurée pour recevoir le signal propagé Vs généré par un terminal d’émission.
La piste de masse 30 comprend une structure de guidage 31 en un matériau conducteur et une électrode d'alimentation 32 configurée pour recevoir la tension de masse électrique du dispositif. La piste de masse 30’ est identique à la piste de masse 30.
D’une manière générale, pour connecter une première structure 20 à une seconde structure 30 adjacente par l’intermédiaire d’un composant de connexion 10, ledit composant est agencé de la manière suivante : la première électrode de connexion EL1 est mise en contact avec la structure de guidage 21 de la première structure 20 et la seconde électrode de connexion EL2 est mise en contact avec la structure de guidage 31 de la première structure 30. La connexion entre la première structure 20 et la seconde structure 30’ adjacente de l’autre côté est réalisée de la même manière.
Avantageusement, les structures de guidage 21, 31 et 31’ sont réalisées avec le même matériau supraconducteur utilisé pour réaliser la première couche C1 de chaque composant de connexion 10. Cela permet d’exploiter la supraconductivité du premier matériau pour une transmission plus efficace. De plus, cela permet de réaliser la première couche C1 de chaque composant de connexion et les structures de guidages 21, 31 et 31’ à partir de la même couche du matériau supraconducteur. Le procédé de fabrication du dispositif 1 de transmission de signaux radiofréquence est ainsi simplifié et les coûts sont réduits.
La illustre une vue en perspective d’un second mode de réalisation d’un dispositif 2 de transmission de signaux RF comprenant un composant de connexion 10 selon l’invention.
Le dispositif de transmission 2 comprend une piste de transmission 20, un composant de connexion 10 selon l’invention et une microstructure 40 sous forme de « mésa ». La microstructure 40 est réalisée par l’empilement d’une première couche 41 réalisée avec le premier matériau supraconducteur, et d’une couche métallique 42 formant une électrode d’alimentation. La piste de transmission 20 du second mode de réalisation est identique à celle du premier mode de réalisation.
La microstructure 40 est connectée à la piste de transmission 20 à travers le composant de connexion 10. La première électrode de connexion EL1 est mise en contact (ou en continuité) avec la structure de guidage 21 et la seconde électrode de connexion EL2 est mise en contact (ou en continuité) avec la première couche 41 de la microstructure 40.
La piste de transmission 20, le composant de connexion 10 et la microstructure 40 sont réalisés sur une première face SUB_a du substrat SUB. Le dispositif de transmission 2 comprend en outre un plan de masse 50 métallique déposé sur la face opposée SUB_b du substrat SUB. Avantageusement, le substrat est réalisé en saphir ou en MgO ou en SrTiO3 ou en silicium. L’électrode d’alimentation de la structure 40 est connectée électriquement au plan de masse 50 par exemple par l’intermédiaire d’un fil 51 réalisé par la technique dite de « wire bonding ».
Ainsi, il est possible d’activer ou désactiver la transmission à travers la piste de transmission 20 en configurant l’état de conductivité du composant de connexion 10 entre un état isolant ou supraconducteur.
Alternativement, il est possible d’atténuer le signal Vs transmis à travers la piste de transmission 20. Les composants de connexion 10 sont configurés par les signaux de contrôle à un état résistif intermédiaire. Ainsi, l’impédance des composants de connexion 10 est variable en continu dans la plage de valeurs définissant l’état résistif intermédiaire. Cela permet de contrôler l’atténuation de l’amplitude du signal transmis Vs.
A titre d’exemple, la illustre la variation de l’atténuation du dispositif de transmission 10 des signaux RF lorsque le composant de connexion 10 est configuré pour un fonctionnement en atténuateur.
Lorsque le composant de connexion 10 est configuré à un état supraconducteur ES, la piste de connexion 20 est court-circuitée avec la masse électrique et on observe une atténuation supérieure à 40 dB et allant jusqu’à 50 dB. La résistance de composant de connexion est de l’ordre de 1mΩ. Ainsi, le composant de connexion 10 présente une meilleure performance par rapport aux diodes PIN et aux structures à base de Tellurure de germanium tout en consommant moins d’énergie.
Lorsque le composant de connexion 10 est configuré à un état résistif intermédiaire ER, la résistance couvre une large plage de variation allant de 1mΩ à 80Ω. Cela permet d’accéder à un continuum de valeurs de résistance pour configurer l’atténuation avec précision.
Lorsque le composant de connexion 10 est configuré à un état isolant EI, la piste de connexion 20 est isolée de la masse électrique et on observe une atténuation inférieure à 3dB. La résistance de composant de connexion est de l’ordre de 100Ω. Ainsi, le composant de connexion 10 présente une isolation comparable aux diodes PIN tout en consommant moins d’énergie.
La illustre un procédé de fabrication du premier mode de réalisation du dispositif de transmission 10 décrit préalablement. On part d’un substrat SUB sous forme de galette (wafer en anglais). Pour faciliter la compréhension du déroulement du procédé, on illustre pour chaque étape une ou deux vues en coupe du résultat de l’étape réalisée. La première vue en coupe correspond à l’axe de coupe A-A au niveau de l’extrémité de la piste de transmission telle qu'illustrée sur la . La seconde vue en coupe correspond à l’axe de coupe B-B au niveau d’un composant de connexion tel qu’illustré sur la .
La première étape (i) consiste à déposer une couche intermédiaire C1_int du premier matériau de type cuprate supraconducteur réparti sur toute la surface du substrat SUB. Le dépôt de la couche intermédiaire C1_int en cuprate supraconducteur est réalisé par croissance épitaxiale par exemple.
La deuxième étape (ii) consiste à déposer une couche métallique intermédiaire CM_int sur toute la surface supérieure de la couche intermédiaire C1_int du premier matériau. Le dépôt de la couche métallique intermédiaire CM_int est réalisé par pulvérisation cathodique ou par dépôt chimique en phase vapeur par exemple.
La troisième étape (iii) consiste à graver sélectivement la couche métallique pour réaliser les électrodes d’alimentation 22, 32 au niveau de l’axe A-A. La couche métallique intermédiaire CM_int est supprimée par gravure du reste de la surface tel qu’illustré sur la coupe selon l’axe B-B. La gravure est réalisable par une technique de gravure par faisceau d’ions (ion beam etching en anglais) à titre d’exemple.
La quatrième étape (iv) consiste à graver sélectivement la couche du premier matériau pour réaliser, pour chaque électrode d’alimentation, une structure de guidage 21, 31 et 31’ avec le premier matériau supraconducteur. La coupe selon l’axe A-A montre la séparation entre les différentes structures de guidage 31, 21 et 31’. Simultanément, cette étape permet de réaliser, entre au moins deux structures de guidage 21, 31 et 31’ adjacentes, au moins une première couche C1 reliant lesdites deux structures de guidage adjacentes 21, 31 et 31’ tel qu’illustré par la vue en coupe selon B-B.
La cinquième étape (v) consiste à réduire l’épaisseur des premières couches C1 par gravure par faisceau d’ions offrant plus de précision de gravure. Il s’agit d’une étape optionnelle pour obtenir une surface plane. Cette étape permet en outre d’assurer une homogénéité de la variation des ions d’oxygène dans les premières couches C1.
La sixième étape (vi) consiste à déposer, sur chaque première couche C1, une deuxième couche C2 en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau.
La septième étape (vii) consiste à déposer, sur chaque deuxième couche C2 une troisième couche C3 en un matériau électriquement conducteur afin de former les électrodes de commande EL3 de chaque composant de connexion 10. On obtient ainsi avec chaque empilement des premières, deuxièmes et troisièmes couches, un composant électronique de connexion 10 configurable, reliant deux structures de guidage adjacentes.
L’ensemble des étapes du procédé selon l’invention est compatible avec les techniques usuelles de fabrication microélectronique dans l’industrie des semiconducteurs. Cela permet de réduire le coût d’implémentation et de mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’invention.
Claims (19)
- Composant électronique de connexion (10) configurable, réalisé sur un substrat (SUB), et destiné à un fonctionnement en interrupteur et/ou en atténuateur, ledit composant électronique (1) comprenant un empilement de couches comprenant :
- une première couche (C1) en un premier matériau de type cuprate supraconducteur,
- une deuxième couche (C2) en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau et déposée sur la première couche (C1) ;
- une troisième couche (C3) en un matériau électriquement conducteur et déposée sur la seconde couche (C2) formant une électrode de contrôle;
le premier matériau présentant des états de conductivité rémanents. - Composant électronique de connexion (10) selon la revendication 1 dans lequel le premier matériau présente des états de conductivité réversibles.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel le premier matériau est à l’état solide pour chaque état de conductivité.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’épaisseur de la première couche (C1) est comprise entre 50 nm et 700 nm.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’épaisseur de la deuxième couche (C2) est comprise entre 2 nm et 50 nm.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une quatrième couche (C4) en un matériau diélectrique confinée entre la deuxième couche (C2) et la troisième couche (C3).
- Composant électronique de connexion (10) selon la revendication précédente dans lequel l’épaisseur de la quatrième couche (C4) est supérieure à 100nm.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier matériau est le YBa2Cu3O7-δou Bi2Sr2Ca1Cu2O8-δou NdBa2Cu3O7-δ,avec δ la variation de la fraction molaire de l’oxygène dans la première couche (C1).
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le deuxième matériau est choisi parmi l’aluminium ou l’argent ou l’Yttrium ou l’Or ou le Molybdène ou le Silicium.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (SUB) est réalisé en saphir ou en MgO ou en SrTiO3 ou en Silicium.
- Composant électronique de connexion (10) selon la revendication précédente comprenant en outre une couche tampon (CT) confinée entre le substrat (SUB) et la première couche (C1) lorsque le substrat (SUB) est réalisé en Silicium.
- Composant électronique de connexion (10) selon la revendication précédente dans lequel la couche tampon est réalisée en oxyde de cérium ou en zircone stabilisée à l'yttrium.
- Composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que l’empilement de couches forme un parallélépipède ayant une base de longueur supérieure à 10µm.
- Dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence réalisé sur un substrat (SUB) comprenant :
- une première microstructure (20) configurée pour propager un signal radiofréquence (Vs) ;
- une seconde microstructure (30, 30’) connectée à une tension de masse électrique (Vgnd) ;
- un composant électronique de connexion (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes tel que :
- la première microstructure (20) est connectée à la seconde microstructure (30, 30’) par l’intermédiaire de la première couche (C1) du composant ;
- l’électrode de contrôle est configurée pour recevoir un signal de contrôle (Vc) permettant de commander les états de conductivité de la première couche (C1) ;
- Dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence selon la revendication 14 comprenant en outre des moyens de contrôle configurés pour générer le signal de contrôle (Vc) selon deux configurations :
une première configuration permettant d’obtenir l’état supraconducteur de la première couche (C1) de manière à mettre en court-circuit la première microstructure avec la seconde microstructure ;
et une seconde configuration permettant d’obtenir l’état isolant de la première couche (C1) de manière à isoler électriquement la première microstructure de la seconde microstructure ;
le composant électronique (10) ayant une fonction d’interrupteur. - Dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence selon la revendication 14 comprenant en outre des moyens de contrôle configurés pour générer le signal de contrôle (Vc) de manière à faire varier la résistivité variable du composant électronique (10) sur une plage de valeurs correspondant à l’état résistif intermédiaire (ER) ;
le composant électronique (10) ayant une fonction d’atténuateur. - Dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence selon l’une quelconque des revendications 14 à 16 dans lequel la première microstructure (20) et la seconde microstructure (30, 30’) comprennent chacun :
une structure de guidage (21,31,31’) réalisée avec le premier matériau de type cuprate supraconducteur;
une couche métallique déposée sur la structure de guidage (21,31,31’) formant une électrode d’alimentation (22, 32, 32’); - Procédé (P1) de fabrication d’un dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence comprenant les étapes suivantes :
- fabriquer au moins une première microstructure (20) et une seconde microstructure (30, 30’) et au moins une première couche (C1) reliant lesdites microstructures (20, 30, 30’) ;
la première couche (C1) étant en un premier matériau de type cuprate supraconducteur ; - déposer, sur chaque première couche (C1), une deuxième couche (C2) en un second matériau plus électronégatif que le premier matériau ;
- déposer, sur chaque deuxième couche (C2), une troisième couche (C3) en un matériau électriquement conducteur ;
- fabriquer au moins une première microstructure (20) et une seconde microstructure (30, 30’) et au moins une première couche (C1) reliant lesdites microstructures (20, 30, 30’) ;
- Procédé (P1) de fabrication d’un dispositif (1) de transmission de signaux radio fréquence selon la revendication 18 dans lequel l’étape a) comprend les sous-étapes suivantes :
- déposer une couche intermédiaire (C1_int) du premier matériau de type cuprate supraconducteur répartie sur un substrat (SUB) ;
- déposer une couche métallique intermédiaire (CM_int) sur la couche intermédiaire (C1_int) du premier matériau ;
- graver sélectivement la couche métallique pour réaliser au moins deux électrodes d’alimentation (22, 32);
- graver sélectivement la couche du premier matériau pour:
- réaliser, pour chaque électrode d’alimentation, une structure de guidage (21,31,31’) composée du premier matériau ;
- et réaliser, entre au moins deux structures de guidage (21,31,31’) adjacentes, au moins une première couche (C1) reliant lesdites deux structures de guidage adjacentes (21,31,31’) ;
une structure de guidage (21,31,31’) réalisée avec le premier matériau et une électrode d’alimentation (22, 32, 32’).
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Also Published As
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