Brevet FR2903250A1 — publié le 20080104

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ A CAPACITÉ COZ.24ANDABLE La présente invention se rapporte à un dispositif permettant de faire varier la valeur apparente d'une capacité. La présente invention se rapporte également à un procédé permettant de faire varier la valeur apparente d'une capacité. Dans le cadre de certaines applications dans le domaine de l'électronique, on est amené à contrôler le caractère capacitif ou inductif de l'impédance ou l'admittance d'un circuit, ou à devoir compenser les effets indésirables d'une capacité dans un circuit. Dans l'art antérieur, une solution connue est de produire une capacité ayant une valeur négative, comme il est décrit dans la demande de brevet US 5558477, qui se rapporte à un dispositif comprenant un circuit à réactance négative comportant un amplificateur, un condensateur chargé, une résistance, un diviseur de tension et qui est connecté à un équipement piézoélectrique. Ce circuit a pour fonction de simuler une capacité négative afin de compenser la capacité de cet équipement, ceci ayant pour effet de contrôler les actions mécaniques de cet équipement sur la base de ses propriétés électromécaniques. On connaît aussi dans la demande internationale PCT WO 96/28847 un dispositif électronique comprenant deux noeuds et présentant des moyens pour compenser l'impédance capacitive entre ces noeuds. Ces moyens comprennent des éléments discrets associés à une diode à jonction polarisée en régime d'avalanche qui reproduit le comportement d'une capacité négative afin de compenser, et 2903250 2 dans certains cas d'annuler une capacité parasite positive connectée en parallèle. L'inconvénient de tels dispositifs est qu'ils ne 5 permettent pas de faire varier la capacité. Par ailleurs, ils nécessitent une large surface pour être incorporés sur un circuit intégré. De plus ces dispositifs sont de réalisation complexe et coûteuse. 10 Il est aussi connu de pouvoir obtenir des capacités négatives sur la base de matériaux, de type organique ou incluant des nano-particules ou nanotubes, entrant dans la composition de semi-conducteurs. C'est le cas par exemple de polymères organiques 15 comme il est exposé dans la publication : Modeling negative capacitance effect in organic polymers dans la revue Solid-state-electronics. , année 2003 pages 1089-1093 ayant pour auteur KWOK-H-L, ou encore le cas pour des nano tubes de carbone dans 20 la publication : Negative quantum capacitance of gated carbon nanotubes dans la revue Physical-Review-B-Condensed-Matter-and-Materials-Physics. du 15 juillet 2005, pages 35455-1-5 avec les auteurs Latessa,-L.; Pecchia,-A.; Di- 25 Carlo,-A.; Lugli,-P . L'inconvénient de ces matériaux et notamment ceux de type organique, est que ceux-ci souffrent de problèmes de vieillissement et de fiabilité. Pour d'autres matériaux, 30 ils peuvent présenter des problèmes d'incompatibilités avec les technologies du silicium, et leur réalisation est complexe et onéreuse. De plus ils ne permettent pas de faire varier une capacité. 2903250 3 On connaît aussi dans l'art antérieur la publication : High-field transport in amorphous carbon and carbon nitride films dans la revue Journal of Non-Crystalline 5 Solids du 15 juin 2004, Volumes 338-340, pages 349352 avec les auteurs Kleider-JP, Gudovskikh-A., Godet-C. Ce document enseigne un dispositif comprenant un dipôle, ledit dipôle comprenant un matériau semi-conducteur à transport électronique par saut positionné 10 entre une première électrode et une deuxième électrode. De plus il décrit des matériaux présentant des propriétés de transport électronique et en particulier de transport par saut dans des états localisés, tel que le nitrure de carbone amorphe hydrogéné, qui placé dans un dispositif 15 métal/nitrure de carbone amorphe hydrogéné/métal prend des valeurs d'admittance différentes pour une tension continue ou alternative donnée appliquée audit dispositif, en fonction d'une température ou d'une fréquence. 20 La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, un des buts de l'invention est de faire varier la valeur apparente d'une capacité. Un autre but de l'invention est de proposer un 25 dispositif compact et intégrable dans un circuit intégré. Pour ce faire, la présente invention concerne un dispositif pour faire varier la valeur apparente d'une capacité, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il 30 comprend : - un dipôle de type connu en soi, comprenant un matériau semi-conducteur à transport électronique par saut positionné entre une première électrode et une 2903250 4 deuxième électrode, ledit dipôle étant disposé en parallèle de ladite capacité; - un générateur de tension continue relié électriquement à la deuxième électrode et à la première électrode 5 dudit dipôle; - des moyens pour faire varier la tension générée par le générateur. Dans un tel dispositif où le dipôle, le générateur de tension continue et la capacité sont en parallèle, la 10 variation de la tension aux bornes du dipôle fait varier la capacité de l'ensemble du dispositif. Dans une variante, le dispositif comprend un générateur de tension alternative disposé en série avec ledit générateur de tension continue. 15 Dans une variante, la première électrode comprend une ligne métallique de première électrode et une surface de contact de première électrode, et la deuxième électrode comprend une ligne métallique de deuxième électrode et une surface de contact de deuxième électrode, ledit matériau 20 semi-conducteur étant positionné entre ladite ligne métallique de première électrode et ladite ligne métallique de deuxième électrode, ledit générateur étant relié électriquement à la première électrode et à la deuxième électrode respectivement au niveau de la surface 25 de contact de première électrode et de la surface de contact de deuxième électrode. Cette structure du dipôle offre l'avantage de pouvoir être insérée assez facilement dans des circuits intégrés à partir des surfaces de contact de première électrode et de 30 deuxième électrode. Dans une variante, le dipôle se compose d'un substrat de verre : - d'une couche d'un alliage de nitrure de carbone amorphe hydrogéné constituant le semi-conducteur, 2903250 5 et d'une couche d'aluminium pour chacune des électrodes coplanaires. Dans une autre variante, le dipôle se compose d'un substrat de verre et d'une succession de couches 5 suivantes : - une couche d'aluminium constituant la première électrode, - une couche d'un alliage titane tungstène, - une couche d'un alliage de nitrure de carbone 10 amorphe hydrogéné constituant le semi-conducteur, - une couche d'un alliage de titane tungstène, - et une couche d'aluminium constituant la deuxième électrode. On peut noter que lorsque les électrodes du dipôle 15 sont réalisées à partir du même métal ou du même assemblage de métaux, ses propriétés électriques ne dépendent pas du signe de la tension appliquée. L'invention concerne aussi un procédé pour faire varier la valeur apparente d'une capacité, ledit procédé 20 comprenant des étapes consistant à : - positionner en parallèle : • ladite capacité, • un dipôle de type connu en soi, comprenant un matériau semi-conducteur à transport 25 électronique par saut positionné entre une première électrode et une deuxième électrode, • et un générateur de tension continue relié électriquement à la première électrode et à la deuxième électrode, 30 - appliquer une tension continue aux bornes de ladite première électrode et de ladite deuxième électrode, - faire varier ladite tension générée par le générateur. 2903250 6 Ce procédé permet de faire varier la valeur apparente d'une capacité, qui peut être un condensateur ou un circuit électrique ayant une capacité équivalente, en faisant varier la tension continue aux bornes du dipôle. 5 Dans un mode de réalisation, ce procédé comprend une étape consistant à faire varier ladite tension jusqu'à une valeur, ladite valeur étant choisie de sorte que la valeur apparente de ladite capacité soit négative. Cette étape du procédé offre l'avantage de pouvoir, 10 par la variation de la tension obtenir une valeur apparente de la capacité négative pour une tension donnée. Dans une variante, ce procédé comprend une étape consistant à faire varier ladite tension jusqu'à une valeur, ladite valeur étant choisie de sorte que la valeur 15 apparente de ladite capacité soit nulle. Dans une variante, ce procédé comprend une étape consistant à sélectionner une fréquence d'une tension alternative générée par le générateur de tension alternative lorsque ladite tension continue est fixée, de 20 telle sorte que la valeur apparente de ladite capacité (12) soit négative. Dans une variante, ce procédé comprend une étape consistant à sélectionner une fréquence d'une tension alternative générée par le générateur de tension 25 alternative lorsque ladite tension continue est fixée, de telle sorte que la valeur apparente de ladite capacité (12) soit nulle. La fréquence d'une tension alternative est générée par le générateur de tension alternative qui est disposé en série 30 avec le générateur de tension continue lorsque la capacité correspond à un condensateur. Pour une capacité correspondant à un circuit présentant une capacité équivalente cette fréquence d'une tension alternative 2903250 7 correspond au générateur de tension alternative qui alimente ce circuit. On décrit maintenant un mode de réalisation de 5 l'invention, en référence aux figures annexées où : la figure 1 illustre une vue du dipôle en coupe ; la figure 2 illustre une vue de dessus du dipôle ; la figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 correspond à un graphique des valeurs de la capacité du dipôle en fonction de la valeur de la tension continue appliquée ; la figure 5 correspond à un graphique des valeurs de la capacité du dispositif en fonction de la fréquence pour différentes valeurs de la tension continue ; la figure 6 est un mode de réalisation de 20 l'invention, la figure 7 illustre une vue en coupe d'un dipôle ayant une structure coplanaire. 10 15 Dans un mode de réalisation, l'invention 25 à un dispositif qui est intégré au sein d'un circuit comprend notamment un condensateur introduit des temps de réponses dans ledit réduisant la capacité du condensateur Cext 12, réponse du circuit s'en trouve réduit et donc se rapporte circuit. Ce Cext 12 qui circuit. En le temps de amélioré. À 30 travers le dispositif mis en oeuvre par l'invention il est possible de réduire la valeur apparente du condensateur Cext 12 afin d'améliorer les temps de réponses. 2903250 8 Pour cela le dispositif comprend un dipôle 1, et un générateur de tension continu 13, qui sont montés en parallèle avec le condensateur Cext 12. Le générateur de tension est relié à un ordinateur qui permet de faire 5 varier cette tension. Dans un autre mode de réalisation, Cext 12 est un circuit électrique ou un dipôle quelconque ayant une capacité équivalente. 10 Le dipôle, dans sa structure, est constitué de plusieurs couches successives réalisées par différents dépôts. Un premier dépôt d'aluminium 6 d'une épaisseur de 150 15 nm est présent sur le substrat de verre 7 pour une électrode métallique inférieure, une première électrode 6. Sur cette première couche un dépôt très mince de 15 nm d'un alliage de titane tungstène 5 fait office de barrière contre la diffusion éventuelle d'atomes de et vers la 20 couche semi-conductrice. Sur cette deuxième couche un dépôt d'un alliage de nitrure de carbone amorphe hydrogéné 4 est fait par ECR-PECVD (Electron Cyclotron Resonance Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Ce dépôt est réalisé à une température de 300 K à partir de la 25 décomposition d'un mélange d'acétylène et d'azote. L'épaisseur de cette couche de 50 nm est déterminée par une technique d'analyse appropriée pour la mesure d'épaisseur de couches minces telle que l'ellipsométrie. Dans une variante, on peut utiliser du nitrure de 30 carbone amorphe avec des épaisseurs et des compositions différentes. Ces deux paramètres, épaisseur et composition, permettent d'influer sur les valeurs de tension continue et de la fréquence du générateur de tension alternative 14. 2903250 9 Sur cette troisième couche, un dépôt d'un alliage titane tungstène 3 similaire à la deuxième couche est effectué avec une épaisseur de 15nm. De la même façon, sur 5 cette quatrième couche un dépôt d'aluminium est fait pour une électrode supérieure la deuxième électrode 2. Cette cinquième et dernière couche d'épaisseur 150nm est symétrique à la première couche. Il est possible de faire varier les épaisseurs des 10 couches métalliques ainsi que de remplacer l'alliage titane-tungstène et l'aluminium par d'autres métaux, tout en gardant les propriétés du dispositif. La structure ainsi obtenue est parfaitement 15 symétrique. Cette symétrie permet à ce dipôle de fonctionner aussi bien pour des tensions positives que négatives. Par ailleurs, on peut noter que pour une telle structure des valeurs de conductivité obtenues par des mesures de courant continu en fonction d'une tension 20 continue appliquée entre la première électrode 2 et la deuxième électrode 6 sont identiques aux valeurs déduites de mesures en continu réalisées sur des structures coplanaires obtenues par dépôt de nitrure de carbone amorphe hydrogéné 16, de formule chimique a-CN:H, sur un 25 substrat de verre 15, et munies de deux électrodes coplanaires d'aluminium 17,18. La première électrode 2 et la deuxième électrode 6 sont constituées respectivement de deux lignes 10, 11 30 perpendiculaires munies de surfaces de contact 8, 9 de forme carrée à une de leur extrémité, afin de faciliter la prise de contact avec un circuit intégré ou un générateur de courant. L'intersection des deux lignes 2903250 10 perpendiculaires 10, 11 définit une surface active 14 du dipôle 1. Pour des largeurs de lignes, de 5 à 200 microns, la surface active 14 du dipôle 1 est de 25 à 40000 pm2. Le 5 courant circulant dans le dispositif est proportionnel à sa surface active. Ceci permet de miniaturiser ce dipôle 1. Dans le circuit, deux fils de cuivre relient 10 respectivement la surface de contact de la première électrode 8 et de la deuxième électrode 9 à des embases de connecteurs BNC (connecteur Bayonet Neill-Concelman). Ces fils de cuivre sont fixés sur ces surfaces de contact par collage. La colle utilisée est de la laque d'argent pour 15 ses propriétés de conductivité. Les fils de cuivre reliant le dipôle aux embases BNC sont volontairement courts afin de minimiser les impédances parasites. Sur ces embases viennent se fixer des câbles BNC (connecteur Bayonet Neill-Concelman). Ce sont des câbles coaxiaux qui ont en 20 leur terminaison un modèle de connecteur RF (radiofréquence). Le blindage de ces câbles permet une transmission fidèle d'un signal. Sur ces mêmes embases, est branché le condensateur du circuit Cext• L'autre extrémité des câbles BNC est reliée à un 25 instrument de mesure qui est un impédancemètre de précision par exemple de la marque AGILENT, modèle 4284A. Cet appareil muni de l'option 01 possède un générateur de tension continu 13 permettant d'appliquer une polarisation continue et un générateur de tension alternative 14 monté 30 en série permettant de faire varier la fréquence. Cet appareil permet à la fois d'appliquer une polarisation continue au niveau du dipôle et de mesurer la capacité du condensateur Cext 12, et la capacité équivalente du dipôle Cdipôle• Elle permet aussi de 2903250 11 déterminer la capacité totale de l'ensemble en association parallèle Ctot. Celle-ci correspond à la somme de la capacité équivalente du dipôle avec celle du condensateur du circuit soit : 5 Ctot Cdipôle + Cext L'admittance mesurée est décrite de façon générale par une association parallèle d'une conductance G et d'une capacité C. L'instrument de mesure est raccordé à un 10 ordinateur. Cet ordinateur pilote cet instrument afin de pouvoir effectuer des mesures systématiques en fonction de la polarisation continue et de la fréquence du courant alternatif généré par le générateur de tension 14. 15 On procède dans un premier temps à des mesures sur la capacité du condensateur Cext pour trois valeurs de tension OV, 0.5V et 1V. Pour cela le condensateur Cext est branché directement sur l'instrument de mesure. La capacité mesurée pour ces trois valeurs est de 1,9nF. Cette 20 capacité est indépendante de la tension continue et de la fréquence comme on peut le voir sur la figure 5, qui est un graphe de valeurs des différentes capacités se rapportant aux condensateurs Cdipôle/ Cext, Ctot. pour des fréquences et tensions définies au niveau de l'ordinateur. 25 On procède de la même façon avec la capacité équivalente du dipôle Cdipôle• À partir des figures 4 et 5 on remarque que pour une tension continue nulle, Cdipôle est très faible et positive de l'ordre de quelques pF. Pour 30 les valeurs de tension continue de 0.5V et 1V, Cdipôle devient négatif à basse fréquence. On obtient pour une tension continue de 1V des capacités en valeurs absolues supérieures à 10nF pour des fréquences inférieures à 30Hz. Ces valeurs sont beaucoup plus grandes que celles qui sont 2903250 12 obtenues à 0V en valeur absolue. La figure 4 illustre bien les différentes valeurs prises par Cdipôle pour des tensions continues et des fréquences définies par l'ordinateur qui pilote l'instrument de mesure. La capacité du dipôle Cdipôle 5 change de signe pour une valeur de tension continue d'autant plus petite que la fréquence est petite. Lorsque l'on augmente l'intensité du champ électrique au-delà de la valeur provoquant le changement de signe de la capacité, la variation s'accentue; on peut ainsi atteindre 10 des valeurs de capacité négative nettement plus grandes que la valeur positive mesurée à tension continue nulle. Notons qu'on peut ajuster la valeur à une fréquence donnée en appliquant une tension ad hoc; la plage de tension utile est facilement accessible et est de l'ordre 15 du volt. En effectuant la mesure de l'ensemble en parallèle Ctot, on peut apprécier l'effet du dispositif sur la capacité Cext. La somme des capacités mesurées pour Cdipôle 20 avec Cext est égale à la capacité mesurée Ctot, quelle que soit la tension continue appliquée. À partir de l'ordinateur, en faisant varier les tensions à 0 V et 0,5 V, ctot prend des valeurs positives 25 que ce soit pour des hautes ou des basses fréquences. Pour une tension continue positionnée à 1V, avec une haute fréquence de tension alternative générée par le générateur de tension 14, la capacité du dipôle Cdipôle est positive et très faible par rapport à celle du 30 condensateur du circuit Cext, et on mesure bien une capacité totale positive pratiquement égale à C. À basse fréquence, Cdipôle prend des valeurs négatives importantes, l'ensemble fait bien apparaître un décalage et Ctot devient elle-même négative lorsque I Cdipôle I > Cext 2903250 13 Donc au-delà d'une certaine tension et en basse fréquence, il apparaît un décalage de capacité significatif, et le circuit peut alors avoir des temps de réponse réduits. Pour des tensions suffisamment grandes la capacité apparente de 5 l'ensemble peut elle-même devenir négative. Ainsi, pour une tension appliquée de 1 V, la valeur Ctot est de l'ordre de - 3,2.10-8 F, bien inférieure à la valeur nominale du condensateur Cext dans le circuit extérieur. Les propriétés électriques du dipôle ne dépendant que 10 de la valeur absolue de la tension et non de son signe, on obtient le même comportement pour des tensions négatives, et donc par exemple la même valeur de Ctotà -1 V qu'à +1 V. En conclusion, il apparaît que les fortes variations 15 avec la tension de la capacité du dipôle Cdipôle contribuent à faire varier notablement la capacité de l'ensemble Ctot. Celle-ci peut être éventuellement augmentée, mais aussi diminuée, voire être rendue nulle ou même négative. 20 En faisant varier la tension continue appliquée entre la première électrode 2 et la deuxième électrode 6, la capacité Cdipôle du dipôle est commandable et permet de compenser le condensateur Ce.t afin d'obtenir la valeur Ctot désirée. La variation de cette tension est dans ce mode de 25 réalisation contrôlée par l'ordinateur. Il est entendu que l'invention peut s'inscrire dans un dispositif compatible avec les technologies du silicium et peut être intégrée au-dessus de la surface d'un support 30 assez fin de matériau semi-conducteur comme un plaquette de silicium. En effet, le dipôle 1 peut être réalisé par dépôts, comme nous l'avons vu précédemment, à des températures suffisamment basses pour ne pas perturber les REVENDICATIONS 1. Dispositif pour faire varier la valeur apparente d'une capacité, ledit dispositif étant caractérisé en ce 5 qu'il comprend : - un dipôle (1) de type connu en soi, comprenant un matériau semi-conducteur(4) à transport électronique par saut positionné entre une première électrode (2) et une deuxième électrode (6), ledit 10 dipôle (1) étant disposé en parallèle de ladite capacité (12); - un générateur de tension continue (13) relié électriquement à la deuxième électrode (6) et à la première électrode (2) dudit dipôle (1); 15 - des moyens pour faire varier la tension générée par le générateur (13). 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un générateur de tension alternatif (14) disposé en série 20 avec ledit générateur de tension continue (13). 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première électrode (2) comprend une ligne métallique de première électrode (10) et une surface de contact de 25 première électrode (8), et la deuxième électrode (6) comprend une ligne métallique de deuxième électrode (11) et une surface de contact de deuxième électrode (9), ledit matériau semi-conducteur (4) étant positionné entre ladite ligne métallique de première électrode (10) et ladite ligne 30 métallique de deuxième électrode (11), ledit générateur (13) étant relié électriquement à la première électrode (2) et à la deuxième électrode (6) respectivement au niveau de la surface de contact de première électrode (8) et de la surface de contact de deuxième électrode (9). 2903250 16 4. Dispositif selon la revendication 1, se composant d'un substrat de verre (15) : - d'une couche d'un alliage de nitrure de carbone amorphe hydrogéné (16) constituant le semi-conducteur (16), - et d'une couche d'aluminium pour chacune des électrodes coplanaires (17, 18). 5. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le dipôle (1) se compose d'un substrat de verre (7) et d'une succession de couches suivantes : - une couche d'aluminium (6) constituant la première électrode (2), - une couche d'un alliage titane tungstène (5), - une couche d'un alliage de nitrure de carbone amorphe hydrogéné (4) constituant le semi-conducteur (4), - une couche d'un alliage de titane tungstène (3), -et une couche d'aluminium (2) constituant la deuxième électrode (6). 6. Procédé pour faire varier la valeur apparente d'une capacité, ledit procédé comprenant des étapes consistant à : - positionner en parallèle : •ladite capacité (12) • un dipôle (1) de type connu en soi, comprenant un matériau semi-conducteur (4) à transport électronique par saut positionné entre une première électrode (2), une deuxième électrode (6), • et un générateur de tension continu (13) relié électriquement à la première électrode (2) et à la deuxième électrode (6), 2903250 17 -appliquer une tension continue aux bornes de ladite première électrode (2) et de ladite deuxième électrode (6), - faire varier ladite tension générée par le 5 générateur. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape consistant à faire varier ladite tension jusqu'à une valeur, ladite valeur étant choisie de sorte que la valeur 10 apparente de ladite capacité (12) soit négative. 8. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape consistant à faire varier ladite tension jusqu'à une valeur, ladite valeur étant choisie de sorte que la valeur 15 apparente de ladite capacité (12) soit nulle. 9. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape supplémentaire dans laquelle un générateur de tension alternative (14) est positionné en série avec ledit 20 générateur de tension continue. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape consistant à sélectionner une fréquence d'une tension alternative générée par le générateur de tension 25 alternative (14) lorsque ladite tension continue est fixée, de telle sorte que la valeur apparente de ladite capacité (12) soit négative. 11. Procédé selon la revendication 9, comprenant une 30 étape consistant à sélectionner une fréquence d'une tension alternative générée par le générateur de tension alternative (14) lorsque ladite tension continue est fixée, de telle sorte que la valeur apparente de ladite capacité (12) soit nulle.