Projet ANR-07-BLAN-0312 – MINOS : Monolithic INtegration of functional Oxides on Silicon for novel micro-system devices
Programme : Blanc (BLANC) 2007
Année de financement : 2007
Coordinateur du projet : ECOLE CENTRALE DE LYON (ECOLE CENTRALE DE LYON)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique; École centrale de Lyon; PME; Université Paris-Sud
Montant : 400000.0 euros
Date de début : 2008
Durée : 36 mois
Résumé : Le but de ce projet est de réaliser l'intégration d'oxydes fonctionnels sur substrat de silicium et de proposer un dispositif démonstrateur permettant l'application de contraintes dynamiques sur un oxyde fonctionnel ferromagnétique pour en modifier fortement mais réversiblement les propriétés physiques. Les matériaux de type pérovskite présentent une vaste gamme de propriétés physiques : diélectrique, semi-conducteur, métal, supraconducteur, ferromagnétique, ferroélectrique, piézoélectrique, transparents, etc, ce qui en fait la richesse, ceci pour des matériaux de même structures ABO3. A cause de ces fonctionnalités, les oxydes pérovskites deviennent de plus en plus intéressants pour des applications électroniques. Grâce au procédé de croissance d'une très fine couche tampon de SrTiO3 par MBE réalisé à l'INL pour l'intégration d'oxydes High-k dans les CMOS, le transfert des fonctionnalités des oxydes vers les technologies classiques de la microélectronique est possible, puisque le dépôt d'oxydes fonctionnels sur substrat SrTiO3 est totalement maîtrisé maintenant par la communauté des oxydes. Comme la couche d'adaptation d'oxyde sur silicium doit être chimiquement et cristallographiquement parfaite, une attention particulière doit être portée à la façon dont ces couches seront fabriquées, afin de permettre une très bonne reprise d'épitaxie. Idéalement il faudrait des « templates » zéro défaut correspondant à la « greffe » d'un monocristal parfait sur le silicium. La première étape de notre projet consistera à optimiser la croissance cristalline sur silicium d'une couche d'adaptation SrTiO3 dopé par environ 5% de Lanthane pour le rendre conductrice et ainsi obtenir une électrode inférieure. Sur cette électrode pérovskite seront ensuite cristallisés un film piézoélectrique BaTiO3 dans le bâti MBE de l'INL ou un film piézoélectrique Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) dans le bâti PLD de l'IEF. Le PMN-PT possède en effet de très forts coefficients piézoélectriques (2000 pm/V) permettant de fort déplacement atomique dans la maille. Enfin une hétérostructure sera élaborée par le dépôt sur le piézoélectrique d'un film ferromagnétique (La,Ba)MnO3 (LBMO) par PLD à l'IEF. En utilisant les méthodes de fabrication des microsystèmes (gravure face arrière anisotrope du silicium), il sera aussi possible de réaliser des membranes MEMS libres de toutes contraintes statiques, et ainsi de contrôler alors l'application d'une contrainte dynamique par le biais de l'oxyde piézoélectrique sur le second film ferromagnétique LBMO pour en moduler fortement les propriétés physiques (température de Curie, mobilité, etc.). Les propriétés physiques des oxydes pérovskite, en particulier les manganites à valence mixte (A1-xA'xMnO3), sont complètement gouvernées par les déformations structurales. Toute déformation de la maille cristalline se traduira par une modulation des propriétés magnétique (car modification du recouvrement des orbitales dans la liaison Mn-O). L'évolution dynamique sous l'effet du piézoélectrique des propriétés structurales (variation de la longueur Mn-O, de l'angle Mn-O-Mn) sera non seulement observée mais aussi quantifiée à l'aide de mesures Exafs, Raman et IR au synchrotron Soleil. Ces évolutions seront corrélées aux modulations des propriétés physiques mesurées (propriétés de transport) de la couche ferromagnétique LBMO. Cette intégration sur silicium ainsi que l'ensemble des caractérisations nous permettront alors de vérifier et évaluer la capacité d'utiliser les oxydes fonctionnels comme dispositifs. Une variation d'environ 100K de la température de Curie du composé magnétique est attendue dans notre microsystème. En résumé, nous souhaitons réaliser un dispositif démonstrateur qui soit capable de valider le contrôle électrique, via l'application d'une contrainte dynamique, de la modulation réversible des propriétés d'oxydes fonctionnels. Ce démonstrateur sera alors pour la première fois un composé multiferroic fonctionnant à température ambi