Matériaux magnéto-diélectriques en couches minces à forte perméabilité et à forte permittivité pour les applications microondes

Discipline

Électronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

magnétisme, dispositifs microondes, matériaux magnétiques, microondes, couches minces, diélectriques, microélectronique

Mots-clés

Couches minces semiconductrices - Dépôt par laser pulsé,

Magnétisme - Thèses et écrits académiques,

Cavités résonnantes (microondes) - Thèses et écrits académiques,

DiélectriquesDiélectriquesDiélectriques -- Matériaux,

Cavités résonnantes (microondes) - Résonateurs électriques - Thèses et écrits académiques,

Microélectronique - Thèses et écrits académiques,

FerromagnétismeFerromagnétisme -- Thèses et écrits académiques

Nous faisons, actuellement, face au besoin d'une rupture technologique pour les composants RF qui devront s'adapter aux futurs protocoles de communication multi-standards ; ce que l'on appelle encore « la radio opportuniste ». En effet, en dépit d'une réduction de taille importante des blocs RF avec l'émergence des composants passifs intégrés (inductances, capacités), les antennes et les filtres de bandes conservent des dimensions trop importantes. Une rupture possible passe par l'émergence de nouveaux matériaux fonctionnalisés faisant suite aux progrès spectaculaires des techniques de dépôt en couches minces ou de chimie douce pour nanocomposites. Ainsi, de nouvelles hétérostructures magnétoélectriques et/ou piézomagnétiques peuvent être à présent intégrées sur technologies silicium dont les propriétés combinées renouvellent la magnétoélectricité volumique historique. Le but de ce travail consiste en la manipulation de deux grandeurs électromagnétiques prépondérantes : la perméabilité (µ) et la permittivité (ε), qui sont essentielles à la miniaturisation de systèmes résonants et/ou rayonnants. En effet, leur taille est dépendante de la longueur d'onde (λ) du signal qui les éclaire, et λ est inversement proportionnelle à la racine carrée du produit [µ x ε] du milieu traversé. Les technologies actuelles de dépôt multicouches permettent d'envisager une telle manipulation par le biais de combinaisons de couches minces magnétiques et diélectriques. Cependant, il reste une difficulté rédhibitoire à surmonter : la combinaison des phases ferromagnétiques à fort-µ et pérovskites à fort-ε dont les températures de fabrication demeurent incompatibles. En effet, les composés pérovskites ont une température de cristallisation supérieure à 600°C, alors que les composés ferromagnétiques doux voient leurs propriétés se dégrader dès 200°C. L'objectif de ce travail est de résoudre cette incompatibilité. Dans ce document, nous proposons donc de combiner des films minces de SrTiO3 à des électrodes magnétiques couplées par échange antiferromagnétique (F/AF) en nous appuyant sur deux travaux antérieurs consacrés à : (i) SrTiO3 cristallisé (εr=100) compatible thermiquement avec la technologie CMOS pour des capacités MIM et (ii) FeCo à très forte aimantation couplé par échange AF pour des applications inductives à haute fréquence (> 5 GHz). Premièrement, l'optimisation de chaque matériau est décrite afin d'obtenir une température de procédé ≤ 300°C. Puis, la combinaison de ces deux matériaux est détaillée et une première hétérostructure à fort-[µ,ε] ayant une température de procédé de 260°C est présentée, avec des propriétés microondes extraordinaires . Nous montrons également qu'il est possible de régler le rapport µ/ε, c'est-à-dire l'impédance caractéristique du milieu (Zc), ce qui mettra le matériau au cœur de la conception des dispositifs comme un élément fonctionnalisable à part entière (µ, ε, Zc). Nous étudions ensuite l'interaction de cette hétérostructure avec des guides d'ondes coplanaires et des antennes. Il ressortira des ces travaux que le couplage onde-matière est fondamentalement différent dans le cas des structures guidées et non guidées, menant à des potentiels de miniaturisation très différents au regard du produit [µ x ε]. Ainsi, nous présentons d'une part de larges potentiels de la miniaturisation pour des structures ½ et ¼ d'ondes (≥ 40%), qui sont d'autant plus mis en évidence que l'on augmente le nombre d'alternance du milieu ou que l'on utilise des topologies de guide d'onde originales. D'autre part, nous montrons la possibilité d'augmenter significativement la bande passante des antennes à défaut d'une miniaturisation effective de l'élément rayonnant.