2.3.1- Commutateur RF intégrant un système de chauffage indirect 45

Un premier exemple sur le commutateur RF à base du matériau à changement de phase intégrant un système de chauffage indirect a été développé par les chercheurs de la société Nor-throp Grumman [110]. Le matériau à changement de phase utilisé est le GeTe. Le commutateur RF est intégré en configuration planaire intégrant un élément résistif pour le changement de phase du GeTe à travers une barrière diélectrique. Les chercheurs ont choisi cette configuration du commutateur du fait qu’un système de chauffage direct présente une résistance à l’état cris-tallin (ON) relativement élevée de l’ordre du KΩ, parce que le matériau est pris en sandwich entre deux électrodes résistives (W, TiN). De plus, la capacité parasite est relativement impor-tante dans cette configuration.

Cependant, pour les applications des commutateurs RF il faut que la résistance à l’état ON Ron soit la plus petite possible, inférieure à 10 Ohms typiquement (faible perte d’insertion). La Figure I-41.a présente la structure du commutateur réalisé. Le commutateur est intégré dans des guides d’ondes coplanaires (CPW) à 4 terminaux, deux terminaux RF et deux autres DC (utilisés pour le chauffage indirect de la couche GeTe). La Figure I-41.b montre la coupe trans-versale de la structure du commutateur réalisé. Le commutateur est fabriqué sur un substrat de silicium (Si) passivé par une couche de dioxyde de silicium (SiO2). L’élément chauffant ou TFR (Thin Film Resistor) est en NiCrSi et la couche de GeTe est séparé du TFR par une barrière diélectrique de Si3N4. Cette barrière diélectrique permet de séparer électriquement le TFR du reste du circuit (GeTe et ligne de transmission) et aussi de coupler thermiquement le TFR et le GeTe. Finalement des lignes de transmission de Ti/Pt/Au qui sont connectées au matériau à changement de phase. Le chauffage du GeTe se fait par l’application des impulsions électriques au niveau l’élément chauffant. La chaleur générée par le TFR est transmise au GeTe à travers la barrière diélectrique : le matériau change de résistivité et la transmission entre les deux élec-trodes RF.

Figure I-41 : Commutateur RF planaire à base de GeTe : (a) photographie par microscopie optique avec un zoom montrant la zone active (b) coupe transversale montrant

l’empile-ment des différentes couches constituant le commutateur RF.

Un deuxième exemple sur le commutateur à chauffage indirect a été réalisé par Muzhi Wang à l’université de Michigan [111]. La structure du commutateur réalisé à base de GeTe est montrée sur la Figure I-42.

Figure I-42 : Schéma montrant la coupe transversale du commutateur RF GeTe à quatre bornes utilisant la méthode de chauffage indirect.

Une autre configuration a été réalisée au laboratoire XLIM pour valider l’intérêt de cette technologie pour les applications RF en 2015 [112]. La Figure I-43 représente une photogra-phie d'un commutateur RF à base de GST à quatre terminaux intégrant un système de chauffage indirect.

Figure I-43 : Topologie d'un commutateur RF à quatre terminaux intégrant un système de chauffage indirect : (a) vue globale de la topologie réalisée sur ADS MOMENTUM ; (b) coupe transversale montrant l’empilement des différentes couches constituant le futur

Ahmad HARIRI | Thèse de doctorat | Université de Limoges |2019 47

Dans le tableau ci-dessous nous résumons les performances électriques des différentes commutateurs RF citées précédemment en utilisant la méthode de chauffage indirect.

Tableau I-3: Performances des différents commutateurs réalisés en intégrant le système de chauffage indirect.

VI.2.3.2- Commutateur RF intégrant un système de chauffage direct

Un exemple sur le commutateur planaire intégrant un système de chauffage direct pour chauffer le PCM a été réalisé à l’université de Michigan par Wang et al. [113]. La conception d’un commutateur à chauffage direct est basée sur le fait que la chaleur induit par effet Joule est transférée directement au matériau à changement de phase et change son état. Cette structure permet de combiner les avantages du commutateur à chauffage indirect (forte d’isolation et tenue en puissance) tout en diminuant la consommation en puissance nécessaire pour passer le matériau d’un état à l’autre. La Figure I-44.a montre la structure du commutateur réalisée à base de GeTe. Cette structure du commutateur est à 4 terminaux, deux terminaux RF et deux autres terminaux DC pour le chauffage du matériau. La Figure I-44.b montre la coupe trans-versale du commutateur : une couche de GeTe de100 nm d’épaisseur est connectée horizonta-lement aux électrodes RF (chemin RF) et verticahorizonta-lement aux électrodes DC (système de chauf-fage). Pour faire passer le matériau de l’état cristallin à l’état amorphe, une impulsion en courant est appliquée entre les deux électrodes DC (TiN).

PCM Zone active (µm) Fréquence d’utilisation Pertes (dB) Isolation (dB) Ron (Ω) Coff (fF) Ron * Coff (fs)

Northrop Grumman GeTe 0.9 DC-40GHz 0.3 13 1,2 18,1 22

Université de Michi-gan

GeTe 1 DC-20GHz 0.6 11 3 12.5 37.5

Figure I-44 : Commutateur RF planaire à base de GeTe intégrant un système de chauffage direct : (a) vue de dessus par microscopie électronique à balayage avec un zoom sur la

par-tie active du dispositif (24 μm2) ; (b) coupe transversale du dispositif.

Ce commutateur a été mesuré et caractérisé sur une bande de fréquence jusqu’à 20 GHz. Pour faire passer le matériau de l’état cristallin à l’état amorphe, une impulsion électrique ayant une forte amplitude de 5.5 mA et une courte durée de 500 ns est appliquée entre les deux élec-trodes dont la puissance de consommation de l’ordre de 90 mW. Par contre, une impulsion ayant une amplitude moins élevée de 200 µA mais avec une durée plus grande de 200 µs permet de retourner le matériau à son état cristallin avec une puissance de 2 mW. Ce dispositif présente, des pertes d’insertion de 0,6 dB jusqu’à 20 GHz à l’état cristallin ON (Figure I-45.a) tandis que à l’état amorphe OFF, une isolation de 20 dB à 20 GHz (Figure I-45.b). Le facteur de mérite FOM (Ron*Coff) obtenu est d’environ 42 fs, ce qui correspond à une capacité Coff de l’ordre de 8,5 fF et une résistance Ron de l’ordre de 5 Ω.

Figure I-45 : Les paramètres-S mesurés et simulés du commutateur à chauffage direct, (a) état ON (GeTe à l’état cristallin) et (b) état OFF (GeTe à l’état amorphe).

Ahmad HARIRI | Thèse de doctorat | Université de Limoges |2019 49