Brevet FR3113191A1 — publié le 20220204

La présente invention concerne des antennes qui convertissent l'énergie électromagnétique en énergie électrique, et en particulier un dispositif et un procédé de fabrication d'un tel dispositif. La présente invention concerne des antennes qui convertissent l'énergie électromagnétique en énergie électrique, et en particulier un dispositif et un procédé de fabrication d'un tel dispositif. Etat de l’art : La croissance effrénée de la population mondiale au cours des deux derniers siècles tient en grande partie aux progrès de la médecine moderne et à l'amélioration du niveau de vie. Cela a permis de réduire considérablement la mortalité infantile, juvénile et maternelle, contribuant ainsi à l'augmentation de l'espérance de vie. La population mondiale actuelle est de 7,6 milliards. Elle continue d’augmenter mais à un rythme moins soutenu que par le passé. Elle devrait croître de 1 milliard d’ici 15 ans et de 1 milliard supplémentaire d’ici 25 ans, pour atteindre 9,8 milliards de personnes en 2050. Ces projections sont basées sur des variations moyennes, qui tablent sur un recul du taux de fécondité et un allongement de l’espérance de vie. Cette augmentation de la population va de pair avec un besoin en énergies croissant. En effet, environ 88% de sa production mondiale provient de combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz et le pétrole. De plus, bien que le nucléaire ne soit pas considéré comme énergie fossile, l’emploi d’uranium et de plutonium amène à environ 90 % notre dépendance en matières premières d’origine terrestre. Cette dépendance est un problème puisque les besoins énergétiques augmentent à une vitesse telle que les réserves terrestres deviennent limitées à l’échelle de l’humanité. Le recours à des sources d’énergie alternatives et compatibles avec un développement durable constitue donc un des grands défis de ce siècle. Les énergies renouvelables semblent être une des clés vers un équilibre entre les besoins énergétiques découlant de la croissance de la population et les facteurs de développement durable. Il est important d’avoir en tête que le soleil est une source d’énergie gratuite, infinie à l’échelle de l’humanité. En effet, le soleil est à l’origine de la plupart des énergies terrestres (hydraulique, éolienne, marémotrice, photosynthèse, biochimique). Cette énergie provient du rayonnement électromagnétique généré par les réactions nucléaires interne à l'étoile. Actuellement, la conversion de l'énergie électromagnétique en énergie électrique se fait essentiellement grace à l‘effet photovoltaïque à l'aide de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), dont l’efficacité de la conversion par effet photovoltaïque est estimée à environ 30%. L'effet photovoltaïque est basé sur la nature photonique de la lumière. Cependant, le champ électromagnétique peut également être exploitée pour convertir directement l’énergie électromagnétique en énergie électrique. Ce concept d'exploiter la nature électromagnétique de la lumière pour la conversion directe en énergie électrique a été proposé par Robert Bailey en 1972 et breveté sous la référence de publication US3760257 A. La publication US 8847824 B2 propose une antenne couplée à des détecteurs d'éléments dans lesquels l'antenne alimente une diode. Une autre approche est proposée dans WO 2016/202995 qui propose un appareil photo-détecteur pour la détection des rayonnements infrarouges, visibles et ultraviolets, les photo-détecteur contenant une réponse spectrale pouvant être réglée pour obtenir une sensibilité aux différentes longueurs d'onde de conception. Le photo-détecteur comprend au moins un substrat, une première électrode, une deuxième électrode et au moins un matériau organique qui est ordonné entre la première électrode et la deuxième électrode, un Barrière Schottky au niveau de l'interface entre la première électrode et le matériau organique et / ou entre la deuxième électrode et le matériau organique. La dernière approche est proposée dans EP3493283 qui expose une antenne rectifiée avec une diode moléculaire dimensionné pour l’infrarouge ou le visible. Il y a donc un besoin réel de créer un dispositif de conversion des ondes électromagnétiques en énergie électrique avec un bon rendement et un procédé de fabrication associé (design). Il est donc proposé une antenne large bande dans le domaine de fréquence de 1 à 800 THz connectée à un pont de Graetz monophasé. En particulier, le dispositif comprend: - un substrat; - une première couche métallique déposée sur le dessus dudit substrat, ladite première couche métallique ayant un épaisseur prédéfinie; - un premier élément déposé au dessus de ladite première couche métallique; - une première couche de matériau conducteur et transparent déposée au dessus de ladite première couche métallique; - une deuxième couche métallique déposée sur le dessus du matériau conducteur ; - un deuxième élément déposé au dessus de ladite deuxième couche métallique ; - une deuxième couche de matériau conducteur et transparent déposée au dessus du deuxième élément ; - une troisième couche métallique déposée sur le dessus du matériau conducteur ; Les éléments sont configurés pour produire un courant continu, les ondes de surface étant générées à une ou plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement, et au moins un paramètre de dimensionnement du dispositif est déterminé à partir d'au moins une longueur d'onde de fonctionnement, ledit au moins paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions de ladite pluralité des éléments, l'épaisseur prédéfinie de la première couche métallique. Il est proposé également un procédé de la fabrication du dispositif : - déterminer au moins une longueur d'onde de fonctionnement du dispositif ; - préparer un substrat, comprenant des opérations de nettoyage et de revêtement; - déposer une première couche métallique au-dessus dudit substrat; - déposer un premier élément ; - déposer une première couche de matériau conducteur ; - déposer une deuxième couche métallique ; - déposer un deuxième élément ; - déposer une deuxième couche de matériau conducteur ; - déposer une troisième couche métallique ; - déposer un isolant ; - déterminer au moins un paramètre de dimensionnement du dispositif à partir d'au moins une longueur d'onde de fonctionnement, ledit paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions de ledit espacement et l'épaisseur prédéfinie de ladite première couche métallique. L'invention sera mieux comprise à partir de la description d'un certain nombre de figures : La figure A est une vue schématique selon certains modes de réalisation de l'invention. La figure B est une vue schématique en coupe selon un mode de réalisation de l'invention. La figure C est une vue 3D selon un mode de réalisation de l'invention (exemple d’un réseau). La figure D est un diagramme représentant une cartographie 2D du champ électromagnétique centré dans un plan normal de l’axe, selon certains modes de réalisation de l'invention. La figure E est un diagramme représentant la courbe de dispersion du gap plasmon, selon certains modes de réalisation de l'invention. La figure F est un diagramme représentant l'évolution de l'absorption totale d’un élément de l’antenne en fonction de la longueur d'onde d'incidence (λ) et de l'angle d'incidence (θ), selon un mode de réalisation de l'invention. La figure G est un diagramme montrant les résultats de la simulation numérique du courant généré par le dispositif, selon un exemple de réalisation de l'invention. Description de l’invention : Les modes de réalisation de l'invention peuvent être appliqués dans plusieurs domaines comprenant, sans limitation, la conversion des ondes électromagnétiques en électricité, la photodétection et l'imagerie dans des dispositifs fonctionnant dans la gamme de longueur d'onde comprise entre 300 nm et 3000 nm. Les modes de réalisation de l'invention peuvent être utilisés dans des applications liées à réalisation de transistor HFET avec d'autres percées possibles concernant la photodétection et l’imagerie dans les domaines infrarouges. Pour faciliter la compréhension de certains modes de réalisation décrits, les définitions suivantes sont fournies. Lorsque les ondes électromagnétiques pénètrent dans une antenne, les électrons de conduction du métal de l’antenne sont soumis à des oscillations rapides dans les milieux conducteurs de l’antenne. Des couplages existent entre les ondes électromagnétiques et les électrons de conduction et dans ce cas ils sont appelés plasmons. Il existe alors au sein de l’antenne un courant alternatif ayant une fréquence élevée, qui peut être comprise entre 1 THz et 800 THz, suivant la valeur de l’onde incidente arrivant sur l’antenne. Un tel courant alternatif peut être redressé avec une intensité très élevée par une ou plusieurs diodes. Ces mécanismes sont similaires aux mécanismes générés lors de la réception des ondes radio avec des antennes conventionnelles. L’efficacité de la conversion onde électromagnétique courant électrique se réfère au rapport de proportion entre l'énergie donnée en entrée et l'énergie électrique produit en sortie. Une efficacité théorique de 100% se réfère à une conversion sans perte d'énergie. L'efficacité globale du dispositif est obtenue en multipliant a minima les deux facteurs: - l'efficacité du couplage du rayonnement incident à l'antenne, - l'efficacité de propagation de l'énergie collectée de l'antenne au convertisseur, L'efficacité du couplage d'un rayonnement incident à la structure de l'antenne représente un facteur très important pour déterminer l'efficacité globale de la structure. La fréquence de fonctionnement du dispositif, est appelée fréquence de travail, et se réfère à la longueur d'onde de travail notée λ. La taille fait référence à la largeur, la longueur et la hauteur de chaque élément de l’antenne. Lorsque les antennes comprennent des motifs non rectangulaires ou circulaires, la taille se réfère aux dimensions qui permettent de définir le dit motif. Si l’antenne est composé d’un réseau périodique dans l'espace; la cellule élémentaire est définie comme la plus petite fraction de l'espace, avec un volume fini, tel qu'il peut assurer le pavage de l'espace par translation d'un vecteur t = m.a + n.b + p.c ( (n, m, p) sont des entiers positifs). Où a, b et c sont trois vecteurs qui peuvent être écrit en fonction des vecteurs d'unité d'une référence orthonormale. Ensuite, la périodicité (ou l'espacement) le long d'un axe est donnée par a, b et c. Dans certains modes de réalisation, la longueur d'onde de fonctionnement λ peut être déterminée à partir de la largeur du dispositif (L), et de l'indice de réfraction effectif (n eff) du mode photonique dans le matériau de base (λ = 2Ln eff). Selon le matériau utilisé, l'épaisseur du gap (lieu de génération de plasmons) peut être comprise entre 1 nm et la valeur de la longueur d'onde de résonance λ. Selon certains modes de réalisation dans lesquels il existe une couche conductrice transparente, l'épaisseur peut aller jusqu'à 100 nm. Dans de tels modes de réalisation, l'épaisseur du matériau utilisée peut être déterminée de telle sorte que la propriété conductrice de la couche conductrice transparente prévaut. En effet, l'épaisseur de la couche conductrice transparente peut fortement influencer la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif lorsqu'elle varie de 1 nm à 100 nm. Pour de nombreuses applications, l'angle d'incidence n'est pas strictement normal. Il est donc important d'étudier la réponse dépendant de l'angle de la structure pour évaluer si la résonance et la quantité d'absorption changent lorsque l'angle d'incidence varie. En se référant à la figure A, il est montré un dispositif configuré pour convertir une onde électromagnétique incidente en énergie électrique, le dispositif A1000 comprenant : - un substrat A1001; - une première couche métallique A1002 déposée sur le dessus du substrat A1001 ; - un premier élément A1003 déposé au-dessus de la première couche métallique A1002; - une première couche de matériau conducteur A1004 déposé au-dessus du premier élément A1003 ; - une deuxième couche métallique A1005 déposée au dessus de la couche A1004 ; - un deuxième élément A1006 déposé au-dessus de la deuxième couche métallique A1005; - une deuxième couche de matériau conducteur A1007 déposé au-dessus du deuxième élément A1006 ; - un troisième élément A1008 déposé au-dessus de la première couche métallique A1002; - une troisième couche de matériau conducteur A1009 déposé au-dessus du troisième élément A1008 ; - une troisième couche métallique A1010 déposée au dessus de la couche A1009 ; - un quatrième élément A1011 déposé au-dessus de la troisième couche métallique A1010; - une quatrième couche de matériau conducteur A1012 déposé au-dessus du quatrième élément A1011 ; - un isolant A1013, déposé sur la couche métallique A1002 ; - une dernière couche métallique A1014 déposée sur le dessus de A1013, A1012, A1007 ; Au moins un paramètre de dimensionnement du dispositif A1000 peut être déterminé à partir d'au moins une longueur d'onde de fonctionnement, le au moins un paramètre de dimensionnement étant choisi dans un groupe comprenant les dimensions de la pluralité A1000 (par ex. dimensions latérales largeur et / ou longueur des patchs), l'épaisseur prédéfinie de la première couche métallique A1002. Selon certains modes de réalisation, le substrat A1001 peut être en silicium (Si). Dans certains modes de réalisation de l'invention, la première couche métallique A1002, ou la deuxième couche métallique A1005, ou la troisième couche métallique A1010, ou la dernière couche métallique A1014 peut être formée d'un matériau choisi par exemple, mais sans s'y limiter, dans un groupe comprenant l'aluminium (Al), l'argent (Ag), l'or (Au), le tungstène (W) ou le cuivre (Cu). Dans certains modes de réalisation, les éléments A1000 peuvent agir comme des centres de diffusion qui couple l’onde incidente dans le matériau de base. Dans certains modes de réalisation, les éléments A1000 peuvent avoir chacun une géométrie prédéfinies. Les éléments A1000 peuvent avoir une géométrie particulière telle que, mais sans s'y limiter, un cercle, une ellipse, une forme rhombique, rectangulaire, carrée ou en bande par exemple. De préférence, tous les éléments A1000 peuvent avoir la même géométrie. Dans certains modes de réalisation, les éléments A1000 peuvent être disposés périodiquement dans un treillis, en réseau, ou au hasard. Les éléments A1000 peuvent être disposés le long d’un réseau avec une périodicité prédéfinie entre chaque éléments. Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de l'élément A1000 peut être très faible pour avantager les propriétés de transport de charge. En particulier, les éléments A1000 peuvent avoir une épaisseur allant de 1 à 100 nm. Selon certains modes de réalisation, la longueur d'onde de fonctionnement peut varier d'une fois à cent fois une épaisseur totale du dispositif A1000. Dans certains modes de réalisation dans lesquels les éléments de A1000 ont des tailles différentes et sont disposé périodiquement, le dispositif A1000 peut avoir plusieurs longueurs d'onde de fonctionnement. La longueur d'onde de fonctionnement λ peut être déterminée à partir des paramètres géométriques des éléments A1000, tels que leur périodicité, et / ou leur largeur et l'épaisseur du matériau de base. Dans certains modes de réalisation, la longueur d'onde de fonctionnement peut être supérieure à une fois la périodicité de la pluralité des éléments. Cette plage peut être choisie pour garantir que les éléments A1000 dispersent la lumière. Selon certains modes de réalisation, A1000 peut comprendre en outre une couche transparente déposée sur le dessus de la structure A1000. Les ondes électromagnétiques incidentes peuvent être collectées par la pluralité des éléments A1000 de la première et de la dernière couche métallique A1002 et A1014, générant ainsi des courants. Le système de coordonnées x, y, z, dans lequel les vecteurs unitaires sont représentés sur la figure A définissent un système cartésien et les vecteurs unitaires définissent respectivement l'axe des abscisses et l'axe des ordonnées du plan sur lequel le substrat est déposé. Le champ électrique parallèle respectivement aux abscisses, ordonnées et l'axe d'altitude est noté ci-après respectivement Ex, Ey et Ez. Les ondes électromagnétiques incidentes peuvent être récupérées par la structure afin de générer des courants de surface se propageant le long de la première et de la dernière couche métallique et présentant un champ électrique le long du vecteur unitaire. L'optimisation d'un tel dispositif selon certains modes de réalisation de l’invention et le calcul du transfert d'énergie vers la charge peuvent être effectués en utilisant des techniques de traitement des équations aux dérivées partielles, pour ce qui concerne les champs, les plasmons de gap et les courants. Tous les calculs ont été réalisés soit en développant des codes spécifiques en langage C ou Python, soit en adaptant des logiciels libres avec des méthodes classiques de résolution des équations aux dérivées partielles. La figure B est une vue schématique en coupe selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de la figure C a une structure en couches qui peut comprendre n éléments de base A1000. - un substrat en silicium A1001; - une première couche métallique A1002 formée d'argent (Ag) déposé sur le dessus du silicium substrat A1001; - …. - une dernière couche métallique A1014 formée d'argent (Ag) disposé périodiquement avec une périodicité P de 100 nm, en réseau carré. La figure D est un diagramme représentant une cartographie 2D du champ électromagnétique centré dans un plan normal de l’axe, selon certains modes de réalisation de l'invention. La figure E est un diagramme représentant la courbe de dispersion du gap plasmon, selon certains modes de réalisation de l'invention. La figure F est un diagramme représentant l'évolution de l'absorption totale d’un élément de l’antenne en fonction de la longueur d'onde d'incidence (λ) et de l'angle d'incidence (θ), selon un mode de réalisation de l'invention. La figure G est un diagramme montrant les résultats de la simulation numérique du courant généré par le dispositif, selon un exemple de réalisation de l'invention. Fabrication : A l'étape G1000, au moins une longueur d'onde de fonctionnement peut être définie comme paramètre de dimensionnement pour convertir l’onde électromagnétique incidente en énergie électrique. La description suivante de certains modes de réalisation de l'invention sera faite avec référence à la fabrication d'une structure en couches rectangulaires à l'aide d'un substrat de silicium. A l'étape G1001, le substrat de silicium (Si) peut être d'abord nettoyé par voie humide dans une solution d'acétone suivi d'un séchage par projection d'azote ou d'un séchage par centrifugation. Le substrat peut être nettoyé au plasma dans de l'argon ou de l'oxygène pour éliminer les impuretés organiques qui pourraient être présentes à la surface du substrat. A l'étape G1002, un dépôt physique en phase vapeur (PVD) d'une couche d'argent peut être réalisé, dans un environnement ultra vide. A l'étape G1004, une diode peut être déposée (ou un ensemble de diodes moléculaires SAM). A l'étape G1006, un revêtement par centrifugation de particules d'oxyde de zinc (ZnO) peut être réalisé. A l'étape G1007, une configuration nano-lithographique peut être réalisée en utilisant une couche de polyméthacrylate de méthyle. D’autres types de lithographie tels que la lithographie par faisceau d'électrons ou la lithographie laser être utilisé aussi. Ensuite, à l'étape G1104, une couche diode peut être déposée sur le dessus de la couche d'argent. A l'étape G1106, une couche de ZnO peut être déposée au-dessus de la première diode. Dans certains modes de réalisation, la première couche métallique et la seconde couche métallique peuvent être revêtues en utilisant une technique appropriée telle que, par exemple, le dépôt physique en phase vapeur (PVD) d'une couche d'argent (Ag) dans un environnement ultra vide, la pulvérisation magnétron, un faisceau ionique, pulvérisation (IBS) et évaporation par faisceau d'électrons. Dans certains modes de réalisation, la couche conductrice transparente peut être revêtue en utilisant plusieurs techniques telles que le revêtement par centrifugation, le revêtement profond, le sol-gel et l'évaporation. Simulation : La figure G représente la valeur du courant obtenue lorsque le dispositif est éclairé avec 3 longueurs d’onde différentes. Dispositif A1000 pour convertir une onde électromagnétique incidente en énergie électrique, comprenant : - un substrat A1001; - une première couche métallique A1002 déposée sur le dessus du substrat A1001 ; - un premier élément A1003 déposé au-dessus de la première couche métallique A1002; - une première couche de matériau conducteur A1004 déposé au-dessus du premier élément A1003 ; - une deuxième couche métallique A1005 déposée au dessus de la couche A1004 ; - un deuxième élément A1006 déposé au-dessus de la deuxième couche métallique A1005; - une deuxième couche de matériau conducteur A1007 déposé au-dessus du deuxième élément A1006 ; - un troisième élément A1008 déposé au-dessus de la première couche métallique A1002; - une troisième couche de matériau conducteur A1009 déposé au-dessus du troisième élément A1008 ; - une troisième couche métallique A1010 déposée au dessus de la couche A1009 ; - un quatrième élément A1011 déposé au-dessus de la troisième couche métallique A1010; - une quatrième couche de matériau conducteur A1012 déposé au-dessus du quatrième élément A1011 ; - un isolant A1013, déposé sur la couche métallique A1002 ; - une dernière couche métallique A1014 déposée sur le dessus de A1013, A 1012, A1007 ; Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (A1000) est disposé périodiquement le long d’un réseau périodique dans l’espace. Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel le substrat est en silicium (A1001), la première couche métallique (A1002) et / ou la seconde couche métallique (A1005) étant formée à partir d'un matériau choisis dans un groupe comprenant l'aluminium (Al), l'argent (Ag), l'or (Au), le tungstène (W) ou le cuivre (Cu). Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel le substrat est en silicium (A1001), la troisième couche métallique (A1010) et / ou la dernière couche métallique (A1014) étant formée à partir d'un matériau choisis dans un groupe comprenant l'aluminium (Al), l'argent (Ag), l'or (Au), le tungstène (W) ou le cuivre (Cu). Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel au moins une longueur d'onde de fonctionnement varie d'une fois à cent fois l'épaisseur totale. Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel au moins une longueur d'onde de fonctionnement est supérieure à une fois la périodicité d’un réseau périodique dans l’espace. Dispositif (A1000) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (A1000) a une pluralité de dimensions, le dispositif (A1000) fonctionnant à une pluralité de longueurs d'onde différente. Dispositif (A1000) selon la revendication 5, dans lequel il existe une couche conductrice transparente, l'épaisseur peut aller jusqu'à 100 nm. Dans de tels modes de réalisation, l'épaisseur du matériau utilisée peut être déterminée de telle sorte que la propriété conductrice de la couche conductrice transparente prévaut. Procédé de fabrication du dispositif (A1000) selon l’une des revendications 1 à 8, procédé comprenant au moins une longueur d'onde de fonctionnement définie comme paramètre de dimensionnement pour convertir l’onde électromagnétique incidente en énergie électrique.