Brevet FR3043843A1 — publié le 20170519

Composant électronique actionnable électro-chimiquement et procédé de réalisation du composant électronique actionnable Le domaine de l'invention est celui des composants accordables, et plus particulièrement les composants accordables à actionnement électrochimique. Un composant accordable est un composant qui peut présenter, à la demande, plusieurs niveaux d'une réponse donnée. La variation de la réponse est ajustée par l'application d'un champ électrique. De manière générale, la variation de la réponse est liée à une modification de propriétés physico-chimiques d'au moins un matériau au sein de structure du composant. La variation peut ainsi être envisagée pour plusieurs types de réponses, par exemple une variation de conductivité électronique, de constante diélectrique, de conductivité thermique, d'indices optiques ou de grandeurs mécaniques. L'actionnement électrochimique est un cas particulier : la variation de réponse du composant est liée à un changement de propriété(s) d'un matériau suite à une réaction électrochimique, obtenue par application d'un 20 champ électrique. L'actionnement électrochimique présente plusieurs avantages en comparaison aux autres modes d'actionnement (électrostatique, thermique, piézo-électrique etc...) : - une très basse consommation d'énergie ; 25 - une faible tension d'actionnement ; - une très grande précision d'ajustement, correspondant à une variation théorique des réactions électrochimiques à l'échelle du nanomètre. Les composants accordables à actionnement électrochimique 30 peuvent êtes classés en deux catégories, en fonction du mécanisme de la réaction électrochimique en jeu. 3043843 2 Première catégorie : l'actionnement électrochimique par insertion d'ions dans un matériau d'électrode : Dans ce cas l'insertion d'un ion au sein d'une structure hôte d'un 5 matériau induit un changement de propriétés dudit matériau et implique une variation de la réponse du composant associé. Un exemple de ce type de mécanisme est rapporté dans le document Nature communications 5 :4035-2014 et est illustré en figure 1, qui décrit une variation de la conductivité thermique (en l'occurrence la propriété variable) d'un matériau 10 de composition LixCo02 au cours de l'insertion des ions Li+. Il est à noter que d'une manière générale, l'insertion d'ions est le mécanisme qui induit le changement de propriétés du matériau. L'insertion d'ions peut avoir lieu par des mécanismes d'intercalation (dans des sites interstitiels de la structure hôte), d'alliage, ou encore de conversion. 15 Deuxième catégorie : l'actionnement électrochimique par formation de filament à travers un conducteur ionique : Dans ce cas la formation d'un filament par dissolution d'ions à travers un conducteur ionique induit un changement de propriétés de l'ensemble (conducteur ionique + filament, par comparaison à conducteur ionique seul). Un exemple de ce type de mécanisme est rapporté dans le document Nano Letters 14-2401-2014 et est illustré en figure 2, qui décrit une variation de la conductivité électronique entre les deux électrodes d'un système métal/A1203/métal par formation et retrait d'un filament métallique issu d'ions Cu+ (respectivement pour un état conducteur et un état isolant). Il est à noter que dans ce cas les électrodes d'actionnement et de mesures sont les mêmes. II apparait clairement qu'il est ainsi possible de moduler un nombre important de propriétés physico-chimiques de matériaux, et proposer différentes architectures de composants par actionnement électrochimique selon le premier ou le deuxième des modes décrits précédemment. 3043843 3 Chacun des modes d'actionnement présente un certain nombre d'avantages et de limitations qui sont détaillés dans la suite de la présente description. 5 Il a déjà été décrit dans la littérature brevet différentes approches de composants accordables avec actionnement électrochimique. Concernant l'actionnement électrochimique par insertion d'ions dans un matériau d'électrode : 10 La demande de brevet US20100003600 décrit un composant électronique à résistance variable mettant en oeuvre la variation de la conductivité électronique d'un matériau suite à l'insertion/désinsertion d'ions Li+. L'insertion est mise en oeuvre par l'existence d'un empilement collecteur/électrode positive/électrolyte/électrode négative/collecteur déposé 15 sur un substrat, et la variation de la résistance est mesurée au niveau d'électrodes interdigitées coplanaires traversant l'électrode d'insertion. La demande de brevet US20100075181 décrit un composant électronique à capacité variable, utilisant le gain et la perte volumique d'un matériau au cours de réactions d'insertion/désinsertion. Le changement 20 volumique induit une variation de distance entre deux plaques métalliques et par conséquent une variation de la capacité mesurée aux bornes des deux plaques considérées. L'insertion est assurée par la présence d'une structure de type collecteur de courant/électrode positive/électrolyte/électrode négative/collecteur déposé sur un substrat. 25 Le brevet US7262899 décrit un composant à réponse optique variable (structure de type guide d'onde). Dans ce cas une structure de type collecteur de courant / électrode positive /électrolyte / électrode négative / collecteur est présente avec un collecteur de courant supérieur composé de plusieurs lignes espacées d'une distance donnée. La structure précédente 30 permet d'insérer de manière contrôlée les ions lithium dans une des deux électrodes et modifier son indice de réfraction. La modification des indices entraine par conséquent une variation de la propagation de certaines longueurs d'ondes et permet de moduler le filtrage du composant. Le brevet US007652907 décrit un composant électronique à 35 réponse variable utilisé comme mémoire de stockage d'information. Le 3043843 4 composant est une source de tension variable présentant une structure de type collecteur de courant/électrode positive/électrolyte/électrode négative/collecteur. La structure forme une batterie qui est caractérisée par un profil de tension au cours de l'insertion/désinsertion des ions dans les 5 électrodes ; le profil dans le cadre de ce document est constitué de plusieurs plateaux, chaque valeur de tension d'un plateau correspond à un codage de l'information de la mémoire, par exemple 0 ou 1. Concernant l'actionnement électrochimique par formation de 10 filament à travers un conducteur ionique : La demande de brevet W02014/025434 décrit un composant électronique, en l'occurrence un noeud mémoire de stockage de type résistif ou pont conducteur (CBRAM pour contact bridge random access memory). Le composant électronique est caractérisé par une résistance 15 variable en fonction de la présence ou pas de filament conducteur à travers un conducteur ionique (Ta0x) placé entre deux contacts métalliques (Pd/Pd, voir page 4 du document PDF) Le brevet EP2605274 décrit un composant à conductivité thermique variable. Il est décrit plus spécifiquement un circuit intégré associé 20 à un système d'évacuation de chaleur composé de plusieurs ponts thermiques. Chaque pont thermique est relié à une zone du circuit intégré à travers un interrupteur thermique composé d'un tri-couche métal/conducteur ionique/métal. La formation d'un filament conducteur à travers le conducteur 25 ionique permet le passage d'un mode isolant à conducteur (thermique) et permettre de moduler l'évacuation de la chaleur induite par le fonctionnement du circuit intégré. Le brevet US008410469 décrit un interrupteur radiofréquence (RF switch). La formation d'un filament à travers un conducteur ionique par 30 l'application d'un champ électrique continu entre deux électrodes permet au composant de passer d'un état ON à un état OFF et d'assurer la conduction d'un signal radiofréquence. Les deux modes d'actionnement électrochimique influencent de manière significative les performances des composants accordables dans 35 lesquels ils sont mis en oeuvre. Le Tableau 1 ci-après résume les différences 3043843 5 majeures au niveau des avantages et des limitations. (Respectivement marqués en (+) et (-)). électrochimique par formation de filament Géométrie 2D/3D (+) 1D (-) Rapport de Moyen (-) Élevé (+) modulation États Oui (+) Non (-) intermédiaires Temps de >100 gs (-) 100 ps (-) REVENDICATIONS1. Composant électronique actionnable électro-chimiquement 5 comprenant : un substrat (7) ; - au moins une première et une deuxième électrodes d'actionnement (11, 12) ; - au moins une première et une deuxième électrodes de mesure 10 (21, 22) ; au moins une électrode de stockage configurée pour libérer des ions (3) sous l'action des électrodes d'actionnement ; au moins un conducteur ionique (4) conducteur desdits ions et situé dans une région disposée entre lesdites électrodes de 15 mesure; un dispositif adapté pour : o appliquer une tension ou un courant entre les première et deuxième électrodes d'actionnement pour permettre la migration d'ions de l'électrode de stockage vers la 20 première électrode d'actionnement formant sur celle-ci un dépôt électrochimique à travers le conducteur ionique et o pour mesurer entre les première et deuxième électrodes de mesure une modification d'au moins une caractéristique de la région disposée entre les première et deuxième 25 électrodes de mesure, de manière à déterminer au moins une caractéristique dudit composant électronique. 2. Composant électronique selon la revendication 1, dans lequel le conducteur ionique est en contact avec l'électrode de stockage et avec 30 ladite première électrode d'actionnement. 3. Composant électronique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel au moins ladite première électrode (11) d'actionnement est en un matériau ne pouvant former un composé avec lesdits ions. 35 3043843 21 4. Composant électronique, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode de stockage est en contact avec ladite deuxième électrode d'actionnement. 5. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une électrode (9) saturable en insertion desdits ions en contact avec ledit conducteur ionique et en contact avec ladite première électrode d'actionnement. 6. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les électrodes d'actionnement sont disposées de manière à assurer la formation d'un électrodépôt dans un plan orthogonal audit substrat. 7. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les électrodes d'actionnement sont disposées de manière à assurer la formation d'un électrodépôt dans un plan parallèle audit substrat. 8. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant en outre au moins une troisième électrode de mesure et une quatrième électrode (31, 32) de mesure séparées par ladite électrode de stockage de manière à moduler l'insertion et la désertion d'ions au niveau de ladite électrode de stockage et mesurer une modification d'au moins une caractéristique de l'électrode de stockage. 9. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un premier diélectrique de passivation interne et/ou un second diélectrique de passivation externe pouvant être en SiO2 ou Si3Na ou A1203. 10. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'électrode de stockage est une électrode de stockage d'ions métalliques Li ou Ag ou Cu ou Na ou Mg ou Al ou Ca. 11. Composant électronique selon la revendication 10, dans lequel l'électrode de stockage est en LiCoO2. 3043843 22 12. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'électrode de stockage est constituée d'un métal, permettant de libérer des ions métalliques sous l'action des électrodes 5 d'actionnement. 13. Composant électronique selon les revendications 5 et 10 ou 11, dans lequel l'électrode d'insertion en ions est en Si ou Ge ou Al, l'électrode de stockage comportant des ions Li. 10 14. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 13 dans lequel, le conducteur ionique est un phosphate de lithium nitruré (LIPON). 15 15. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel l'une ou les électrodes d'actionnement est(sont) en Cu ou Pt. 16. Composant électronique selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel l'une ou les électrodes de mesure est(sont) en Ni ou Cu ou Mo 20 ou W ou Pt ou oxyde conducteur ITO. 17. Procédé de fabrication d'un composant selon l'une des revendications 1 à 15, comportant les étapes suivantes : - le dépôt et la structuration d'au moins une électrode 25 d'actionnement à la surface d'un substrat ; - le dépôt et la structuration d'au moins une électrode de mesure à la surface dudit substrat ; - le dépôt et la structuration d'une électrode de stockage ; - le dépôt et la structuration d'un conducteur ionique ; 30 - le dépôt et la structuration d'un diélectrique de passivation interne. 18. Procédé de fabrication d'un composant accordable selon la revendication 17, dans lequel le dépôt de l'électrode de stockage est effectué 35 par pulvérisation réactive d'une cible, la structuration pouvant être effectuée par photolithographie et gravure par plasma . 3043843 23 19. Procédé de fabrication d'un composant accordable selon l'une des revendications 17 ou 18, dans lequel le dépôt du conducteur ionique est effectué par pulvérisation réactive, la structuration pouvant être effectuée par 5 photolithographie et gravure plasma. 20. Ensemble, comportant sur un substrat plusieurs blocs élémentaires, chaque bloc élémentaire étant contrôlable de manière indépendante et comprenant : 10 au moins une première et une deuxième électrodes d'actionnement (11i, 12i) ; au moins une première et une deuxième électrodes de mesure (21i, 22i) ; - au moins une électrode de stockage configurée pour libérer des 15 ions (3i) ; - au moins un conducteur ionique (4i) conducteur desdits ions et situé dans une région disposée entre lesdites électrodes de mesure ; ledit ensemble comprenant un dispositif adapté pour : 20 o appliquer à chaque bloc, une tension ou un courant entre les première et deuxième électrodes d'actionnement pour permettre la migration d'ions de l'électrode de stockage vers la première électrode d'actionnement formant sur celle-ci un dépôt électrochimique à travers le conducteur 25 ionique et o pour mesurer sur chaque boc élémentaire, entre les première et deuxième électrodes de mesure une modification d'au moins une caractéristique de la région disposée entre les première et une deuxième électrodes 30 de mesure.