MICRO/NANO DEVICES

L’IEMN est structuré par des projets phares ciblant des défis sociétaux tels que la santé, l’énergie ou les télécommunications. La réussite de la plupart d’entre eux nécessitera le développement de dispositifs dépassant les limites de l’art. Ces dispositifs sont fabriqués en utilisant les techniques et les feuilles de route disponibles en matière de micro et nanotechnologies, mais aussi en développant de nouveaux concepts qui repoussent les limites de la technologie existante en termes d’intégration de nouveaux matériaux, de performance, d’efficacité énergétique, de coût ou de durabilité environnementale. Le projet « Micro & Nanodevices » vise à développer ces deux approches :

  • Repousser les limites des technologies existantes déjà présentes à l’IEMN.
  • Développer des dispositifs basés sur des effets physiques originaux/nouveaux, des matériaux, etc.

Dans les deux cas, il bénéficie de la base solide de l’IEMN en matière de techniques de fabrication de micro et nanodispositifs, grâce à l’expertise bien établie de ses équipes techniques et académiques et à ses installations de nanotechnologie et de caractérisation de pointe.

Défi 1: “Dispositifs établis : Repousser les limites”

L’IEMN a une base solide dans la conception et la fabrication de dispositifs électroniques basés sur des semi-conducteurs composés III-V. Ces dispositifs sont destinés à améliorer les performances des systèmes de télécommunications en termes d’efficacité énergétique, de fréquence de fonctionnement ou de puissance disponible. Ces dispositifs sont destinés à améliorer les performances des systèmes de télécommunications en termes d’efficacité énergétique, de fréquence de fonctionnement ou de puissance disponible. Dans ce contexte, l’IEMN développe des idées originales afin de :

  1. d’obtenir des transistors HEMT et DHBT InP/InGaAs avec une fréquence de coupure supérieure à 1 THz pour les systèmes de télécommunications UHD (amplificateurs de puissance et à faible bruit) mais aussi des photodiodes InP UTC avec une efficacité et des limites de fréquence améliorées pour les systèmes de télécommunications optiques à 1550 nm et la conversion des télécommunications optiques vers THz.
  2. améliorer les performances (efficacité, perte de conversion, bande de fréquence, etc.) et la maturité technologique (atteindre le TRL 5) des dispositifs optoélectroniques ultrarapides LTG-GaAs pour la génération et la détection par laser d’ondes millimétriques et THz. Dans ce dernier cas, il couvre le domaine de l’analyse spectrale pour la caractérisation des dispositifs et systèmes THz et la conversion analogique-numérique des ondes millimétriques.
  3. pour développer des transistors AlGaN/GaN pour amplificateur de haute puissance fonctionnant dans le spectre des ondes millimétriques pour les télécommunications (civiles et militaires). Les diodes Schottky à base de GaN seront également étudiées pour remplacer les diodes Schottky en GaAs dans les sources THz basées sur la multiplication électronique, qui sont principalement basées sur la génération d’harmoniques d’une source basse fréquence.

L’IEMN poursuit les technologies MEMS-NEMS déjà validées à des échelles TRL basses (0-3). Les objectifs sont d’établir une feuille de route performante et industrielle (TRL >4 puis TRL >6). Plusieurs familles de dispositifs sont envisagées :

  1. Une première catégorie comprend des capteurs de force MEMS/NEMS pour l’imagerie en champ proche ou l’inertie. Ces dispositifs visent une fréquence de fonctionnement de >100 MHz combinée à une résolution de < 1fN/Hz1/2
    . Ils sont soit entièrement basés sur le Si, soit sur le Si+GaN, où les hétérostructures GaN permettent la transduction électromécanique et le Si est utilisé pour la structuration 3D des pièces mobiles. Cette approche vise à fournir des capteurs durcis pour l’IdO industriel ;
  2. des capteurs basés sur une technologie MEMS verre/silicium/verre pour des systèmes cytométriques opto-microfluidiques instrumentés. Ici, le couplage de l’hydrodynamique 3D, de la focalisation et de l’accès aux fibres optiques au sein de la même puce visera des systèmes capables d’analyser et de traiter en temps réel plus de 6500 événements par seconde.
  3. les technologies des microbatteries et des microsupercondensateurs qui seront également à la base des applications liées à l’énergie.

Défi 2 : technologies émergentes : nouveaux matériaux et concepts physiques

Outre l’amélioration continue de ces technologies existantes, l’IEMN travaillera également sur des dispositifs basés sur des matériaux et des technologies émergents ou utilisant des effets physiques originaux.

  1. L’IEMN étudie les dispositifs basés sur les matériaux liés au graphène et les matériaux de transition métalliques bidimensionnels (TMDC) pour l’électronique haute fréquence et les applications optoélectroniques. Par exemple, nous proposons d’étudier un commutateur électronique ultrarapide surmontant les limites physiques des technologies standard en tirant parti d’un mécanisme de conduction par filament ionique observé dans ces matériaux.
  2. La combinaison de matériaux magnétoélastiques avec des matériaux électroactifs tels que les piézoélectriques ou les relaxants ferroélectriques donne lieu à des composites artificiels multiferroïques ou magnétoélectriques. L’IEMN développe des dispositifs où le contrôle possible de l’aimantation de manière efficace en termes d’énergie peut être appliqué aux mémoires ou au contrôle des parois de domaines magnétiques, et des dispositifs où le couplage magnétoélastique peut également être exploité dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface. Ce sujet implique des études théoriques des phénomènes multiphysiques ainsi que des efforts technologiques pour déposer, modeler et intégrer ces matériaux non standard sur des plaquettes.
  3. Nous travaillons également sur les effets magnéto-plasmoniques pour obtenir des isolateurs THz/MIR et des biocapteurs efficaces. Dans le premier cas, l’idée consiste à exploiter les résonances cyclotroniques magnétoplasmoniques dans des matériaux nanostructurés de faible masse effective (ex : InSb) pour créer des miroirs non réciproques. Dans le second cas, l’idée consiste à utiliser les effets magnéto-optiques non réciproques pour concevoir des capteurs ultrasensibles à résonance plasmonique de surface ;
  4. Ces dernières années, l’essor des lasers commerciaux QCL MIR a ouvert de nouvelles possibilités dans la gamme MIR (λ~ 2 µm-10 µm). Sur la base du savoir-faire de l’IEMN en matière de conception et de fabrication de dispositifs optoélectroniques ultrarapides dans la gamme IR, nous développons des photoconducteurs ultrarapides dans la gamme MIR en utilisant des nano-antennes plasmoniques pour collecter le rayonnement MIR et des nanofils à puits quantique AlGaAs/GaAs ou InSb pour effectuer la conversion optoélectronique.
  5. Le CDA tout optique sera également étudié en utilisant un concept révolutionnaire dans lequel un guide d’onde polymère électro-optique est combiné à un guide micro-ondes.
  6. Nous prévoyons également de développer des microsystèmes pour la détection bolométrique à large bande passante des signaux THz, en résolvant les problèmes liés aux détecteurs existants et en les faisant fonctionner à température ambiante. Ces microsystèmes combineront la photonique au silicium sur puce aux NEMS et aux micro-antennes.