Hétérostructures ultra minces de type AlGaN/GaN sur substrat Si et applications aux résonateurs NEMS à haute fréquence

par Paul Leclaire

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications

Sous la direction de Didier Théron, Marc Faucher et de Yvon Cordier.


  • Résumé

    Les micros résonateurs électromécaniques de type MEMS sont aujourd’hui étudiés pour leur intérêt dans les applications nécessitant des fonctions de capteurs ou d’actionneurs de petites dimensions co-intégrées avec des fonctions électroniques. Actuellement, la majorité des résonateurs sont issus des filières silicium et quartz. Cependant, les propriétés du silicium se dégradent lorsque la température dépasse 200°C alors que la co-intégration monolithique des composants en quartz est impossible. Parmi les matériaux possibles pour pallier ces limites, le nitrure de gallium (GaN) semble être un matériau prometteur. Ses propriétés piézoélectriques ainsi que la possibilité de l’intégrer avec des transistors à haute mobilité électronique AlGaN/GaN sont particulièrement intéressantes. Afin d’améliorer les performances des résonateurs électromécaniques à base d’hétérostructures AlGaN/GaN nous proposons de les miniaturiser. Dans ce contexte, nous avons proposé de développer la croissance épitaxiale de plusieurs structures de seulement quelques centaines de nanomètres. Leurs caractéristiques structurales, électriques et mécaniques ont été étudiées afin de définir la structure optimale pour les applications MEMS. Des architectures d’actionneurs piézoélectriques et électrothermiques ainsi que des détecteurs sans grille pouvant répondre aux critères de miniaturisation ont été étudiées. Les étapes du procédé technologique spécifique à ces composants ont développées. Pour finir, les performances des résonateurs fabriqués sur ces couches minces ont été mesurées afin de mettre en avant l’utilité des structures minces et les performances des différentes architectures des transducteurs.

  • Titre traduit

    AlGaN/GaN heterostructures with ultra-thin buffers on Si substrates and applications to high frequencies NEMS resonators


  • Résumé

    Micro-electro-mechanical resonant systems are widely investigated for their applications in actuators and sensors of small dimensions and co-integrated with electronic functions. In the area of vibrating resonant devices, most are based on silicon and quartz technologies. Even if Si based resonators exhibit ultrasensitive mass/force detection they lose their mechanical and electrical properties for temperature higher than 200°C whereas quartz devices are not easily co-integrated. To overcome these intrinsic limitations, other approaches such as wide bandgap semiconductor have been investigated. Especially GaN exhibits good piezoelectric properties and benefits of co-integration opportunity with AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Therefore it seems to be an ideal candidate to address new generation of MEMS sensors that withstand harsh environment. To optimize the actual resonator based on AlGaN/GaN hétérostructures, we have chosen to study the device downscaling process. In this view, we developped the epitaxial growth, by molecular beam epitaxy, of AlGaN/GaN heterostructures on 3 kinds of thin buffers. Structural, electrical and mechanical characterizations were carried out in order to select the best buffer for MEMS applications. Then, we suggested several designs of piezoelectric and electrothermal actuators as well as a gateless detector that are compatible with downscaling. Specific fabrication steps were developed and optimized. Finally, we compare the performances of resonators fabricated on thin buffers with one processed on thick commercial structure in order to bring forward the advantages of thin buffer and the performances of the transductor design.


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