Etude de l'intégration de matériaux 2D dans des commutateurs

Study of 2D materials integration in switching devices

• Auteur / Autrice : Clotilde Ligaud
• Direction : Matthieu Jamet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Happy, Vincent Derycke, Cecile Delacour, Isabelle Berbezier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri Happy, Vincent Derycke

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Commutateur RF

Intégration

2D materials

Switch RF

Integration

Résumé

Le développement des systèmes de télécommunication sans fils entraine l’utilisation de gammes de fréquences peu exploitées jusqu’alors. Afin de garder les performances désirées dans ces gammes de fréquences, le développement de dispositifs appropriés est nécessaire. Les matériaux 2D sont des candidats idéaux puisqu’ils présentent des performances exceptionnelles, notamment en termes de miniaturisation, de flexibilité ou d'économie d’énergie. En comparaison aux dispositifs actuels, l’utilisation des matériaux 2D permettrait d’obtenir des fréquences de coupure plus importantes dans des commutateurs en radiofréquence (RF). Cependant, l’intégration à grande échelle des matériaux 2D dans ces dispositifs avec des procédés compatibles en microélectronique et en salle blanche soulève encore de nombreux problèmes comme l’homogénéité et la qualité de la croissance puis du transfert, la gestion des interfaces ou encore la prise des contacts électriques. Durant ce travail de thèse, un procédé d’intégration complet a été développé incluant la réalisation d’un substrat avec électrodes, le transfert du matériau 2D ainsi que des étapes de mise en forme. Ce procédé a été entièrement réalisé en salle blanche et avec des techniques de la microélectronique compatible en grande surface. Dans ce travail, un effort particulier a été fait pour garantir la qualité des interfaces qui ont été caractérisées à chaque étape du procédé. L’ensemble de ces travaux ont permis la réalisation de dispositifs mémoire et de commutateurs RF fonctionnels à base de MoS2. Le comportement électrique de ces dispositifs a été étudié en fonction des différentes architectures proposées et des différents procédés d’intégration afin d’identifier les paramètres d’intégration important. Les résultats montrent que l’optimisation du procédé, tant par la prise en compte de la gestion de la contamination que par la nature des matériaux utilisés ou encore la qualité du transfert permettent d’améliorer le rendement et la reproductibilité, offrant des nouvelles pistes d’intégration pour améliorer les performances des dispositifs futurs.

The development of wireless communication systems brings us to frequency ranges that have been little used up to now. In order to maintain the desired performances in this frequency range, integrating2D materials in actual electronic devices would allow to reach higher cut off frequencies for radiofrequency switches. 2D materials are promising candidates since they have exceptional performances, especially for miniaturization, flexibility, or energy saving. However, the large-scale integration of 2D materials into devices using processes compatible with microelectronics and clean room environment still raises several problems such as homogeneity, quality of growth, layer transfer, interface control and electrical contacts. During this PhD work, a complete integration process was developed including substrate manufacturing with electrodes, transfer of 2D materials and patterning steps. This process was fully performed in clean room with microelectronics techniques compatible with wafer scale integration. This work focuses on achieving good quality interfaces, which were carefully characterized at each step of the process. All those studies allowed us to realize functional MoS2 based memory devices and RF switches. The electrical behaviour of these devices was studied for different architectures and different integration processes in order to identify what are the key parameters for the best integration. To optimize the process, we demonstrate that contamination removal, the nature of the materials and the transfer quality have to be taken into account. It allows us to improve the yield and reproducibility, proposing a new integration process to improve the performances of future devices.