Étude du polymorphisme de VO₂ pour des applications en microélectronique et radiofréquences
Study of VO₂ polymorphs for microelectronics and radiofrequency devices
Résumé
In the communications industry, continuous efforts are made to improve device performance and increase the speed of data exchange. Historically, the components used in telecommunications have been based on semi-conductor materials. Phase change materials offer complementary and attractive properties for new electronic devices. The TE-OX® company has focused its radiofrequency (RF) activity on vanadium dioxide (VO₂), which has shown promising behavior for the manufacture of ultrafast and reliable components. The goal is to exploit the metal-insulator transition of VO₂ , which takes place close to room temperature. Although VO₂ is a simple binary oxide, its belonging to a complex phase diagram where many phases with mixed stoichiometry coexist makes the obtention of this material difficult. Obtaining high quality VO₂ requires both a mastery of the growth method and a good understanding of the mechanisms leading to the formation and stabilization of this oxide.In this work, magnetron radiofrequency sputtering and hydrothermal synthesis were used to explore the polymorphic phases of VO₂ , in particular the monoclinic M1 and B phases. Structural analyses carried out mainly by X-ray diffraction (XRD) revealed that the strains in VO₂ developed during its growth were a key element in the stabilization of polymorphs, and that they could affect the transition between the M1 and rutile (R) phases. By changing the orientation and the nature of the substrate (sapphire Al₂ O₃, strontium titanate SrTiO₃) for the growth of thin films by epitaxy, we highlight that the stabilized phase is different, and that the growth mode of the oxides is modified. In the case of growth on c-cut and r-cut sapphire substrates, the strong lattice mismatch leads to the growth of VO₂ (M1) with relaxation of the epitaxy-induced stress and formation of multiple crystallographic variants. Structural, electrical, and optical transition studies have shown that the compressive strain along the c(VO₂ (R))-axis (= a(VO₂ (M1))) leads to a decrease in the temperature of the metal-insulator transition. In order to further investigate the effects of stress during the elaboration of thin layers, we studied the growth of VO₂ films on SrTiO3 substrate. The physico-chemical characterizations show that the B and M1 phases can coexist within the same layer on this substrate. The work carried out by hydrothermal synthesis on VO₂ (B) highlights the low stability of this phase under controlled atmosphere. The thin film deposition on SrTiO₃ substrate stabilizes this polymorph and limits its reoxidation.TE-OX company aims to exploit the expertise on VO₂ thin films acquired during this thesis to develop optically activated RF switches. Test devices have been developed and characterized as part of the thesis, in order to evaluate their switching speed and to compare their RF performances to existing technologies. The measured RF characteristics demonstrate the feasibility of VO₂-based switches with very good functional parameters. Optical activation tests have demonstrated that the beam had to be sufficiently focused and intense to make VO₂ transit. The activation in less than 10 ps measured with a femtosecond laser remains encouraging for the next generations of RF switches.
Dans l'industrie des communications, des efforts permanents sont déployés afin d'améliorer les performances des dispositifs et d'augmenter la vitesse d'échange de données. Historiquement, les composants utilisés en télécommunication reposent sur les matériaux semiconducteurs. En complément, les matériaux à changement de phase offrent des propriétés attrayantes pour de nouveaux dispositifs électroniques. La société TE-OX® a concentré son activité dans le domaine des radiofréquences (RF) sur le dioxyde de vanadium (VO₂) qui a démontré un comportement prometteur pour la fabrication de composants ultrarapides et fiables. Il s'agit en particulier d'exploiter la transition métal-isolant du VO₂ qui a lieu proche de la température ambiante. Bien que le VO₂ soit un simple oxyde binaire, son appartenance à un diagramme de phase complexe où coexistent de nombreuses phases à stœchiométrie mixte rend difficile la fabrication de ce matériau. L'obtention de VO₂ de haute qualité nécessite à la fois une maîtrise de la méthode de croissance et une bonne compréhension des mécanismes conduisant à la formation et à la stabilisation de cet oxyde.Dans ce travail, la pulvérisation cathodique radiofréquence à effet magnétron et la synthèse hydrothermale ont été utilisées pour explorer les phases polymorphes de VO₂ , en particulier les phases monocliniques M1 et B. Les analyses structurales réalisées principalement par diffraction des rayons X ont mis en évidence que les déformations dans le VO₂ développées lors de sa croissance étaient un élément clé de la stabilisation des polymorphes, et qu'elles pouvaient affecter la transition entre les phases M1 et rutile (R). En modifiant l'orientation et la nature du substrat (saphir Al₂ O₃, titanate de strontium SrTiO₃) pour la croissance de films minces par épitaxie, nous mettons en évidence que la phase stabilisée est différente et que le mode de croissance des oxydes est modifié. Dans le cas de la croissance sur substrats d'Al₂ O₃-c et -r, le fort désaccord de maille entraîne la croissance de VO₂(M1) avec relaxation des contraintes induites par l'épitaxie et formation de multiples variants cristallographiques. Les études des transitions structurale, électrique et optique ont montré que la déformation de compression suivant l'axe c(VO₂(R)) (= a(VO₂(M1))) conduit à une diminution de la température de la transition métal-isolant. Afin d'approfondir nos recherches sur les effets des contraintes lors de l'élaboration des couches minces, nous avons étudié la croissance des films de VO₂ sur substrat SrTiO₃. Les caractérisations physico-chimiques réalisées montrent que les phases B et M1 peuvent coexister au sein d'une même couche sur ce substrat. Les travaux menés par synthèse hydrothermale sur le VO₂ (B) mettent en évidence la faible stabilité des nanopoudres sous atmosphère contrôlée. Le dépôt en film mince sur substrat de SrTiO₃ stabilise donc ce polymorphe et limite sa réoxydation.La société TE-OX vise à exploiter l'expertise sur les couches minces de VO₂ acquise lors de cette thèse afin de développer des commutateurs RF activés optiquement. Des dispositifs de test ont ainsi été élaborés et caractérisés dans le cadre de la thèse, afin démontrer leurs commutations de comparer leurs performances RF aux technologies déjà existantes sur le marché. Les caractéristiques RF mesurées démontrent la faisabilité des commutateurs à base de VO₂ avec des paramètres fonctionnels très performants. Les tests d'activation optique ont démontré que le faisceau devait être suffisamment focalisé et intense pour faire transiter le VO₂ . L'activation en moins de 10 ps mesurée avec un laser femtoseconde reste toutefois encourageante pour les prochaines générations de commutateur RF.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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