Brevet FR3114255A1 — publié le 20220325

Transducteur CMUT La présente description concerne un transducteur CMUT (200) comportant une membrane flexible (109) suspendue au-dessus d'une cavité (103), et une électrode inférieure (101) située au fond de la cavité (103), en vis-à-vis de la membrane flexible (109), dans lequel l'électrode inférieure (101) est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible (109) en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité. Figure pour l'abrégé : Fig. 2A Transducteur CMUT La présente description concerne de façon générale le domaine des transducteurs ultrasonores, et vise plus particulièrement un transducteur ultrasonore capacitif à membrane, aussi appelé transducteur CMUT (de l'anglais "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer" – transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné) De façon classique, un transducteur CMUT comprend une membrane flexible suspendue au-dessus d'une cavité, une première électrode, appelée électrode inférieure, située du côté de la cavité opposé à la membrane, et une deuxième électrode, appelée électrode supérieure, située du côté de la cavité opposé à l'électrode inférieure et solidaire mécaniquement de la membrane flexible. Lorsqu'une tension d'excitation appropriée est appliquée entre les électrodes du transducteur, la membrane flexible entre en vibration et émet une onde acoustique ultrasonore. A l'inverse, lorsque le transducteur reçoit une onde acoustique dans une certaine gamme de fréquence, la membrane flexible entre en vibration, conduisant à l'apparition d'une tension entre les électrodes du transducteur. Un transducteur CMUT est classiquement couplé à un circuit électronique de contrôle configuré pour, lors d'une phase d'émission, appliquer une tension d'excitation entre les électrodes inférieure et supérieure du transducteur, de façon à provoquer l'émission d'une onde ultrasonore par le transducteur, et, lors d'une phase de réception, lire la tension générée entre les électrodes inférieure et supérieure du transducteur sous l'effet de l'onde acoustique reçue. Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'une structure de transducteur CMUT palliant tout ou partie des inconvénients des structures connues. Pour cela, un mode de réalisation prévoit un transducteur CMUT comportant une membrane flexible suspendue au-dessus d'une cavité, et une électrode inférieure située au fond de la cavité, en vis-à-vis de la membrane flexible, dans lequel l'électrode inférieure est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité. Selon un mode de réalisation, au moins une partie centrale de la membrane flexible est directement en vis-à-vis de l'électrode inférieure, c'est-à-dire qu'aucune couche intermédiaire ne s'étend entre ladite partie centrale de la membrane flexible et l'électrode inférieure. Selon un mode de réalisation, le transducteur comporte en outre une électrode supérieure revêtant la face de la membrane flexible opposée à la cavité. Selon un mode de réalisation, l'électrode supérieure est en métal. Selon un mode de réalisation, le transducteur comporte en outre un circuit de contrôle adapté à appliquer, entre l'électrode inférieure et l'électrode supérieure, une tension adaptée à déformer la membrane flexible par effet électrostatique, jusqu'à mettre la face inférieure de la membrane flexible en contact avec la face supérieure de l'électrode inférieure, de façon à former une jonction PN polarisée en inverse entre la membrane flexible et l'électrode inférieure. Selon un mode de réalisation, l'électrode inférieure et la membrane flexible sont en silicium. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième types de conductivité sont respectivement le type N et le type P. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A est une vue en coupe schématique d'un exemple d'un transducteur CMUT dans une première configuration ; la figure 1B est une vue en coupe schématique du transducteur de la figure 1A dans une deuxième configuration ; la figure 2A est une vue en coupe schématique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un transducteur CMUT dans une première configuration ; et la figure 2B est une vue en coupe schématique du transducteur de la figure 2A dans une deuxième configuration. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les diverses applications que peuvent avoir les transducteurs décrits n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles de transducteurs ultrasonores, notamment dans des dispositifs d'imagerie ultrasonore et/ou des dispositifs de biométrie. En outre, les circuits de contrôle des transducteurs décrits n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles tous ou la plupart des circuits connus de contrôle de transducteurs CMUT, moyennant éventuellement des adaptations à la portée de la personne du métier à la lecture de la présente description. Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Les figures 1A et 1B sont des vues en coupe schématiques d'un exemple d'un transducteur CMUT 100 dans respectivement deux configurations de fonctionnement distinctes. Le transducteur 100 comprend une électrode inférieure 101 en un matériau semiconducteur dopé, par exemple en silicium dopé. L'électrode 101 peut elle-même reposer sur un substrat de support, non représenté. Le substrat de support peut être en un matériau semiconducteur, auquel cas une couche diélectrique, non représentée, peut faire interface entre le substrat de support et l'électrode 101. A titre de variante, le substrat de support peut être en un matériau diélectrique, par exemple en verre. Dans le cas où le substrat est en un matériau semiconducteur dopé, ce dernier peut directement servir d'électrode inférieure. Le transducteur 100 comporte, en vis-à-vis de l'électrode 101, du côté de la face supérieure de l'électrode 101, une cavité 103 formée dans une couche support rigide 105, par exemple une couche diélectrique, par exemple une couche d'oxyde de silicium. A titre d'exemple, la couche 105 repose, par sa face inférieure, sur la face supérieure de l'électrode 101. La cavité 103 correspond à une ouverture ou un évidement localisé formé dans la couche 105, en vis-à-vis d'une partie centrale de l'électrode 101. Dans cet exemple, la cavité 103 s'étend verticalement depuis la face supérieure de la couche 105, en direction de sa face inférieure. Les parois latérales de la cavité 103 sont formées par une région périphérique non évidée de la couche 105. Dans cet exemple, au fond de la cavité 103, une couche diélectrique 107, par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium, revêt la face supérieure de l'électrode 101. La couche 107 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de l'électrode 101. La couche 107 peut par exemple correspondre à une partie inférieure de la couche 105. Le transducteur 100 comporte de plus une membrane flexible 109 suspendue au-dessus de la cavité 103. A la périphérie de la cavité 103, la membrane 109 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 105. En partie centrale du transducteur, la face inférieure de la membrane 109 est séparée de la face supérieure de la couche diélectrique 107 par la cavité 103. La membrane 109 peut être en un matériau semiconducteur, par exemple en silicium. A titre de variante, la membrane 109 peut être en un matériau diélectrique, par exemple du nitrure de silicium ou de l'oxyde de silicium. Le transducteur 100 comporte en outre une électrode supérieure 111, par exemple en métal, revêtant la face supérieure de la membrane flexible 109. Dans l'exemple représenté, l'électrode 111 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la membrane 109. L'électrode supérieure 111 est située à l'aplomb de la cavité 103. A titre d'exemple, l'électrode supérieure 111 s'étend sur sensiblement toute la surface supérieure de la membrane flexible 109. Le transducteur 100 comprend de plus un circuit électronique de contrôle CTRL, non détaillé, connecté à ses électrodes inférieure 101 et supérieure 111 et configuré pour, lors d'une phase d'émission, appliquer une tension d'excitation entre les électrodes 101 et 111, et, lors d'une phase de réception, lire une tension entre les électrodes 101 et 111. A titre d'exemple, le circuit de contrôle CTRL peut être configuré pour, lors des phases d'émission et/ou de réception, appliquer une tension de polarisation continue entre les électrodes 101 et 111. Lors des phases d'émission, le circuit de contrôle CTRL applique en outre une tension d'excitation alternative superposée à la tension de polarisation continue, de façon à provoquer une vibration de la membrane 109 conduisant à l'émission d'une onde acoustique ultrasonore. Lors des phases de réception, une tension alternative superposée à la tension de polarisation continue apparaît entre les électrodes 101 et 111 sous l'effet de l'onde acoustique reçue. Cette tension alternative est lue par le circuit de contrôle CTRL. La figure 1A est une vue du transducteur dans une première configuration dite suspendue. Dans cette configuration, une distance non nulle sépare la face inférieure de la membrane flexible 109 du fond de la cavité 103, c'est-à-dire de la face supérieure de la couche diélectrique 107. Cette configuration peut être obtenue lorsqu'une tension de polarisation continue nulle ou relativement faible (en valeur absolue) est appliquée entre les électrodes 101 et 111 par le circuit de contrôle CTRL. La figure 1B est une vue du transducteur dans une deuxième configuration dite affaissée ("collapsed" en anglais). Dans cette configuration, la face inférieure de la membrane flexible 109 vient en contact avec le fond de la cavité 103, c'est-à-dire avec la face supérieure de la couche diélectrique 107. Cette configuration peut être obtenue lorsqu'une tension de polarisation continue supérieure (en valeur absolue) à un seuil d'affaissement V C est appliquée entre les électrodes 101 et 111 par le circuit de contrôle CTRL. La couche diélectrique 107 permet, dans le cas où la membrane 109 est en un matériau semiconducteur, d'éviter un court-circuit entre l'électrode supérieure 111 et l'électrode inférieure 101 en position affaissée de la membrane. A titre de variante, la couche diélectrique 107 peut revêtir la face inférieure de la membrane 109. Une limitation du transducteur 100 des figures 1A et 1B est que, lors de l'affaissement de la membrane, la couche 107 est soumise à un fort champ électrique, pouvant provoquer l'injection de charges électriques dans la couche 107. Ces charges induisent une modification des tensions de polarisation requises pour piloter le transducteur. En particulier, la charge résiduelle dans la couche 107 provoque une diminution de la force électrostatique subie par la membrane, et donc une augmentation de la tension à appliquer pour placer la membrane en position affaissée. Dans certaines conditions, ce phénomène d'injection de charges peut aller jusqu'à provoquer un claquage de la couche diélectrique 107. Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe schématiques d'un exemple d'un transducteur CMUT 200 selon un mode de réalisation. La figure 2A représente le transducteur en configuration suspendue, et la figure 2B représente le transducteur en configuration affaissée. Le transducteur 200 des figures 2A et 2B présente des éléments communs avec le transducteur 100 des figures 1A et 1B. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences par rapport au transducteur 100 des figures 1A et 1B seront mises en exergue. Le transducteur 200 diffère du transducteur 100 décrit précédemment principalement en ce que, dans le transducteur 200, la couche diélectrique 107 revêtant l'électrode inférieure du transducteur a été omise. Autrement dit, dans le transducteur 200, le fond de la cavité 103 est formé directement par la face supérieure de l'électrode inférieure 101 du transducteur. Ainsi, au niveau de la cavité 103, la face supérieure de l'électrode inférieure 101 est directement en regard de la face inférieure de la membrane flexible 109, c'est-à-dire qu'aucune couche intermédiaire ne s'étend entre la face supérieure de l'électrode 101 et la face inférieure de la membrane 109. Dans le transducteur 200, l'électrode inférieure 101 est en un matériau semiconducteur, par exemple du silicium, et est dopée d'un premier type de conductivité, le type N dans l'exemple représenté. De plus, la membrane flexible 109 est un matériau semiconducteur, par exemple le même matériau semiconducteur que l'électrode 101, et est dopée d'un deuxième type de conductivité opposé à celui de l'électrode 101, le type P dans l'exemple représenté. Le fonctionnement du transducteur 200 des figures 2A et 2B est sensiblement identique à celui du transducteur 100 des figures 1A et 1B, à la différence près que, dans le transducteur 200, en position affaissée (figure 2B), la face inférieure de la membrane 109 vient directement en contact avec la face supérieure de l'électrode 101, formant ainsi une jonction PN. La polarité de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est choisie pour que cette jonction PN soit polarisée en inverse. Ainsi, dans l'exemple représenté, le potentiel positif de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est appliqué sur l'électrode inférieure 101 et le potentiel négatif de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est appliqué sur l'électrode supérieure 111. A titre de variante, les types de conductivité de l'électrode 101 et de la membrane 109 peuvent être inversés, auquel cas la polarité de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est inversée. Dans le transducteur 200, l'isolation entre l'électrode supérieur 111 et l'électrode inférieure 101 en position affaissée de la membrane est assurée par la jonction PN polarisée en inverse, formée à l'interface entre la membrane 109 et l'électrode 101. Les niveaux de dopage respectifs de l'électrode 101 et de la membrane 109 peuvent être choisis de façon à contrôler la tension de claquage et le courant de fuite de la jonction PN. La tension de claquage est de préférence choisie supérieure à la tension de polarisation continue maximale susceptible d'être appliquée par le circuit de contrôle CTRL entre les électrodes 101 et 111. Un avantage du transducteur 200 des figures 2A et 2B est que l'absence de couche diélectrique entre l'électrode supérieure 111 et l'électrode inférieure 101 dans la zone de contact entre la membrane flexible et le fond de la cavité permet d'éviter les phénomènes de piégeage de charges du type décrit ci-dessus en relation avec les figures 1A et 1B. Ceci permet d'augmenter la longévité du transducteur, et d'assurer un fonctionnement stable dans le temps du transducteur. En outre, l'absence de la couche diélectrique permet, à hauteur de cavité équivalente, d'augmenter la force électrostatique générée par la tension de polarisation, et donc de réduire l'amplitude des tensions de pilotage. Un autre avantage est que l'absence de la couche diélectrique 107 facilite la réalisation du transducteur. A titre d'exemple, non limitatif, le procédé de fabrication du transducteur 200 peut comprendre les étapes successives suivantes : a) formation de la couche d'électrode inférieure 101 en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité ; b) formation de la couche diélectrique 105 sur la face supérieure de la couche 101 ; c) formation, dans la couche diélectrique 105 formée à l'étape b), d'une ouverture traversante débouchant sur la face supérieure de la couche 101, correspondant à la cavité 103 ; d) après l'étape c), report de la membrane semiconductrice 109 dopée du deuxième type de conductivité et fixation de la membrane 109 par collage direct ou collage moléculaire de la face inférieure de la membrane 109 sur la face supérieure de la couche diélectrique 105 ; et e) après l'étape d), formation de l'électrode supérieure 111 sur et en contact avec la face supérieure de la membrane 109. Bien qu'un unique transducteur CMUT ait été représenté sur les figures, en pratique, un grand nombre de transducteurs identiques ou similaires, par exemple disposés en matrice selon les lignes et des colonnes, peuvent être réalisés simultanément et intégrés de façon monolithique dans et sur une même puce. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux et/ou de dimensions mentionnés dans la description. Transducteur CMUT (200) comportant une membrane flexible (109) suspendue au-dessus d'une cavité (103), et une électrode inférieure (101) située au fond de la cavité (103), en vis-à-vis de la membrane flexible (109), dans lequel l'électrode inférieure (101) est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible (109) en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité. Transducteur (200) selon la revendication 1, dans lequel au moins une partie centrale de la membrane flexible (109) est directement en vis-à-vis de l'électrode inférieure (101), c'est-à-dire qu'aucune couche intermédiaire ne s'étend entre ladite partie centrale de la membrane flexible (109) et l'électrode inférieure (101). Transducteur (200) selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre une électrode supérieure (111) revêtant la face de la membrane flexible (109) opposée à la cavité (103). Transducteur (200) selon la revendication 3, dans lequel l'électrode supérieure (111) est en métal. Transducteur (200) selon la revendication 3 ou 4, comportant en outre un circuit de contrôle adapté à appliquer, entre l'électrode inférieure (101) et l'électrode supérieure (111), une tension adaptée à déformer la membrane flexible (109) par effet électrostatique, jusqu'à mettre la face inférieure de la membrane flexible (109) en contact avec la face supérieure de l'électrode inférieure (101), de façon à former une jonction PN polarisée en inverse entre la membrane flexible (109) et l'électrode inférieure (101). Transducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'électrode inférieure (101) et la membrane flexible (109) sont en silicium. Transducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les premier et deuxième types de conductivité sont respectivement le type N et le type P.