Électronique intégrée très haute fréquence, mécaniquement flexible et aux performances stables, basée sur le collage par transfert SOI-CMOS sur des substrats en plastique.

La possibilité de réaliser des circuits flexibles intégrant des capacités de détection, de traitement du signal et de communication est d’une importance capitale pour le développement de nombreuses applications nomades nécessitant une électronique pliable, étirable et de grande surface. Un grand nombre de ces applications s’appuient actuellement sur l’électronique organique ou intègrent des films actifs à haute mobilité sur des feuilles de plastique afin d’obtenir de meilleures performances. L’un des principaux défis consiste toutefois à combiner des performances électriques élevées (c’est-à-dire une électronique à ondes millimétriques et à faible bruit) avec la flexibilité mécanique requise pour s’adapter aux surfaces curvilignes, ainsi qu’une stabilité élevée de ces performances électriques en cas de déformation.

Dans ce travail, une solution a été développée, basée sur l’amincissement et le transfert sur une feuille de plastique de dispositifs CMOS à haute fréquence (HF) initialement modelés sur des plaquettes conventionnelles de silicium sur isolant (SOI).

This process enables the fabrication of high performance electronics on plastic, with n-MOSFETs featuring characteristic frequencies f_T/f_max as high as 150/160GHz in addition to low noise potentialities: NF_min/G_a of 0.57/17.8dB.

Deuxièmement, en situant le plan neutre du système flexible dans sa couche active, la variation relative de ces figures de mérite à haute fréquence peut être limitée à 5 %, même après une flexion agressive, ce qui démontre la flexibilité mécanique, les hautes performances électriques et la stabilité lors de la déformation.

Cette activité vise à explorer deux voies peu orthodoxes vers une réduction drastique du transfert de chaleur et une augmentation significative de la conversion thermoélectrique. Elle est financée dans le cadre d’une subvention de démarrage du Conseil européen de la recherche (n°338179) accordée à J.-F. Robillard en 2013.

Suivez ce projet sur : https://www.researchgate.net/project/Unconventional-Principles-of-ThermoElectric-Generation

Résumé

La performance de la génération thermoélectrique a longtemps été limitée par le fait qu’elle dépend de propriétés intrinsèques des matériaux difficilement accordables. Au cœur de ce problème se trouve un compromis entre un coefficient Seebeck suffisant, de bonnes propriétés électriques et une conductivité thermique suffisamment faible. Ces deux dernières étant étroitement liées par le rôle ambivalent des électrons dans la conduction des courants électriques et thermiques. La recherche actuelle se concentre sur la composition des matériaux et les propriétés structurelles afin d’améliorer ce compromis, également connu sous le nom de facteur de mérite (zT). Récemment, il a été démontré que la structuration à l’échelle nanométrique (nanofils, points quantiques, couches minces) peut améliorer le zT par le biais du confinement des électrons et/ou des phonons. L’objectif de ce projet est de s’attaquer aux raisons intrinsèques de cette faible efficacité et d’amener la conversion TE à des efficacités supérieures à 10% en explorant deux approches non conventionnelles et complémentaires :

La conversion par ingénierie phononique consiste à moduler les propriétés thermiques au moyen d’un arrangement périodique, conçu avec précision, d’inclusions sur une échelle de longueur comparable au libre parcours moyen des phonons. Ce processus est rendu possible par les techniques de lithographie les plus modernes. Dans ses principes, l’ingénierie phononique offre la possibilité d’adapter la densité d’états des phonons et d’introduire artificiellement une anisotropie thermique dans une membrane semi-conductrice. Une architecture de convertisseur adaptée est proposée, qui tire parti de la réduction de la conductivité et de l’anisotropie pour guider et convertir le flux thermique. Cette approche est entièrement compatible avec les technologies standard du silicium et est potentiellement applicable aux convertisseurs conformables.

La conversion microthermique s’appuie sur des matériaux à faible fonction de travail et des espaces sous vide à l’échelle du micron pour collecter un courant activé thermiquement à travers un dispositif à conduction thermique pratiquement nulle. Cette approche, bien que plus risquée, envisage des dispositifs avec un zT équivalent d’environ 10, ce qui est bien supérieur à ce que l’on peut attendre de la conversion à l’état solide.