Commutateurs RF rapides utilisant l'activation optique des films de dioxyde de vanadium (VO2)

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Commutateurs RF rapides utilisant l’activation optique des films de dioxyde de vanadium (VO2)

Vinod V. K. Thalakkatukalathil, Damien Passerieux, Aurelian Crunteanu

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Vinod V. K. Thalakkatukalathil, Damien Passerieux, Aurelian Crunteanu. Commutateurs RF rapides

utilisant l’activation optique des films de dioxyde de vanadium (VO2). XXIèmes Journées Nationales

Microondes„ May 2019, Caen, France. �hal-02267536�

XXI

Journées Nationales Microondes 14-17 mai 2019 – Caen

Commutateurs RF rapides utilisant l’activation optique des films de dioxyde de vanadium (VO

)

V. V K Thalakkatukalathil, D. Passerieux, A. Crunteanu*

XLIM UMR 7252, CNRS/Université de Limoges, 123 Av. Albert Thomas, F-87060, Limoges, France aurelian.crunteanu@xlim.fr

Résumé – Nous présentons l'activation optique de la transition isolant- métal des films minces de dioxyde de vanadium (VO2) utilisés comme éléments de commutation dans des dispositifs RF présentant de très bonnes performances (isolation élevée et faibles pertes d’insertion). En utilisant des impulsions laser très brèves, les commutateurs RF intégrant le VO2 (basés sur différentes topologies) peuvent être commutés entre les deux états ON/ OFF sur une échelle de temps de la nanoseconde.

1.

Introduction

Les progrès récents des systèmes de télécommunication pour des applications civiles, liées à la défense ou spatiales, font appel à des dispositifs reconfigurables dans le domaine des ondes micro-ondes et millimétriques. Afin de résoudre les problèmes liés au nombre croissant des normes de télécommunication et aux fréquences de fonctionnement de plus en plus élevées, de nombreuses recherches ont été menées sur le développement des dispositifs de commutation à base des matériaux multifonctionnels intelligents qui peuvent constituer une solution viable pour la réalisation de commutateurs à faible encombrement et à temps de réponse très court. Parmi ces matériaux, les oxydes à électrons fortement corrélés présentant une transition métal-isolant (MIT) ont été considérés comme candidats pour un grand nombre d'applications, notamment des commutateurs RF, des antennes reconfigurables ou encore des filtres agiles en fréquence, en raison du fort contraste de conductivité entre les deux états des matériaux lors de leur transition de phase [1-5, 14]. Le dioxyde de vanadium (VO2) présente une transition entre un état isolant à la température ambiante et un état métallique pour des températures supérieures à 68°C [6], transition qui peut être déclenchée par différents stimuli comme la température, l’injection des porteurs ou l’injection des photons [6]. La résistivité électrique de la VO2 varie de 3 à 5 ordres de magnitude entre les deux états, ce qui en fait un candidat prometteur pour les dispositifs de commutation hyperfréquences, offrant une intégration aisée des temps de réponse courts [7] et un encombrement réduit. Alors que l’intégration du VO2 dans des dispositifs hyperfréquences a déjà été démontrée en tant qu’élément réglable actif sur de larges bandes de fréquences utilisant l’activation thermique et électrique [12-14], l'activation optique du MIT dans les commutateurs RF à base de VO2

n’a pas été évaluée jusqu’à présent. Dans cette étude nous montrons que cette activation optique du VO2 peut constituer une solution de commutation rapide et fiable pour les fonctions RF, offrant des performances supérieures à celles des dispositifs à semi-conducteurs utilisés couramment. Ces résultats sont comparés à l’activation électrique du matériau VO2, sur le même type des dispositifs.

2.

Résultats et discussion

Pour évaluer les performances RF lors de la commutation électrique et optique du VO2, nous avons conçu des commutateurs RF sous la forme des lignes de transmission 50 Ω à guide d'onde coplanaire (CPW) pour lesquels les lignes de signal incorporent un motif à VO2

intégré en configuration série (le motif connecte de chaque côté les deux parties de la ligne signal du CPW) (Figure 1a). Dans ce cas spécifique (configuration SPST-

« single-pole single-throw ») le motif de VO2 (200 nm d’épaisseur, 60 µm de large et 15 µm de longueur) est intégré sous la forme d’une topologie de type condensateur inter-digité (IDC). Cette structure IDC permet de réduire la tension seuil du MIT déclenché électriquement dans le VO2. Alternativement, nous avons conçu également des structures de type SPDT (« single- pole double-throw ») conçues sur la base de la topologie CPW avec des motifs de VO2 intégrés simplement dans la séparation des lignes de signaux du CPW (Figure 1b).

a) b)

Figure 1. Topologies des commutateurs RF intégrant des motifs de VO2: a) CPW -SPST en configuration IDC et b) CPW-SPDT avec des motifs de VO2 de 5 µm de long et 60 µm de largeur

Pour la réalisation des dispositifs, les films minces de VO2 (épaisseur 200 nm) ont été fabriqués sur des substrats de saphir par évaporation à faisceau d'électrons [13,14]. Il s'ensuit la structuration de la couche par photolithographie et gravure humide suivie par le dépôt des électrodes métalliques définissant les structures des CPW (dépôts

type Ti/ Au (30/600 nm). A l’état isolant, les couches de VO2 ont une conductivité de ~7 S/m, alors qu’à l’état conducteur (chauffage direct à 90°C), la conductivité augmente de presque 5 ordres de grandeur, à une valeur de 6.6x 10⁵ S/m. Les images par microscopie optique des dispositifs fabriqués sont représentées sur la Figure 2.

a)

b) Figure 2. Images des dispositifs CPW –SPST en configuration IDC et CPW-SPDT (b) intégrant des motifs de VO2

Pour évaluer l’activation électrique de la transition isolant-métal des motifs de VO2, les dispositifs ont été insérés dans un circuit électrique simple constitué d'une résistance en série (1 kΩ) et d'une source de tension/

courant. Ce circuit nous permet d’appliquer une tension ou d’injecter un courant entre les deux parties des lignes de signaux du CPW séparées par le motif de VO2. Sur la Figure 3 sont représentées les caractéristiques non linéaires courant-tension (I-V) du dispositifs SPDT (courbe rouge, simple gap de 5 µm de VO2 séparant les parties de la ligne de signal) et du dispositif SPST (courbe bleu, topologie IDC sur motif de VO2 avec un gap entre les doigts de 5 µm). Avec l’augmentation de la tension applique dans le circuit électrique de commande (insert dans la Figure 3), le VO2 passe de l'état isolant à l'état métallique en passant par une zone de transition. La transition isolant- métal est marquée par la brusque augmentation du courant traversant le dispositif (pour des tensions seuil spécifiques, VS1 et VS2), correspondant à la diminution de plus de quatre ordres de grandeur de la résistance globale des dispositifs à VO2. La Figure 3 montre clairement que la tension seuil requise pour l’activation de la MIT dans les commutateurs en topologie IDC est inférieure à celle nécessaire pour l’activation de la MIT pour une topologie « classique » avec un simple

motif de VO2 placé entre deux électrodes (VS1=18.3 V comparé à VS2= 26.4 V).

Figure 3. Caractéristiques I-V des commutateurs RF à VO2 (SPDT courbe rouge et SPST – courbe bleu) avec la mise en évidence des seuils de tension pour l’activation électrique de la MIT du VO2.

Il est intéressant de noter que les performances de l’activation électrique du commutateur « classique » (tel qu’intégré sur le dispositif SPDT) sont limitées car la MIT dans le motif de VO2 est initié par l’apparition d’un filament conducteur (VO2 métallique entouré des parties isolants) qui s’élargis avec la montée de la tension et peut ne pas couvrir entièrement la largeur du motif de VO2

intégré sur la ligne de signal. Il en résulte une résistance globale du motif de VO2 qui n’est pas assez faible (comparée à celle simulée ou à celle obtenue par chauffage direct du dispositif) et induit des pertes RF importantes. De ce point de vue, la topologie d’intégration de type IDC, permettant une activation électrique moins gourmande en énergie, plus uniforme sur l’ensemble du motif de VO2, est une alternative très intéressante pour diminuer au maximum les pertes RF à l’état passant du commutateur RF.

Fig. 4 Forme d'onde carrée appliquée sur le dispositif SPST (impulsion de 60 V, 500 ns) (courbe noir) et variation de la tension sur la résistance série suite à l’activation électrique de la MIT du VO2

(courbe rouge).

Le temps de commutation de la MIT induite électriquement sur les dispositifs à VO2 a été évalué en appliquant sur les commutateurs un signal électrique carré (durée 500 ns, temps de montée ~7 ns) et en mesurant la réponse des dispositifs comme la variation de la tension sur la résistance série dans le circuit (Figure 4). Les

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 10 20 30 40

Courant (mA)

Tension (V)

CPW- SPST-IDC CPW- SPDT-gap

V_S1

V_S2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tension, Vap /VRS (V)

Temps (ms)

Vap VRS

t₁ t₂

résultats montrent des temps d'incubation (τ1- délai pour installation de la MIT) d’environ 10-15 ns et un temps de montée (τ2 –réponse globale du dispositif) de l’ordre de 20-25 ns.

Les performances RF des dispositifs fabriqués ont été mesurées dans la gamme 100 MHz- 45 GHz en utilisant un analyseur de réseau vectoriel (N5247A PNA-X Agilent) et des sondes type GSG. Les Figures 5 et 6 présentent les paramètres S mesurés des commutateurs SPST et SPDT quand le VO2 est à l’état isolant (commutateur OFF) et quand le VO2 est à l’état métallique (commutateur à l’état ON). Les mesures à l’état OFF ont été effectuées à la température ambiante alors que pour l’état ON les motifs de VO2 ont été commutées électriquement à leur état métallique en utilisant une tension dc externe découplée du signal RF en utilisant des T de polarisation.

Figure 5. Paramètres S mesurés du commutateur SPST à VO2 à l’état OFF (a) et à l’état ON (b)

À l'état OFF, le commutateur SPST affiche une isolation supérieure à 20 dB sur toute la bande de fréquence. À l'état ON, le dispositif présente des pertes d'insertion inférieures à 1 dB sur l’ensemble du domaine de mesure. Les figures de mérite calculés pour ce type de commutateur (définis comme FOM=COFF * RON (fs) où COFF est la capacité à l’état OFF et RON est la résistance à l’état ON) se situent dans la gamme 30-50 fs (3 à 4 fois meilleurs que celles des dispositifs à base des semi- conducteurs).

a)

b) Figure 6. Paramètres S mesurés du commutateur SPDT à VO2 à l’état OFF (commutateurs S1 et S2 à l’état OFF (a) et avec le commutateur S2 à l’état ON et le commutateur S1 à l’état OFF (b)

Les commutateurs SPDT présentent également des très bonnes performances : lorsque les commutateurs S1 et S2 intégrant le dispositif SPDT sont à l’état OFF (25°

C et sans tension de polarisation appliquée), le dispositif présente pour les deux sorties une isolation supérieure à 26 dB sur toute la bande de fréquence (Figure 6a). Quand le commutateur S2 est activé électriquement à l’état ON, le dispositif SPDT affiche des niveaux d'insertion inférieurs à 0.9 dB sur toute la bande de fréquence entre les ports 1 et 3 tout en gardant un niveau d'isolation entre les ports 1 et 2 supérieur à 25 dB (Figure 6b).

Afin d'évaluer l'activation optique de la transition MIT, nous avons appliqué sur le motif VO2 du dispositif SPST de type IDC des impulsions laser à l’aide d'une fibre optique couplée avec une diode laser de puissance.

a)

Figure 7. Images du commutateur SPST pendant l’application des impulsions laser (a) et variation de la tension sur la résistance série lors de l’application d’un pulse laser (durée 500 ns) sur le motif de VO2.

La diode laser délivre des impulsions avec des largeurs comprises entre 10 ns et 30 µs à une longueur d'onde optique de 980 nm et avec des puissances moyennes

0 10 20 30 40

-50 -40 -30 -20 -10 0

S21 (dB)

Fréquence (GHz)

S₂₁- état ON S₂₁- état OFF

0 10 20 30 40

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S₁₁ S₂₁ S₃₁

Parametrès S (dB)

Fréquence (GHz)

1 2 3

OFF OFF

0 10 20 30 40

-5 -4 -3 -2 -1 0

Fréquence (GHz) S31 (dB)

1 2 3

OFF ON

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S21 (dB)

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Tension RS (V)

pulse laser - 500 ns

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Energie pulse laser (a.u.)

Temps (ms⁾

comprises entre 15 mW et 140 mW, avec des taux de répétition allant jusqu'à 500 kHz (Figure 7).

Lors de l'irradiation optique du motif de VO2, la variation de sa résistance est monitorée à l'aide d'un circuit électrique dans lequel le dispositif est intégré en série avec une source de courant continu (0.5 V) et une résistance RS. L'irradiation laser du motif VO2 dans le commutateur déclenche la MIT (VO2 transformé d’isolant à métal) pour des impulsions laser aussi courtes que 25 ns et des énergies comprises entre 130 et 170nJ/ impulsion. La modification de courant dans le circuit, liée à la MIT dans le VO2, a été enregistrée sur un oscilloscope rapide en tant que variation de tension sur la résistance RS et est représentée sur la Figure 7b pour une impulsion laser de durée 500 ns (Figure 7b, courbe rouge). Le temps de réponse du dispositif est estimé à 10- 15 ns, et dépends de la durée de l’impulsion laser et de son énergie.

Figure 8. Variation de la tension sur la résistance série lors de l'activation optique du motif VO2 en utilisant un train de 300 impulsions laser.

Nous avons également étudié la fiabilité de la commutation optique des dispositifs CPW en appliquant en continu des trains d’impulsions optiques de différentes largeurs et énergies, à des fréquences de répétition comprises entre 100 kHz et 400 kHz. La Figure 8 montre l’évolution typique de la variation de tension sur la résistance RS lors de l'irradiation du motif VO2 en utilisant un train de 300 impulsions laser (largeur 500 ns) à 200 kHz. L'activation optique est extrêmement stable et fiable avec plus de 90 milliards de cycles de commutation effectués sans modifier les performances RF du dispositif.

3.

Conclusion

Nous avons présenté la conception, la fabrication et la caractérisation hautes fréquences des commutateurs RF à base de dioxyde de VO2 avec de très bonnes performances RF. Ces dispositifs sont activés entre leurs états ON et OFF sur des échelles temporelles de la nanoseconde, en utilisant des impulsions électriques et optiques brèves.

L’activation optique du VO2 permet d’éviter les interférences RF associés couramment avec les circuits de commande électriques des dispositifs RF et émerge comme une solution prometteuse pour des applications de reconfiguration et agilité dans les domaines des fréquences millimétriques à THz.

4.

Remerciements

Les auteurs remercient le soutien financier de l’ANR via le projet ANR-PRCI MUFRED.

Références

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0 500 1000 1500

0 1 2 3 4

90 100 110 120

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Variation tension VR (V)

Temps (ms)

500-ns/ 300 x pulses laser, 200 kHz