Conception et développement de dispositifs et matériaux innovants pour la microélectronique et l'optique
Résumé
Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche, réalisées principalement au sein du département Minacom du laboratoire XLIM. Fortement multidisciplinaires, elles sont orientées vers la réalisation de dispositifs et systèmes originaux (intégration des matériaux innovants ou développement des dispositifs MEMS pour l'optique) dédiés à la microélectronique (basses et hautes fréquences) et au domaine de l'optique. Après une première partie résumant l'ensemble des activités de recherche et d'encadrement doctoral, la deuxième partie du manuscrit est dédiée à la présentation explicite des travaux de recherche. Tout d'abord, nous présentons le développement des composants MOEMS (ou MEMS optiques) et leur intégration (comme modulateurs actifs et, en même temps, miroirs de fond de cavité) dans des systèmes lasers à fibre. Nous montrons que l'association de ces modulateurs compacts et rapides au déclenchement de cavités lasers courtes, permet d'obtenir des impulsions laser très courtes, en régime nanoseconde. Ces microcomposants offrent un fort potentiel de miniaturisation et de réduction du coût des sources lasers impulsionnelles à fibre optique et montrent également leur capacité à atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures au mégahertz, compatible au régime à verrouillage de modes d'une cavité laser. Leur robustesse et leur faible niveau d'activation (10 V-50 V) en font de bons candidats pour remplacer les solutions de modulations actuels (électro- ou acousto-optiques). Par la suite, nos recherches se sont étendues à l'association des sources lasers avec les propriétés remarquables des dispositifs MOEMS (compacité, faibles pertes d'insertion, achromaticité etc.) pour créer des systèmes lasers impulsionnels complexes : lasers fibrés avec des impulsions nanosecondes de forte puissance crête avec fréquences de récurrence ajustable, systèmes lasers bi- longueur d'onde, système de sélectivité spectrale en utilisant une source de continuum et une matrice de micro- miroirs, multiplexage temporel et spectral de sources lasers à MOEMS pour un fonctionnement à haute cadence etc. Les résultats obtenus permettent d'envisager des développements innovants dans des domaines comme la bio- photoniques (diagnostic ou tri cellulaire, tomographie optique cohérente), télécommunications, microscopie confocale, radar optique, etc. La suite du travail présenté dans ce mémoire concerne la conception et la fabrication de dispositifs reconfigurables pour la microélectronique basses et hautes fréquences (du DC aux fréquences THz) basés sur la transition réversible semi-conducteur- métal (Metal- Insulator Transition - MIT ou transition de Mott) d'un matériau " intelligent " : le dioxyde de vanadium, VO2. Actuellement, les matériaux intelligents font l'objet de beaucoup d'attention de la part de la communauté scientifique à cause de leurs caractères évolutifs et adaptatifs qui font d'eux des candidats potentiels pour de nombreuses applications (transmission de l'information, optoélectronique, matériaux artificiels). Nous avons utilisé les propriétés exceptionnels du matériau VO2 en couches minces pour concevoir et développer de nouveaux concepts de commutateurs et de dispositifs rapides fonctionnant dans les domaines DC, RF -micro-ondes, Térahertz et optique. Nous montrons que dans le couches minces de VO2 obtenus par ablation laser (PLD) ou par évaporation à faisceaux d'électrons, cette transition MIT est accompagnée par un changement rapide et remarquable des propriétés électriques et optiques du matériau (e.g. changement de quatre à cinq ordres de grandeur de résistivité entre les deux états). La transition MIT dans le matériau VO2 peut être initiée de différentes manières : thermiquement, électriquement ou optiquement. Dans un premier temps, nous exploitons l'important changement des propriétés électriques/ diélectriques de ce matériau soumis à un actionnement thermique et électrique pour réaliser des commutateurs micro-ondes en technologie coplanaire, et ensuite des dispositifs plus complexes comme des limiteurs de puissance large bande, des filtres micro-ondes à rejection de bande et à fréquences accordables ou encore des composants hybrides type métamatériaux accordables dans le domaine THz. Les composants intégrant le matériau VO2 présentent des propriétés intéressantes, notamment sur le plan des caractéristiques électriques ou ils montrent un comportement très large bande et de fortes isolations. Ils peuvent se positionner comme des solutions alternatives intéressantes aux technologies classiques (semi-conducteurs et dispositifs électromécaniques) utilisées dans la fabrication de composants millimétriques et submillimétriques. A un niveau plus fondamental (mais avec des applications potentiels très intéressantes), nous avons caractérisé les propriétés électriques fortement non-linéaires des couches minces de VO2 (apparition du phénomène de résistance négative différentielle (NDR) dans leurs caractéristiques courant-tension) et nous avons mis en évidence, la génération d'auto-oscillations électriques dans des dispositifs à base de films de VO2. Ces résultats nous permettent d'envisager dans un futur proche plusieurs directions de recherche innovantes basées sur l'utilisation des matériaux présentant des transitions MIT ou des transitions de phase, sous la forme de couches minces ou de nanostructures (nano-agrégats, nano-fils etc.). La dernière partie du mémoire est dédié aux perspectives de recherche à moyen et long terme en systématisant les directions de recherches que nous poursuivrons dans les prochaines années autour de l'étude et l'intégration de matériaux à propriétés accordables (couches minces ou nanostructures) dans des dispositifs innovants pour des applications comme le traitement de l'information, l'énergie ou la détection de grandeurs physiques variées.