Brevet FR2973167A1 — publié le 20120928

Composant de type Nano-Electro-Mechanical-System Radio-Fréquence (NEMS RF) comportant un nano-commutateur à contact amélioré Le domaine de l'invention est celui des composants de type NEMS RF qui sont généralement des composants élaborés à partir de technologies de guides d'onde pour la micro-électronique, pouvant notamment être soit des lignes coplanaires comme représenté en figure 1, soit des lignes « microstrip » constituée d'une piste de transmission de largeur contrôlée, séparée d'un plan de masse conducteur par un matériau isolant à faibles pertes comme représenté en figure 2 , les lignes de champ électrique et les lignes de champ magnétique étant représentées sur l'ensemble de ces figures. ~o Afin de réaliser une fonction d'interrupteur RF il est nécessaire de pouvoir créer une très forte désadaptation locale de la ligne RF servant de support à la transmission du signal. Cette désadaptation jouant le rôle de barrage peut être créée de deux manières, soit en ouvrant la ligne RF comme un interrupteur série, faisant passer l'impédance caractéristique de la 15 ligne de 50 Ohm à l'infinie, soit en la court-circuitant comme un interrupteur parallèle, faisant passer l'impédance caractéristique de la ligne de 50 Ohm à 0 Ohm. (Il est question de court-circuit radio-fréquence dont le comportement est totalement différent d'un court-circuit en courant continu). Le problème lorsque l'on veut réaliser des nano-commutateurs 20 couramment appelés en terme anglo-saxons « nano-switch », c'est que l'on a généralement besoin de réaliser des contacts mettant en jeux des éléments dont au moins une des dimensions est d'échelle nanométrique, typiquement deux nanotubes. De ce fait, la fiabilité d'un tel contact est réduite et sa qualité moyenne très basse. Le cas idéal de deux nanotubes 25 étant en contact le long d'une arrête de manière continue est très improbable. Cela réduit de fait le potentiel de ces « nano-switch ». C'est pourquoi et dans ce contexte, la présente invention a pour objet un composant comportant une nouvelle architecture de micro-commutateur dans laquelle, le nanotube de carbone vient en contact 30 directement avec une ligne métallique, ou bien avec un diélectrique recouvrant cette dernière. Plus précisément, l'invention a pour objet un composant RF comprenant au moins une ligne RF coplanaire avec une surface métallique à la surface d'un substrat et une structure de nano-commutateur située entre ladite ligne coplanaire et la surface métallique, la ligne RF et la surface métallique étant parallèle entre elles selon une première direction, la ligne RF et la surface métallique comprenant des éléments latéraux perpendiculaires à ladite première direction, caractérisé en ce que : - un élément latéral de la ligne RF coopère avec au moins un élément latéral de la surface métallique qui comporte une série de nanotubes ~o ou nanofils, via une commutation mettant en contact direct la série de nanotubes ou de nanofils avec l'élément latéral de ladite ligne RF ; - ladite structure de commutateur comportant en outre au moins une électrode de commutation à la surface dudit substrat, permettant de contacter ladite série de nanotubes ou nanofils audit élément latéral de ladite 15 ligne RF. Selon une variante de l'invention, l'élément latéral de ladite ligne RF est recouvert d'une première couche de diélectrique de manière à assurer un contact ohmique au niveau du nano-commutateur. Selon une variante de l'invention, ladite première couche diélectrique 20 est recouverte d'une couche métallique constituant une électrode flottante, de manière à constituer une capacité intégrée. Selon une variante de l'invention, ladite première couche diélectrique est recouverte d'une couche métallique constituant une électrode flottante et ladite couche métallique est en outre recouverte d'une seconde couche de 25 diélectrique, permettant d'assurer un contact capacitif entre la série de nanotubes ou nanofils et la capacité intégrée. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce 30 aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un exemple de composant selon l'art connu élaboré à partir de guide d'onde pour la micro-électronique, de type ligne coplanaire ; - la figure 2 illustre un exemple de composant selon l'art connu élaboré à partir de guide d'onde pour la micro-électronique de type ligne « microstrip » ; - les figures 3a, 3c et 3b illustrent respectivement une vue de dessus, une vue de dessus agrandie et une vue en coupe d'un premier exemple de composant selon l'invention ; les figures 4a et 4b illustrent le fonctionnement d'un composant selon l'invention, dans un état « OFF » et un état « ON » de commutation ; la figure 5 illustre un second exemple de composant selon l'invention ; la figure 6 illustre un troisième exemple de composant selon l'invention ; la figure 7 illustre un quatrième exemple de composant selon l'invention. De manière générale, le composant de la présente invention comporte une ligne coplanaire RF susceptible d'être connectée à un ou plusieurs plans de masse via un ou plusieurs nano-commutateurs. La nouvelle architecture proposée dans la présente invention comporte un nano-commutateur comprenant au moins une série de nanotubes pouvant avantageusement être des nanotubes appartenant au plan de masse et pouvant commuter et ainsi être mis en contact direct avec la ligne coplanaire RF. Les nanotubes peuvent avantageusement être des nanotubes de carbone de type MWCNTs, intéressants pour leurs propriétés métalliques. De manière générale, les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires très minces formées par un ou plusieurs feuillets de graphite enroulés sur eux-mêmes. Les nanotubes de carbone peuvent être produits à haute température supérieure à 1000°C par l'application d'une décharge électrique entre deux électrodes de graphite ou à moyenne température inférieure à 1000°C par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition). En général, les nanotubes de carbone sont classés en deux catégories : les nanotubes monofeuillets, ou SWCNT, composés d'une structure tubulaire formée d'un feuillet de graphite enroulé sur lui-même, et qui se distinguent des nanotubes multifeuillets ou MWCNT, qui peuvent être considérés comme formés de plusieurs nanotubes SWCNT concentriques. Premier exemple de composant RF selon l'invention : Le composant comprend de manière classique une ligne coplanaire RF, Ls, réalisée à la surface d'un substrat S et susceptible d'être reliée à deux plans de masse M1 et M2 par l'intermédiaire de nano-commutateurs 1ô NC1, NC2, NC3 et NC4 comme représenté en figure 3a. Chaque nano-commutateur comporte des bras latéraux dits de plans de masse (par exemple des bras Mbll et Mb12 appartenant au plan de masse M1), un bras latéral dit de ligne (par exemple le bras Lsb1) appartenant à la ligne coplanaire RF et des électrodes de commande (E11, E12). 15 En outre, les bras latéraux de plan de masse comportent en surface des séries de nanotubes capables de commuter dans une position permettant d'assurer la connection électrique entre le plan de masse et la ligne coplanaire RF, les nanotubes rentrant en contact direct avec les bras dits de ligne RF. 20 La figure 3b illustre une vue en coupe du nano-commutateur NC1 mettant en évidence le contact électrique pouvant être assuré entre les nanotubes Nb11i appartenant à la série de nanotubes à la surface du bras de plan de masse Mb11 et le bras de ligne coplanaire Lsbl. La figure 3c est une vue de dessus agrandie du nano-commutateur 25 NC1 illustrant les deux bras latéraux des deux plans de masse, Mb11 et Mb12 pouvant être mis en contact avec le bras Lsb1 via deux séries de nanotubes Nb11i et Nb12i et deux électrodes de commande E11 et E12. Les figures 4a et 4b illustrent plus en détails le procédé de commande dudit nano-commutateur NC1 et ce en comportement de type 30 shunt. En l'absence de tension portée sur l'électrode de commande E11, la série de nanotubes Nb11i n'est pas activée pour venir rentrer en contact avec le bras Lsb1 En effet et ce de manière générale, dans la mesure où il est impossible d'actionner les nanotubes en les polarisant fortement de manière 35 directe, on applique une faible polarisation entre les nanotubes et le bras de la ligne métallique vers laquelle on veut les voir commuter puis on applique un potentiel du même signe que les nanotubes sur l'électrode d'activation afin de pousser les nanotubes vers la ligne métallique. Dans le cas présent du switch NEMS RF, du fait du passage d'un signal RF dans la ligne, les nanotubes sont naturellement polarisés. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un circuit de polarisation supplémentaire afin de pouvoir les actionner. Le signal remplit le rôle d'une polarisation à 0.5V Second exemple de composant RF selon l'invention : 10 Le composant de la présente invention peut également permettre un contact capacitif assuré entre les plans de masse et la ligne coplanaire. II est alors prévu une couche supplémentaire de matériau diélectrique DLsbi à la surface de l'ensemble du bras Lsb1 de la ligne 15 coplanaire, la série de nanotubes Nb11; pouvant basculer en contact avec cette couche DLsbi comme illustré en figure 5. Troisième exemple de composant RF selon l'invention : 20 Le composant de la présente invention peut comprendre également une capacité à commuter, directement intégrée au switch NEMS RF comme illustré en figure 6. Pour cela, le composant comprend au niveau du bras LSb1 relié à la ligne coplanaire RF, l'empilement de couches suivantes permettant d'assurer cette fonction de capacité intégrée : 25 - une couche de diélectrique DLsbI; une couche de matériau conducteur MF11, capable d'assurer une fonction d'électrode flottante. La valeur de la capacité à commuter est déterminée directement par l'épaisseur de la couche intermédiaire de diélectrique DLsbi et 30 par la surface de recouvrement de la partie flottante en contact ohmique. 2973167 Quatrième exemple de composant RF selon l'invention: Le composant de la présente invention peut également comprendre un contact capacitif entre la série de nanotubes Nb11 et une capacité intégrée audit composant tel que celui décrit dans le troisième exemple. Pour cela et comme illustré en figure 7, il peut être prévu de réaliser l'empilement de couches suivants à la surface du bras LsbI : - une première couche de diélectrique DILsbI; ~o une couche de matériau conducteur MFi1 ; une seconde couche de diélectrique D2Lsb1