Brevet FR2971243A1 — publié le 20120810

DISPOSITIF MICROELECTROMECANIQUE AVEC STRUCTURE D'ACTIONNEMENT PIEZOELECTRIQUE L'invention porte sur un dispositif microélectromécanique dont le fonctionnement est basé sur un effet piézoélectrique et constitué au moins en partie par un matériau semi-conducteur piézoélectrique, tel qu'un semi- conducteur de type III-N (nitrures d'éléments du groupe III). Les dispositifs et systèmes microélectromécaniques (dits « MEMS » pour l'anglais « Micro-Electro-Mechanical Systems ») ont connu un développement important dans les dernières décennies. Fabriqués à l'aide de techniques empruntées à la microélectronique, ces dispositifs comportent typiquement des éléments mécaniques de dimensions submillimétriques (poutres encastrées, membranes...), ainsi que des actionneurs pour mettre en mouvement lesdits éléments mécaniques et/ou des capteurs pour détecter le mouvement desdits éléments mécaniques. Lorsque les dimensions caractéristiques des éléments mécaniques sont inférieures au micromètre, on parle parfois de dispositifs et systèmes nanoélectromécaniques (dits « NEMS » pour l'anglais « Nano-Bectro-Mechanical Systems »). Dans la suite, les expressions « MEMS » et « dispositif micromécaniques » seront utilisées dans un sens large, incluant les dispositifs et systèmes nanoélectromécaniques (NEMS). Les documents WO2004/083110, US2007/0176211 et WO2010/116061 divulguent des MEMS de type à micro-poutre, réalisés en hétérostructure AIGaN/GaN, dans lesquels les mouvements de la micro-poutre sont détectés à l'aide d'un transistor de type HEMT intégré à l'hétérostructure. L'article de K. Tonisch et al. « Piezoelectric actuation of all nitride MEMS », Phys. Stat. Sol. (c), No. 6, 1910 - 1913 (2008) porte plus spécifiquement sur le mécanisme d'actionnement des MEMS réalisés en hétérostructure AIGaN/GaN. Les MEMS décrits par ces documents comportent une première couche en GaN déposée sur un substrat en Si, et une deuxième couche en AIGaN déposée sur ladite deuxième couche. Ces matériaux sont à la fois semi- conducteurs et piézoélectriques, et forment une hétérostructure confinant un gaz bidimensionnel d'électrons. L'actionnement est obtenu en appliquant une différence de potentiel aux bornes de la couche en AIGaN ; pour ce faire on utilise une électrode supérieure constituée par une couche de métallisation, tandis que le gaz bidimensionnel d'électrons joue le rôle d'électrode inférieure. Dans ces conditions, l'interface entre la deuxième couche et l'électrode supérieure a un comportement rectifiant (jonction Schottky). Dans un régime de fonctionnement normal du dispositif, cette jonction doit être polarisée inversement, ou alors directement mais à un niveau de tension inférieur à Vs-A--.0,5V environ pour éviter le passage d'un courant électrique important, qui conduirait à une dégradation rapide de l'interface et en tout cas à une différence de potentiel mal définie aux bornes de la couche piézoélectrique. En d'autre termes, le potentiel V2 de l'électrode supérieure doit être inférieur où égal à VI+Vs, où Vi est le potentiel du gaz bidimensionnel d'électrons faisant fonction d'électrode supérieure et VS-0,5V. En même temps, si l'électrode supérieure est amenée à un potentiel inférieur à celui du gaz bidimensionnel d'électrons, ces derniers sont repoussés et la densité du gaz diminue. Lorsque la différence de potentiel V2-Vl devient inférieure à une valeur -Vp (typiquement de l'ordre de -4V), le gaz d'électrons disparait complètement et ne peut plus jouer le rôle d'électrode pour l'établissement d'un champ électrique dans la deuxième couche. Par conséquent, un dispositif microélectromécanique connu de l'art antérieur ne peut fonctionner correctement que tant que sa tension d'actionnement VA=V2-Vl évolue dans une plage relativement limitée, entre -Vp et Vs, c'est-à-dire typiquement entre -4V et 0,5V. Cela limite l'efficacité de l'actionnement. Pour ces mêmes raisons, l'art antérieur ne permet pas de réaliser un dispositif microélectromécanique basé sur une hétérostructure du type « normalement éteint », c'est-à-dire ne présentant un gaz bidimensionnel d'électrons à l'interface entre les deux couches semi-conductrice que lorsque V2-VI>_VE>0. L'utilisation d'une hétérostructure de ce type serait avantageuse car elle permettrait la co-intégration de transistors à effet de champ de type « à enrichissement » (« enhancement mode » en anglais), appréciés pour leur faible niveau de consommation. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Un objet de l'invention, permettant d'atteindre ce but, est un dispositif microélectromécanique comportant : - un substrat ; - une première couche d'un premier matériau semi-conducteur, déposée sur une surface dudit substrat ; - une deuxième couche d'un deuxième matériau semi-conducteur piézoélectrique différent dudit premier matériau semi-conducteur, déposée sur ladite première couche, lesdites première et deuxième couches formant une hétérostructure susceptible de confiner un gaz bidimensionnel de porteurs ; - au moins un élément suspendu, formé par des prolongements desdites couches s'étendant au-delà d'un bord dudit substrat ; 15 et - une première et une deuxième électrodes d'actionnement pour établir une différence de potentiel entre ledit gaz bidimensionnel de porteurs et une face supérieure de ladite deuxième couche, opposée audit gaz bidimensionnel de porteurs, de manière à former une structure d'actionnement 20 piézoélectrique dudit élément suspendu ; caractérisé en ce qu'une couche diélectrique est prévue entre ladite deuxième électrode d'actionnement et ladite deuxième couche pour empêcher le passage d'un courant électrique entre elles. Grâce aux propriétés isolantes de la couche diélectrique, le 25 dispositif microélectromécanique de l'invention peut fonctionner correctement même avec une tension d'actionnement sensiblement positive, et supérieure à Vs, sans qu'un courant appréciable ne puisse passer de l'électrode supérieure à la couche semi-conductrice et piézoélectrique. La dynamique d'actionnement du dispositif s'en trouve considérablement améliorée. 30 Selon différents modes de réalisation particuliers de l'invention : - Ladite couche diélectrique peut présenter une épaisseur inférieure à trois fois celle de ladite deuxième couche, de préférence entre 0,1 fois et 1 fois - et de manière encore plus préférée entre 0,1 fois et 0,3 fois - celle de ladite deuxième couche. - Ladite couche diélectrique peut présenter une permittivité diélectrique relative supérieure ou égale à 3. - Ladite couche diélectrique peut présenter un champ de claquage, ou rigidité diélectrique, supérieur ou égal à 0,5 fois celui de ladite deuxième couche, et de préférence supérieur ou égal à celui de ladite deuxième couche. - La première et la deuxième couches peuvent être réalisées en des matériaux semi-conducteurs différents de type III-N. Plus particulièrement, ladite première couche peut être réalisée en GaN, ladite deuxième couche peut être réalisée en AIGaN, AIInN ou AIGaInN, et ladite couche diélectrique peut être réalisée en AI2O3. D'une manière conventionnelle : AIGaN est une écriture abrégée pour AI,GayN avec typiquement y=1-x et 0,1 Pour des valeurs positifs de VA, l'actionnement continue à fonctionner correctement (il n'y a pas de pincement) jusqu'à la rupture par claquage lorsque VA>VBD'. On remarquera que VBD«VBD car la configuration des lignes de champ est différente que dans le cas précédent. En conclusion, la tension d'actionnement VA peut varier utilement entre -Vp et VBD', c'est-à-dire sur une plage d'environ 8V. La courbe CAR2 illustre les conditions de fonctionnement d'un dispositif selon l'art antérieur, dans lequel la deuxième électrode E2 est disposée en contact direct avec la couche C2, sans interposition de la couche diélectrique CD. Pour des tensions VA négatives, le fonctionnement est sensiblement le même que pour le dispositif de l'invention, à ceci près que le pincement se produit au-delà d'un seuil Vp«VP. Cela s'explique facilement. En effet, seule la différence de tension aux bornes de la couche C2 contribue effectivement au pincement (et à l'actionnement) ; or, dans un dispositif selon l'art antérieur la tension VA est directement appliquée aux bornes de cette couche, tandis que dans le dispositif de l'invention elle se repartit entre la couche diélectrique CD et la couche C2 selon le principe du partiteur capacitif. Pour la même raison, le claquage se produit à une tension VBp", inférieure (en valeur absolue) à VBp. On remarquera que l'élargissement de la plage d'actionnement du dispositif selon l'invention qui est obtenue de cette manière n'est qu'apparente : certes, la tension VA peut prendre une valeur absolue plus importante, mais seule une fraction a La couche diélectrique CD doit de préférence être aussi mince que possible. En effet, comme expliqué plus haut, les couches CD et C2 forment un partiteur capacitif, ce qui fait que seulement une fraction a Dans certaines applications, la couche diélectrique CD peut être aussi mince qu'une monocouche atomique (environ 0,3 nm) ou, au contraire, présenter une épaisseur supérieure, jusqu'à 300 nm environ, ou jusqu'à trois fois l'épaisseur de la couche piézoélectrique C2. De préférence, 2971243 io cependant, l'épaisseur de la couche CD sera comprise entre 0,1 fois et 1 fois - et de manière encore plus préférée entre 0,1 fois et 0,3 fois - celle de ladite couche diélectrique C2. Afin de maximiser le facteur a, et donc l'efficacité de 5 l'actionnement, il est également opportun que la couche diélectrique présente une permittivité diélectrique relative aussi grande que possible, en général supérieure ou égale à 3,9. L'alumine, AI2O3 se révèle un choix particulièrement avantageux en raison de sa permittivité diélectrique de l'ordre de 9. Il en va de même pour le nitrure de silicium, Si3N4, de permittivité 7,5 environ. L'oxyde de 10 silicium SiO2, avec une permittivité diélectrique de l'ordre de 3, constitue un choix moins avantageux. Au moins pour des valeurs positives de VA, la dynamique d'actionnement est limitée par le claquage qui peut se produire soit dans la couche piézoélectrique C2, soit dans la couche électrique CD. Il est donc 15 opportun que ces deux couches présentent des champs de claquage comparables (le champ de claquage, ou rigidité diélectrique, étant défini comme le champ électrique maximal pouvant être appliqué sans induire un claquage). Typiquement, la couche CD peut présenter un champ de claquage supérieur ou égal à 0,5 fois celui de la couche C2, et de préférence supérieur ou égal à celui 20 de ladite couche. Là encore, AI2O3 se révèle un choix particulièrement avantageux, grâce à son champ de claquage supérieur à 4MV/cm. La figure 3 montre un dispositif microélectromécanique selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant un élément suspendu ES de type à poutre doublement encastrée. 25 A une première extrémité de la poutre se trouve un actionneur tel que décrit ci-dessus, présentant cependant la particularité d'être basé sur une hétérostructure du type « normalement éteint ». Cela signifie que les deux matériaux formant les couches CI et C2 sont choisis de telle manière qu'à leur interface il n'y ait pas de gaz bidimensionnel de porteurs, sauf si une différence 30 de potentiel positive est appliquée entre les électrodes E2 et El. Dans ces conditions, le signal d'actionnement VA(t) doit comporter une composante continue, ou de polarisation, VoA permettant de créer un gaz bidimensionnel d'électrons 2DEG, et une composante oscillatoire \Mt) excitant un mode de 2971243 Il résonance de la poutre. Une hétérostructure « normalement éteinte » est décrite dans l'article de F. Medjdoub et al. « Novel E-Mode GaN-on-Si MOSHEMT Using a Selective Thermal Oxidation", IEEE Electron Device Letters, Vol. 31, No. 9, Sept. 2010, pp. 948 - 950. 5 A l'extrémité opposée de la poutre se trouve un transistor T de type HEMT, permettant la détection des oscillations de l'élément suspendu. Ce transistor, qui est également « normalement éteint » comprend une électrode de grille G, séparée de la couche C2 par une couche isolante de grille CIG, permettant d'appliquer la tension VG, positive par rapport au substrat SS, de 10 nécessaire à générer un gaz bidimensionnel d'électrons, ainsi qu'une électrode de source S et une électrode de drain D, en contact avec ledit gaz bidimensionnel d'électrons. Avantageusement, la couche isolante de grille CIG et la couche diélectrique de la partie d'actionnement du dispositif peuvent être réalisées en un même matériau, et être déposées au cours d'une même étape 15 technologique. En variante, la partie d'actionnement et la partie de détection peuvent être réalisées d'un même coté de l'élément suspendu ES, certaines électrodes étant mutualisées entre l'actionneur et le transistor de détection (principe de la « grille résonante », décrit par les documents précités 20 WO2004/083110, US2007/0176211 et WO2010/116061). D'une manière connue en soi, l'élément suspendu pourra présenter des formes différentes : poutre simplement encastrée, membrane circulaire encastrée sur la totalité ou une partie de son bord, etc. La figure 4 montre une vue en plan d'un dispositif 25 microélectromécanique plus complexe, dans lequel l'élément suspendu comprend un « promontoire » PR dont se départent deux leviers ou poutres P1, P2 de longueurs différentes. On entend par « promontoire » un élément suspendu dont la largeur (parallèlement à la ligne d'encastrement avec le substrat, et donc au bord B dudit substrat) est sensiblement supérieure à la 30 longueur (perpendiculairement à ladite ligne d'encastrement). Les électrodes d'actionnement sont disposées sur le promontoire, ce qui permet de remédier au problème constitué par le manque de place sur les poutres, dont la largeur peut être très faible (quelques micromètres). Chaque poutre est équipée d'un transistor de détection respectif, T1, T2, comportant une électrode de drain D1, D2, une électrode de source S1, S2 et une électrode de grille, G1, G2 disposée entre le drain et la source. Dans le mode de réalisation de la figure 4 les électrodes de drain, de grille et de source des transistors de détection présentent une forme allongée et sont orientées dans le sens de la longueur des poutres. Les poutres P1 et P2 étant du type simplement encastré, la structure d'actionnement et les transistors de détection sont agencés du même côté - celui d'encastrement - à proximité immédiate l'un de l'autre. Les deux poutres P1 et P2 sont de longueurs différentes, de manière à avoir des fréquences de résonance distinctes ; ainsi, l'actionnement du promontoire met en résonance l'une seule de ces poutres, et pas l'autre. La poutre destinée à être excitée à sa fréquence de résonance (P1) peut - par exemple - présenter une surface fonctionnalisée de manière à servir en tant que capteur chimique. L'autre poutre (P2) est hors résonance avec la fréquence d'excitation, par conséquent elle n'oscille pratiquement pas. Son transistor T1 produit donc un signal « de référence », essentiellement dû au bruit et aux couplages parasites, qui doit être soustrait au signal issu du transistor T2 de la poutre active. Il s'agit donc d'une détection différentielle. Mise à part la différente longueur des poutres P1, P2, le dispositif de la figure 4 présente une structure symétrique ; ainsi, les électrodes d'actionnement sont dédoublées : El', El" et E2', E2". Les deuxièmes électrodes d'actionnement E2', E2" se trouvent sur les côtés ; les premières électrodes El', El" se trouvent plus vers le centre du promontoire ; elles forment une structure (un contact ohmique) unique avec les sources S1, S2 des transistors de détection. Ces structures sont maintenues à un potentiel de référence, la « masse ». Elles sont interposées entre les premières électrodes d'actionnement et les drains des transistors, dont sont prélevés les signaux de sortie. Ainsi, elles captent les courants de fuite et assurent une fonction d'écrantage, minimisant les couplages parasites entre les parties d'actionnement et de détection du dispositif. Ces couplages parasites constituent un problème majeur dans les dispositifs microélectromécaniques de l'art antérieur, d'autant plus grave que la fréquence de fonctionnement est élevée. Sur la figure 4, mais aussi sur les figures 5 à 7, les métallisations de grille et de l'actionneur (deuxièmes électrodes) sont représentées par un hachurage gris clair ; les pistes de connexion, par un hachurage plus foncé ; les contacts ohmiques par un hachurage encore plus foncé. Les régions de petites dimensions caractérisées par un hachurage foncé correspondent aux zones d'ouverture dans le ou les couche(s) isolante(s). Le dispositif de la figure 5 se différencie de celui de la figure 4 par l'orientation des transistors de détection. Leurs électrodes de drain, de grille et de source sont orientées dans le sens de la largeur des poutres et alignées dans le sens de leur longueur. Dans ce mode de réalisation, les premières électrodes d'actionnement et les électrodes de source des transistors sont formées par des contacts ohmiques séparés, mais connectés électriquement entre eux par des pistes conductrices PCS1, PCS2 déposées sur la surface du dispositif (mais sous la couche de passivation éventuelle). De même, les contacts ohmiques de drain sont connectés par l'intermédiaire de pistes conductrices respectives PCD1, PCD2. Dans ce cas aussi, chaque ensemble constitué par une électrode de source, une première électrode d'actionnement et la piste conductrice reliant ces deux électrodes, forme un écran entre une deuxième électrode d'actionnement et le drain du transistor correspondant. Dans le dispositif de la figure 6 l'élément suspendu ES se présente sous la forme d'une membrane circulaire encastrée sur tout son périmètre (le bord B du substrat est matérialisé par la ligne pointillée). La deuxième électrode d'actionnement E2 se présente comme une piste conductrice circulaire déposée sur la membrane suspendue. L'électrode de source S - qui sert aussi de première électrode d'actionnement El - est constituée par un contact ohmique, lui aussi de forme circulaire. Il en va de même pour l'électrode de drain D, qui dans ce mode de réalisation se trouve à cheval de la ligne d'encastrement de la membrane. L'électrode de grille présente une structure semblable à celle de la deuxième électrode d'actionnement. Du centre de la membrane vers la périphérie, l'ordre des électrodes est le suivant : deuxième électrode d'actionnement - source/première électrode d'actionnement - grille - drain. On peut vérifier que, dans ce cas aussi, le contact ohmique circulaire formant à la fois l'électrode de grille du transistor et la première électrode d'actionnement agit comme écran entre la deuxième électrode d'actionnement et le drain. Les références PCE2, PCG, PCD, PCS indiquent les pistes conductrices de connexion de l'électrode E2, de la grille, du drain et de la source, respectivement. Dans le dispositif de la figure 7 l'élément suspendu ES se présente aussi sous la forme d'une membrane circulaire encastrée sur tout son périmètre. Cette fois-ci, cependant, les structures d'actionnement et de détection sont séparées : le transistor de détection T est sur la partie droite de la figure, tandis que la structure d'actionnement se trouve sur la partie gauche. Les électrodes présentent une forme semi-circulaire. On remarque cinq pistes conductrices reliant entre elles et à la masse - les électrodes de source et El : la piste circulaire PCS1, sur l'élément suspendu, et les quatre pistes extérieures PCS2 - PCS4. II est facile de vérifier que ces pistes conductrices assurent l'écrantage entre la deuxième électrode d'actionnement et le drain du transistor de détection.20 REVENDICATIONS1. Dispositif microélectromécanique comportant : - un substrat (SS) ; - une première couche (CI) d'un premier matériau semi- conducteur, déposée sur une surface dudit substrat ; - une deuxième couche (C2) d'un deuxième matériau semi-conducteur piézoélectrique différent dudit premier matériau semi-conducteur, déposée sur ladite première couche, lesdites première et deuxième couches formant une hétérostructure susceptible de confiner un gaz bidimensionnel de porteurs (2DEG) ; - au moins un élément suspendu (ES), formé par des prolongements desdites couches s'étendant au-delà d'un bord (B) dudit substrat ; et - une première (El) et une deuxième (E2) électrodes d'actionnement pour établir une différence de potentiel entre ledit gaz bidimensionnel de porteurs et une face supérieure de ladite deuxième couche, opposée audit gaz bidimensionnel de porteurs, de manière à former une structure d'actionnement piézoélectrique dudit élément suspendu ; caractérisé en ce qu'une couche diélectrique (CD) est prévue 20 entre ladite deuxième électrode d'actionnement et ladite deuxième couche pour empêcher le passage d'un courant électrique entre elles. 2. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 1, dans lequel ladite couche diélectrique présente une épaisseur inférieure à trois fois celle de ladite deuxième couche, de préférence entre 0,1 fois et 1 fois - et 25 de manière encore plus préférée entre 0,1 fois et 0,3 fois - celle de ladite deuxième couche. 3. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite couche diélectrique présente une permittivité diélectrique relative supérieure ou égale à 3. 30 4. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite couche diélectrique présente un champ de claquage supérieur ou égal à 0,5 fois celui de ladite deuxième couche, et de préférence supérieur ou égal à celui de ladite deuxième couche. 6. dans lequel : AIGaInN ; et - 7. 20 5. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première et la deuxième couches sont réalisées en des matériaux semi-conducteurs différents de type III-N. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 5 ladite couche diélectrique est réalisée en AI2O3. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites première et deuxième couches forment une hétérostructure susceptible de confiner un gaz bidimensionnel de porteurs seulement lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre ces deux couches. 8. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit élément suspendu présente une forme choisie entre: une poutre, un disque ou une plaque. 9. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 8, dans lequel ledit élément présente une forme choisie entre : une poutre encastrée à ses deux extrémités ; et un disque ou plaque encastrés sur tout leur périmètre, lesdites première (El) et deuxième (E2) électrodes ladite première couche est réalisée en GaN ; ladite deuxième couche est réalisée en AIGaN, AIInN ou d'actionnement étant agencées au niveau d'une partie d'encastrement dudit élément. 25 10. Dispositif microélectromécanique selon l'une des revendications précédentes comportant également un transistor à effet de champ (FET) intégré à ladite deuxième couche et/ou à son prolongement pour détecter des déplacements dudit élément suspendu, ledit transistor à effet de champ comprenant une électrode de source (S) et une électrode de drain (D) 30 en contact électrique avec ledit gaz bidimensionnel d'électron, et une électrode de grille (G) réalisée au-dessus de ladite deuxième couche, séparée par elle par une couche isolante.11. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 10, dans lequel ladite couche isolante est réalisée dans le même matériau, et déposée dans la même étape technologique, que ladite couche diélectrique (CD). 12. Dispositif microélectromécanique selon la revendication 10 ou 11, dans lequel l'électrode de source dudit transistor à effet de champ, et/ou une piste conductrice (PCS1) en contact électrique avec ladite électrode, est connectée électriquement à ladite première électrode d'actionnement (El) et interposée entre ladite deuxième électrode d'actionnement (E2) et l'électrode de 1 o drain du transistor, de manière à former un écran électrostatique.