MEMSGAN-MEMS à base d'hétérostructures AlGaN/GaN
- Figure 1. a) Image d’un microrésonateur MEMS en GaN de 110 µm de long et 5 µm de large. A gauche, l’actuation se fait par un contact Schottky intégré sur la poutre. A droite, la détection le R-HEMT assure la détection par conversion de la déformation en charge par l’effet piézoélectrique. La forme elliptique revèle la sous-gravure lors de libération de la poutre. b) image MEB du R-HEMT. c) Set up de mesure du résonateur
Les résonateurs MEMS/NEMS (Micro-Nano ElectroMechanical Systems) constituent un domaine extrêmement riche à la fois du point de vue des applications télécom (filtres et oscillateurs RF), mais aussi pour réaliser de nouvelles percées en instrumentation pour les nano et bio-technologies. En effet, alors que les fréquences supérieures à 10MHz étaient traditionnellement réservées aux ondes électromagnétiques, il est maintenant possible de définir par technologies top-down des structures mécaniques monocristallines qui vibrent à des fréquences jusqu’à 1GHz. Ces dispositifs atteignent des forts facteurs de qualité (10 000), ce qui leur ouvre des applications de type temps-fréquence, microscopie à force atomique (AFM) ou encore la mesure d’interactions spécifiques entre protéines. Mais nombre de réalisations de l’état de l’art, qui utilisent une technologie silicium avec des transducteurs capacitifs ou piézorésistifs se heurtent à un verrou majeur: leur sensibilité et leur bande passante est trop faible pour détecter les vibrations mécaniques au dessus de 10 MHz.
- Figure 2. a) Spectre de vibration expérimental à l’air. La vibrométrie optique met en évidence les 3 premiers modes de flexion. b) Réponse du R-HEMT sous vide pour le même composant. Le point de polarisation statique est indiqué en insert (c). L’admittance Y21=∂Iac/∂Vac-ACT montre l’effet de transduction piézoélectrique.
Dans ce contexte, ce projet propose non seulement de nouveaux dispositifs MEMS III-V mais aussi une filière complète de microsystèmes basée sur le nitrure de gallium (GaN) et les hétérostructures AlGaN/GaN. Déjà appliqué avec succès aux transistors HEMT hyperfréquence, ce matériau rassemble des propriétés semi-conductrices remarquables (large bande interdite, haute mobilité) et est aussi un cristal piézoélectrique. Ce projet comprend:
1- la croissance en épitaxie par jets moléculaires (MBE) d’hétérostructures AlGaN/GaN sur substrat Si. Cette structure contient un gaz bidimensionnel d’électrons dont la concentration est directement reliée aux effets de polarisation spontanée et piézoélectrique, le tout sur substrat permettant de graver et libérer des MEMS.
2- l'étude des propriétés mécaniques des matériaux déposés.
3- le développement du design et d’une technologie de micro et nanofabrication permettant d’utiliser ces gaz bidimensionnels comme transducteurs électromécaniques intégrés ultrasensibles et à haute bande passante.
4- la fabrication et la caractérisation d’un premier résonateur MEMS GaN fonctionnant au-dessus de 100MHz. Le résonateur sera co-intégré avec un amplificateur faible bruit (LNA ou low-noise amplifier) à base de HEMTs pour une détection à la fois haute fréquence et à fort rapport signal/bruit permettant d'atteindre ainsi une résolution spatiale proche de 10 fm.
- Démonstration de la détection piézoélectrique amplifiée sur le premier mode de flexion. L'évolution de l'admittance du résonateur est mesurée sous-vide (2.10-4 Torr). On observe que la tension de drain permet d'augmenter le signal de détection jusqu'au régime de saturation du transistor. En insert: caractéristique en continu du transistor R-HEMT.
Ce projet inclut la caractérisation par un banc de mesure qui sera développé, la modélisation des phénomènes multiphysiques (analytique et par éléments finis) de façon à aboutir à la compréhension quantitative des performances en terme de bruit et de bande passante. Nous travaillons avec 2 partenaires : le CRHEA qui développe les matériaux avancés GaN sur Silicium en controllant la contrainte résiduelle des couches de GaN, et MC2-Technologies (start-up) pour le design des circuits et les techniques de mesures de MEMS innovantes. Un fournisseur industriel (tel PICOGIGA) a été également sollicité pour disposer de plaques de standard industriel et en quantité siffisante.
Projet ANR-08-NANO-023
Contacts:
Marc Faucher (marc.faucher@isen.iemn.univ-lille1.fr)
Didier Theron (didier.theron@iemn.univ-lille1.fr)
