Propriétés diélectriques des couches minces de GeTe à changement de phase

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Propriétés diélectriques des couches minces de GeTe à changement de phase

Vinod Thalakkatukalathil, Damien Passerieux, Laure Huitema, Aurelian Crunteanu

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Vinod Thalakkatukalathil, Damien Passerieux, Laure Huitema, Aurelian Crunteanu. Propriétés

diélectriques des couches minces de GeTe à changement de phase. 16èmes Journées de Caractéri-

sation Microondes et Matériaux (JCMM)„ Nov 2020, Toulouse, France. �hal-03029523�

16 èmes Journées de Caractérisation Microondes et Matériaux, Toulouse, 30 mars – 1

avril 2020

Propriétés diélectriques des couches minces de GeTe à changement de phase

Vinod V K Thalakkatukalathil ¹ , Damien Passerieux ¹ , Laure Huitema ¹ , Aurelian Crunteanu ¹ ,

1 XLIM UMR 7252, CNRS/Université de Limoges, 123 Av. Albert Thomas, F-87060, Limoges, France

e-mail : [email protected] Résumé  Nous présentons la caractérisation large bande des

propriétés diélectriques du matériau à changement de phase GeTe intégré dans des dispositifs RF de type guides d’ondes coplanaires et de type métal-isolant-métal (MIM). L’analyse des résultats de mesures RF et les simulations électromagnétiques de ces deux types de dispositifs nous ont permis d’évaluer la permittivité relative et la conductivité des films de GeTe à l’état amorphe/ isolant et leur conductivité à l’état cristallin/ métallique. Ces paramètres seront essentiels pour la conception de fonctions reconfigurables plus complexes (filtres, antennes) intégrant ces matériaux à changement de phase.

I. INTRODUCTION

Les dispositifs RF reconfigurables sont des éléments clés pour répondre aux demandes croissantes des dernières générations de systèmes de communication qui nécessitent une reconfiguration multifonctions ultra-rapide (de préférence en temps réel) pour optimiser leurs performances et ainsi répondre aux besoins croissants en mobilité, débit, qualité de service et sécurité [1]. L’agilité des dispositifs/

antennes hyperfréquences est généralement basée sur des technologies à base de semi-conducteurs, capacités ferroélectriques, de diodes varactor ou PIN ou sur l’intégration de dispositifs MEMS [2-5]. Cependant, la plupart des éléments agiles utilisés pour concevoir des dispositifs reconfigurables à des fréquences micro-ondes sont difficilement intégrables dans des domaines de fréquences plus hautes comme par exemple les ondes millimétriques (les dispositifs comme les diodes varactor, diodes PIN, ou transistors FET ne travaillent de façon optimale que jusqu'à 20 GHz et présentent des pertes importantes pour des fréquences plus élevées, une consommation élevée et une faible isolation).

Un grand nombre de travaux de recherche vise aujourd'hui les dispositifs reconfigurables en fréquence en utilisant des matériaux dont les propriétés électriques/ structurales peuvent être modifiées en temps réel en utilisant une commande externe (champ électrique, injection des photons, pression/ contraintes). Ces solutions alternatives, qui peuvent contourner les limitations actuelles des dispositifs agiles aux fréquences millimétriques et au-delà, visent l’intégration des matériaux fonctionnels avec des réponses large bande, comme les matériaux à transition de phase [6, 7] et les matériaux à changement de phase (PCM) [8-12].

Les matériaux à changement de phase (PCM, chalcogénures de type GeTe ou Ge 2 Sb 2 Te 5 ) sont devenus ces dernières années très attractifs en raison de leurs performances remarquables pour des applications de commutation RF sur des domaines de fréquences très larges, jusqu’au fréquences THz. Les commutateurs RF à base de

Les auteurs remercient le soutien financier des projets MASTERS (H2020

PCMs (RF-PCM) présentent des isolations élevées à l'état OFF et des faibles pertes d’insertion à l’état ON, ils présentent une bonne tenue en puissance, une faible consommation d'énergie et un facteur de mérite supérieur ou égal aux technologies actuelles de commutation à base des dispositifs semi-conducteurs [8-11]. Le fonctionnement de ces dispositifs est basé sur la capacité des matériaux PCM à être commutés en utilisant des impulsions électriques [8,9]

ou optiques [10, 11] courtes, entre un état OFF (matériau amorphe et isolant) à un état ON (matériau cristallin et conducteur) [8-11]. La bi-stabilité des dispositifs RF-PCM est un avantage clé de cette technologie. En effet, le commutateur ne nécessite pas une polarisation permanente pour être maintenu dans un état spécifiquement préparé (ON ou OFF). Nous avons déjà réalisé des fonctions de commutations bistables à base de GST ou GeTe à actionnement électrique ou optique [9, 10] et démontré le potentiel de ces matériaux pour réalisation des fonctions agiles plus complexes, tel que des filtres [12] ou antennes reconfigurables en fréquence [13].

Ainsi, pour la conception de fonctions RF complexes (filtres, antennes) intégrant ce type des matériaux il est nécessaire de connaitre leurs propriétés diélectriques hyperfréquences, dans chacun de leurs états.

Nous présentons ici la caractérisation diélectrique large bande du matériau PCM GeTe intégré dans deux types de dispositifs RF (commutateurs RF planaires et structures de type métal-isolant-métal (MIM).

II. FABRICATION ET CARACTERISATION DES DISPOSITIFS RF INTEGRANT LE GETE Des variations significatives (5-6 ordres de grandeur) de la résistivité du matériau GeTe pendant le changement de phase isolant - métal peuvent être enregistrés sur des domaines de fréquences très larges, des ondes DC aux ondes THz [14]. Ainsi, la variation de la résistance du GeTe en fonction de la température (en utilisant une mesure à deux sondes espacées de 1 mm) a été réalisée sur des couches minces de GeTe (1 µm d'épaisseur) déposées par pulvérisation magnétron DC sur des substrats de saphir en utilisant une cible de GeTe à 50:50 (% en poids). Les films de GeTe, initialement obtenus dans la phase amorphe (état isolant), ont été transformés en leur phase cristalline (état conducteur) en appliquant un cycle de chauffage direct (de 23°C à 260°C, avec une rampe de 5°C/min), suivi d'un refroidissement à température ambiante. Comme indiqué sur la Fig. 1, pendant le cycle de chauffage, le GeTe subit un changement soudain et irréversible de sa résistance vers la phase métallique à ~185°C (température de cristallisation),

M.Era-Net) et AROMe (PEPS INSIS-DGA).

avec une diminution de la résistance d’environ six ordres de grandeur. Pendant le cycle de refroidissement, le matériau conserve son état cristallin à faible résistance (bi-stabilité).

Les films de GeTe à l'état amorphe ont une conductivité DC comprise entre 3 et 10 S/m et à l'état cristallin une conductivité entre 3,5 x 10 ⁵ et 4 x 10 ⁵ S/m.

Fig. 1. Variation de la résistance en fonction de la température pendant un cycle de chauffage direct d'une couche de GeTe de 1-μm d'épaisseur

obtenue sur un substrat de saphir.

Afin d’extraire les paramètres caractéristiques du GeTe (permittivité relative et conductivité à l’état amorphe et conductivité à l’état cristallin) le matériau a été intégré dans des structures de guides d'ondes coplanaires (CPW), (Fig.

2a) et dans des dispositifs de type MIM (Fig. 2b).

a. b.

Fig. 2. Conception des commutateurs RF intégrant des films de GeTe en configuration planaire (a.) ou hors plan, de type MIM (vue de dessus et

latérale) (b.).

Dans le cas des commutateurs PCM planaires, les deux parties de la ligne de signal CPW sont reliées par un motif de GeTe (500 nm d’épaisseur) de longueur g comprises entre 3 et 60 μm. Pour les structures de type MIM des motifs circulaires de GeTe ont été placés entre une électrode inférieure (BE, en platine) et une électrode supérieure (TE, en Ti/Au) avec des diamètres compris entre 30 et 90 µm. Les deux types de dispositifs ont été fabriqués sur des substrats de silice en utilisant un procédé de photolithographie à deux masques (dépôt et structuration du motif de GeTe et dépôt de la structure métallique de la CPW ou de l’électrode supérieure du MIM, respectivement). Les dispositifs ont été préparés avec des motifs de GeTe à la fois dans l’état amorphe (tels qu'obtenus lors des dépôts par pulvérisation magnétron) et dans l’état cristallin (chauffage direct à 300°C). Les performances RF des deux types de dispositifs ont été évaluées dans la gamme 100 MHz- 67 GHz en utilisant des sondes Ground-Signal-Ground (GSG) connectées à un analyseur de réseau vectoriel qui permet d'obtenir la matrice de paramètres S en transmission (pour

les dispositifs planaires de type CPW), et en réflexion (pour les dispositifs de type MIM sur la Fig. 2b).

Les paramètres S mesurés des commutateurs RF planaires avec des motifs GeTe amorphes et préparés à l’état cristallin, pour des longueurs de motifs de g= 5 et 15 μm sont présentés sur les Fig 3.a et 3.b, respectivement. Comme observé, les isolations mesurées à l'état OFF pour les commutateurs présentés sont meilleures que 13 dB jusqu'à 67 GHz pour g=5 µm et meilleures que 20 dB jusqu'à 67 GHz pour des longueurs de GeTe supérieures à g=15 µm.

Pour l'état ON, les pertes d'insertion sont inférieures à 0,75 dB jusqu'à 67 GHZ pour les commutateurs avec des longueurs de GeTe inférieures à g=15 µm.

La rétro simulation électromagnétique 3D des dispositifs et des résultats associés permet d’extraire la permittivité complexe du matériau à l’état amorphe, 𝜀 = 𝜀′ + 𝑗𝜀 ^′′ , avec 𝜀 ^′′ proportionnel à sa conductivité. Indépendamment des dimensions des motifs de GeTe, nous obtenons des valeurs de permittivité autour de 𝜀 ^′ = 20 et des conductivités dans la gamme  a = 0.058 – 0.1 S/m. A l’état cristallin (métallique), la conductivité extraite des films de GeTe dans la gamme des fréquences de mesures (à partir des mesures des dispositifs avec des longueurs de GeTe entre 30 et 60 µm) a été évaluée à  c = 0.5x 10 ⁵ S/m (Fig. 4). Ces résultats sont en adéquation avec des analyses similaires sur différentes compositions des matériaux PCM [15].

a.

b.

Fig. 3. Paramètres S mesurés des commutateurs RF-PCM intégrant des motifs de GeTe avec des dimensions 5 et 15 µm à l’état amorphe (switch

OFF) (a.) et à l’état cristallin (switch ON° (b.).

50 100 150 200 250 300

10

10

10

10

10

10

10

10

10

Re sistance ( W )

Temperature (°C) GeTe amorphe

GeTe cristallin T _C ~ 185°C

g

G

G S

GeTe

GeTe

BE

TE

substrat BE

G S TE G

10 20 30 40 50 60

-50 -40 -30 -20 -10 0

G

G S

g

|S

|, |S

| (dB)

Fréquence (GHz) S

S

g = 5 mm

g = 15 mm

motif GeTe amorphe

10 20 30 40 50 60

-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

G

G S

g

|S

| (dB)

Fréquence (GHz)

motif GeTe cristallin g = 5 mm

g = 15 mm

Fig. 4. Conductivités extraites des couches de GeTe à l’état cristallin intégrant des commutateurs planaires RF-PCM avec différentes tailles des

motifs de GeTe.

De la même manière, sur la Fig. 5 sont représentés les résultats typiques des mesures et des simulations des parties réelles et imaginaires des coefficients de réflexions S 11 pour un dispositifs MIM intégrant le GeTe à l’état amorphe (isolant), avec le diamètre de l’électrode supérieur TE de 60 µm.

Fig. 5. Résultats de mesures et retro simulations électromagnétiques des parties réelles et imaginaires des paramètres de réflexion S

pour les

dispositifs de type MIM à GeTe (en insert).

Les simulations de la capacité globale du dispositif et des pertes du matériau nous ont permis de valider les résultats obtenus pour les dispositifs planaires CPW intégrant le GeTe. Ainsi, la gamme de permittivités du GeTe trouvée dans le cas des dispositifs MIM se situent également autour de 20, avec des conductivités autour de 0.7 S/m. Ces résultats préliminaires sur ce type de dispositif seront confortés par un modèle analytique permettant l’extraction plus pratique des constantes diélectriques du matériau.

III. CONCLUSIONS

Nous avons évalué les performances des dispositifs planaires et hors-plan des commutateurs RF intégrant le matériau GeTe à changement de phase et, en utilisant des simulations électromagnétiques, nous avons extrait les propriétés diélectriques du matériau dans la gamme des fréquences 100 MHz-67 GHz. Les données extraites des résultats de mesures et des simulations électromagnétiques indiquent que le matériau GeTe (et/ ou le dispositif associé)

peut être modélisé par des éléments RC uniques sous la forme d’un élément résistif en parallèle avec un condensateur dont les valeurs de résistance et capacité sont indépendantes de la fréquence.

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10 20 30 40 50 60

10

10

10

G

G S

g

Co n d u c tivité (S/m)

Fréquence (GHz) distance g

30 um 40 um 60 um

motif GeTe cristallin

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

TE GeTe BE

Pa ra mè tre s S 11 (Re, Im)

Fréquence (GHz) Re(S

) - mes Re(S

) - sim

Im(S

) - mes

Im(S

) - sim