EP4730555A1

EP4730555A1 - Antenne rectificatrice a base de graphene

Info

Publication number: EP4730555A1
Application number: EP25208469.4A
Authority: EP
Inventors: Abdelkader Aliane
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2024-10-18
Filing date: 2025-10-14
Publication date: 2026-04-22
Also published as: US20260112817A1; FR3167711A1

Abstract

L'invention porte sur une antenne rectificatrice, comportant : une antenne (10) ; et une diode (20) de type Métal-Isolant-Graphène (MIG), couplée électriquement à l'antenne (10), comportant une portion métallique (21) et une portion conductrice (24) en graphène, entre lesquelles est située au moins une portion isolante (22 ; 23). La portion métallique (21), la ou les portions isolantes (22 ; 23) et la portion conductrice (24) en graphène forment un empilement vertical de portions de couches minces. De plus, l'antenne (10) est formée d'une couche mince continue en graphène, dont une partie forme la portion conductrice (24) en graphène de la diode (20).

Description

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine de l'invention est celui des détecteurs d'un rayonnement électromagnétique de type rectenna à diode à base de graphène, autrement dit des antennes rectificatrices, également appelées « rectennas », comportant une antenne absorbante du rayonnement électromagnétique couplée à une diode de type MIG (métal - isolant - graphène). L'invention trouve une application notamment dans les domaines de l'imagerie infrarouge ou térahertz, de la thermographie, de la détection de gaz, ainsi que dans celui de la conversion énergétique.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les détecteurs infrarouges et térahertz qui fonctionnent à température ambiante peuvent être, par exemple, des détecteurs thermiques de type bolomètre. Ils peuvent alors comporter une membrane absorbante, suspendue au-dessus d'un substrat contenant un circuit de lecture, qui contient un matériau thermistor dont la résistance électrique varie en fonction de son échauffement. Cependant, les performances de ces détecteurs thermiques sont généralement limitées par leur constante de temps thermique, qui peut être de l'ordre de la dizaine de millisecondes.
Les détecteurs infrarouges et térahertz peuvent également être des dispositifs rectificateurs comportant une antenne de détection couplée à une diode, également appelés « antennes rectificatrices » ou « rectennas », où la diode peut être de type MIM (métal - isolant - métal) ou de type MIIM (métal - isolant - isolant - métal). Ces rectennas peuvent présenter un temps de réponse bien plus rapide que celui des détecteurs thermiques de type bolomètre, dans la mesure où le temps de transit des électrons par effet tunnel, au travers de la couche mince isolante de la diode, est de l'ordre de la femtoseconde à la nanoseconde.
La figure 1A illustre le schéma de principe d'une rectenna A1, ici dans le cas d'une application de conversion énergétique. Elle est formée d'une antenne A10 adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique incident, et d'un élément redresseur A20 tel qu'une diode, ici de type MIM, couplée électriquement à l'antenne A10. Un filtre DC A2 est généralement connecté en parallèle de la diode A20 pour ne garder que la composante continue du signal AC redressé. Le principe de fonctionnement d'une telle rectenna A1 est le suivant : l'antenne A10 absorbe le rayonnement électromagnétique incident et le convertit en un signal électrique haute fréquence, lequel est transféré à l'entrée de la diode A20. La diode A20 redresse le signal électrique AC, puis le filtre DC A2 ne garde que la composante continue du signal électrique redressé, pour le fournir ici à une charge électrique A3.
La figure 1B illustre un exemple d'un diagramme de bande d'énergie d'une rectenna à diode MIM, ici dans le cas d'une application de détection optique. Une telle rectenna est décrite notamment dans l'article de de Grover & Moddel intitulé Applicability of Metal/Insulator/Metal (MIM) Diodes to Solar Rectennas, IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 1, no. 1, pp. 78-83, 2011. La diode MIM comporte deux couches métalliques (métaux M1 et M2) entre lesquelles est située une même couche isolante (isolant électrique I). Le diagramme dépend en particulier des valeurs des travaux de sortie Ψ_M1 et Ψ_M2 des métaux M1 et M2, de l'affinité électronique φ_l de l'isolant I, et de la tension de polarisation V_D appliquée à la diode MIM. Les électrons peuvent traverser la barrière d'énergie selon différents mécanismes de conduction, par exemple par effet tunnel de type Fowler-Nordheim ou par effet tunnel direct, en fonction notamment des hauteurs φ_L et φ_R des barrières d'énergie. Ces différents types de mécanismes de conduction sont décrits notamment dans l'article de Chiu intitulé A Review on Conduction Mechanisms in Dielectric Films, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2014, Article ID 578168, 18 pages, 2014. Dans cet exemple, la conduction par effet tunnel est de type Fowler-Nordheim.
Comme l'indique l'article de Grover & Moddel 2011, en termes de performances, on cherche à ce que la diode MIM présente une haute responsivité β, laquelle correspondant à une mesure du signal DC rectifié en fonction de la puissance énergétique incidente. On peut la déterminer à partir de la caractéristique I(V) de la diode à partir de la relation : β = I"/(2I'), où I' et I" sont les dérivées première et deuxième du courant électrique en fonction de la tension électrique I(V), à la tension de polarisation V_D. De plus, on cherche également à ce que la diode présente une résistance dynamique faible pour obtenir une bonne adaptation d'impédance avec l'antenne.
Cependant, il apparaît que, pour une diode MIM, c'est-à-dire une diode avec une seule couche isolante située entre les deux couches métalliques, l'optimisation de la responsivité conduit à une dégradation de la valeur de la résistance dynamique, et inversement. Aussi, il ne semble pas possible d'optimiser à la fois la responsivité et la résistance dynamique d'une diode MIM. Or, il apparaît qu'une diode MIIM, c'est-à-dire une diode avec deux couches isolantes ayant des affinités électroniques différentes, permet de lever cette contrainte, de sorte qu'il est possible de configurer la diode MIIM pour qu'elle présente à la fois une responsivité élevée et une résistance dynamique faible. C'est en particulier le cas lorsque la diode MIIM autorise une conduction des porteurs de charge par effet tunnel résonant.
A ce titre, la figure 1C illustre un exemple d'un diagramme de bande d'énergie d'une rectenna infrarouge à diode MIIM configurée pour autoriser une conduction des porteurs de charge, ici des électrons, par effet tunnel résonant. Ce type de diagramme de bande d'énergie est décrit notamment dans l'article de Grover & Moddel intitulé Engineering the current-voltage characteristics of metal-insulator-metal diodes using double-insulator tunnel barriers, Solid-State Electron. 67, 94-99 (2012), ainsi que dans celui de Belkadi et al. intitulé Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal (MI2M) diodes, Nat Commun 12, 2925 (2021).
L'effet tunnel résonant est présent lorsque les électrons traversent les couches isolantes en passant par un puits quantique en forme de triangle rectangle situé entre les deux couches isolantes. Les électrons dont l'énergie correspond aux niveaux d'énergie des états quasi-liés du puits quantique peuvent traverser les couches isolantes et atteindre la couche métallique M2 en minimisant la réflexion, produisant ainsi un courant électrique plus élevé que dans le cas d'un effet tunnel non résonant. Notons que, dans cet exemple, les électrons traversent la première couche isolante par effet tunnel de type Fowler-Nordheim, et la deuxième couche isolante par effet tunnel direct. Les auteurs ont montré qu'en utilisant des isolants à affinités électroniques différentes, il est possible de configurer une diode de type MIIM à effet tunnel résonant pour obtenir à la fois une responsivité élevée et une résistance dynamique faible, ce qu'il n'est pas possible d'obtenir dans le cas d'une diode MIM.
Par ailleurs, le document de Hemmetter et al. intitulé Terahertz Rectennas on Flexible Substrates Based on One-Dimensional Metal-Insulator-Graphene Diodes, ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 3747-3753, décrit une rectenna THz comportant une antenne papillon (bow-tie en anglais) en aluminium couplée électriquement à une diode de type MIG à jonction dite « 1D ».
Dans cette rectenna, la diode de type MIG n'est pas formée d'un empilement vertical de couches minces, mais est structurée dans le plan du substrat, où deux portions métalliques (l'une en Ti et l'autre en Ni) sont situées de part et d'autre d'une mesa où est enterrée une couche mince en graphène. Une couche mince isolante en TiO₂ s'étend sur un flanc de la mésa, et est au contact d'une extrémité de la couche mince en graphène et de la portion métallique en titane. Ainsi, le nickel et le graphène forment la cathode de la diode, et le titane forme l'anode. Les deux parties de l'antenne papillon s'étendent au-dessus de la diode MIG et viennent au contact des deux portions métalliques.
Cependant, il existe un besoin d'améliorer certains aspects d'une rectenna à diode de type MIG, que ce soit pour des applications de détection infrarouge ou térahertz, comme pour celles de conversion d'énergie.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l'art antérieur, et plus particulièrement de proposer une rectenna à diode de type MIG dont les performances sont améliorées.
Pour cela, l'objet de l'invention est une antenne rectificatrice de détection d'un rayonnement électromagnétique, comportant : une antenne adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique ; et une diode de type Métal-Isolant-Graphène (MIG), couplée électriquement à l'antenne, comportant une portion métallique et une portion conductrice en graphène, entre lesquelles est située au moins une portion isolante.
Selon l'invention, la portion métallique, la ou les portions isolantes et la portion conductrice en graphène forment un empilement vertical de portions de couches minces. De plus, l'antenne est formée d'une couche mince continue en graphène, dont une partie forme la portion conductrice en graphène de la diode.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette antenne rectificatrice sont les suivants.
L'épaisseur de l'antenne, et donc de la portion conductrice en graphène, peut être comprise entre 1 et 10 monocouches.
L'antenne peut présenter une forme carrée ou rectangulaire.
La portion conductrice en graphène peut être située au-dessus de la ou des portions isolantes et de la portion métallique.
L'antenne rectificatrice peut comporter une couche réflectrice, recouverte d'une couche isolante intermédiaire sur laquelle repose l'antenne, formant une cavité quart d'onde vis-à-vis du rayonnement électromagnétique à absorber.
L'antenne rectificatrice peut comporter des plots de connexion destinés à polariser la diode, un premier plot de connexion étant situé sous et au contact de la portion métallique, et un deuxième plot de connexion étant situé sous et au contact de l'antenne.
La ou les portions isolantes peuvent être réalisées en Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, ZnO, SiO₂, ou en HfAlO.
La ou les portions isolantes peuvent présenter une épaisseur comprise entre 0.5 et 4nm.
La diode peut présenter des dimensions comprises entre 20×20nm et 100×100nm.
L'antenne rectificatrice peut comporter une source électrique adaptée à appliquer une tension électrique de polarisation V_D non nulle à la diode.
L'antenne peut être adaptée à absorber un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge ou le térahertz.
L'invention porte également sur un dispositif optoélectronique, comportant une matrice d'antennes rectificatrices selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, identiques les unes aux autres.
L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une antenne rectificatrice selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes , comportant les étapes suivantes :

réalisation de la portion métallique de la diode ;
réalisation d'au moins une portion isolante, sur et au contact de la portion métallique ;
réalisation d'une couche de graphène s'étendant sur et au contact de la portion isolante ;
gravure localisée de la couche de graphène, formant ainsi l'antenne, dont la partie située au contact de la portion isolante forme la portion conductrice en graphène.

Le procédé de fabrication peut comporter des étapes suivantes :

réalisation d'un premier et d'un deuxième plots de connexion dans une couche isolante intermédiaire ;
la portion métallique repose sur et au contact du premier plot de connexion, et le deuxième plot de connexion affleure la couche isolante intermédiaire ;
la couche de graphène est réalisée de manière à être sur et au contact de la portion isolante, et à s'étendre sur la couche isolante intermédiaire pour venir au contact du deuxième plot de connexion.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1A, déjà décrite, est une vue schématique d'une antenne rectificatrice à diode couplée à une antenne, selon un exemple de l'art antérieur ;
la figure 1B, déjà décrite, illustre un exemple de diagramme de bande d'énergie d'une antenne rectificatrice à diode MIM, selon un exemple de l'art antérieur ;
la figure 1C, déjà décrite, illustre un exemple de diagramme de bande d'énergie d'une antenne rectificatrice à diode MIIM, selon un exemple de l'art antérieur ;
la figure 2A et la figure 2B sont des vues schématiques et partielles, en perspective (fig.2A) et en coupe transversale (fig.2B), d'une antenne rectificatrice à base de graphène selon un mode de réalisation ;
la figure 3 illustre une évolution du taux d'absorption de l'antenne d'une rectenna selon un mode de réalisation ;
les figures 4A à 4J illustrent différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une antenne rectificatrice à base de graphène selon un mode de réalisation.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre ... et ... » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
L'invention porte sur un détecteur d'un rayonnement électromagnétique de type rectenna à base de graphène, autrement dit d'une antenne rectificatrice comportant une antenne en graphène adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique couplée à une diode de type MIG. Dans la suite de la description, une telle antenne rectificatrice est appelée « rectenna ». Elle peut faire office de détecteur infrarouge ou térahertz, voire de convertisseur énergétique, selon notamment que la diode est polarisée, ou non, à une tension non nulle V_D.
D'une manière générale, l'antenne de la rectenna peut être adaptée à absorber un rayonnement électromagnétique d'intérêt dans une gamme spectrale allant notamment de l'infrarouge au térahertz. Ainsi, l'antenne peut être configurée pour absorber dans le proche infrarouge (SWIR, pour Short Wavelength IR, en anglais) correspondant à une gamme spectrale allant de 0,8 à 2,7µm environ ; dans le moyen infrarouge (MWIR, pour Middle Wavelength IR, en anglais) correspondant à une gamme spectrale allant de 3 à 5µm environ ; dans l'infrarouge lointain (LWIR, pour Long Wavelength IR, en anglais) correspondant à une gamme spectrale allant de 7 à 14µm environ ; voire encore dans le térahertz dont la gamme spectrale va de 0.1 à 1mm environ (0.3 à 3THz environ).
Selon l'invention, la rectenna comporte une couche mince conductrice en graphène qui s'étend de manière continue et forme à la fois l'antenne ainsi que la portion conductrice en graphène de la diode. Celle-ci est une diode verticale de type MIG dans la mesure où elle est formée d'un empilement vertical de portions de couches minces, à savoir une portion métallique, au moins une portion isolante, et la portion conductrice en graphène.
La figure 2A et la figure 2B sont des vues schématiques et partielles, en perspective (fig.2A) et en coupe transversale (fig.2B), d'une rectenna 1 selon un mode de réalisation.
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel XYZ, où le plan XY est parallèle au plan principal de l'antenne 10 de la rectenna 1, et où l'axe Z est orienté suivant l'épaisseur de la diode 20 de type MIG de la rectenna 1. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » s'entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant suivant la direction +Z.
Dans cet exemple, la rectenna 1 est un détecteur infrarouge dont l'antenne est adaptée à absorber dans l'infrarouge MWIR et/ou LWIR. Bien entendu, la rectenna 1 peut être configurée pour absorber dans d'autres gammes spectrales de l'infrarouge, voire dans le térahertz.
De préférence, la rectenna 1 décrite appartient à une matrice de rectennas unitaires, identiques les unes aux autres, connectées à un circuit électrique de commande et de lecture (ROIC) chargé de polariser les diodes 20 et lire les signaux électriques générés.
D'une manière générale, la rectenna 1 comporte une antenne 10, la diode 20 de type MIG et un filtre DC (non représenté). Elle comporte ici une source électrique (non représentée) pour polariser la diode de type MIG à une tension non nulle V_D (application en détection optique). En revanche, dans le cas d'une application de conversion énergétique (par ex., cellule solaire), la diode de type MIG peut être non polarisée ou polarisée à une tension nulle, et peut être connectée à une charge électrique.
L'antenne 10 est adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique incident, ici un rayonnement infrarouge LWIR et est électriquement connectée à la diode 20 de type MIG pour lui transmettre le signal électrique généré en réponse à l'absorption du rayonnement infrarouge d'intérêt.
L'antenne 10 est formée d'une couche mince conductrice réalisée en graphène, d'une épaisseur par exemple comprise entre 1 et 10 monocouches, de préférence entre 1 et 5 monocouches, et de préférence entre 1 à 3 monocouches. Une monocouche de graphène présente une épaisseur de 0.34nm environ. Le graphène est dopé de type n de telle sorte que l'antenne 10 présente une résistance par carré sensiblement égale à l'impédance du vide, à 10% voire à 5% près, optimisant ainsi l'absorption du rayonnement à détecter. L'impédance du vide étant de 377Ω environ, l'antenne 10, alors formée d'une monocouche de graphène dopé, peut présenter une résistance par carré de 360Ω/sq environ. Le graphène dopé de type n est obtenu grâce à un dopage par N₂ ou NH₃, et peut présenter un niveau de dopage entre 1 at.% et 10 at.% avec du NH₃ à titre d'exemple.
L'antenne 10 s'étend de manière continue sur une couche épaisse isolante 37, et de manière sensiblement planaire (moyennant, éventuellement, l'épaisseur de la ou des couches isolantes 22, 23 de la diode 20 de type MIG). Elle est donc située entièrement d'un même côté de la diode 20 de type MIG, ici au-dessus de celle-ci.
L'antenne 10 est une antenne patch, dans la mesure où elle est formée d'une couche conductrice (ici en graphène) et repose sur une couche épaisse isolante. Dans cet exemple, une couche réflectrice 35 est située sous l'antenne 10 et forme avec celle-ci une cavité optique résonante. L'antenne 10 peut présenter toutes sortes de forme, par exemple une forme rectangulaire ou carrée, circulaire, triangulaire, elliptique, entre autres. Elle peut aussi être en forme de spirale, de serpentin, voire de papillon. Dans cet exemple, l'antenne 10 est avantageusement en forme rectangulaire ou carrée, de manière à être quasi-insensible à la polarisation de la lumière incidente.
L'antenne 10 peut présenter une largeur W telle que $W = \frac{λ_{0}}{2} \sqrt{\frac{2}{ε_{r} + 1}}$ où λ₀ est la longueur d'onde de résonance associée à la cavité optique, et où ε_r est la constante diélectrique de la couche épaisseur isolante 37 qui remplit la cavité optique. On peut définir une constante diélectrique effective ε_r,eff telle que $ε_{r, eff} = \frac{ε_{r} + 1}{2} + \frac{ε_{r} - 1}{2} \times {(1 + \frac{12 h}{W})}^{- 0, 5}$ , où h est la hauteur de la cavité optique (distance verticale entre l'antenne et la couche réflectrice). Enfin, l'antenne 10 peut présenter une longueur L définie à partir de la relation suivante : $L = \frac{λ_{0}}{\sqrt[2]{ε_{r, eff}}} - h \times 0.824 \frac{(ε_{r, eff} + 0.3) (\frac{W}{h} + 0.264)}{(ε_{r, eff} - 0.258) (\frac{W}{h} + 0.8)}$ .
La diode 20 de type MIG est adaptée à recevoir le signal électrique AC haute fréquence généré par l'antenne 10 en réponse à l'absorption du rayonnement électromagnétique d'intérêt, ici dans le MWIR et/ou le LWIR, et à le rectifier pour fournir un signal électrique AC rectifié.
La diode 20 est formée d'un empilement vertical de portions de couches minces, à savoir d'une portion métallique 21, d'au moins une portion isolante 22, 23, et de la portion conductrice 24 en graphène, laquelle étant une partie de la couche mince continue en graphène qui forme l'antenne 10. Dans cet exemple, la diode 20 comporte deux portions isolantes distinctes 22, 23.
Par ailleurs, la portion conductrice 24 en graphène (et donc l'antenne) est située au-dessus des portions isolantes 22, 23 et de la portion métallique 21. Aussi, dans cet exemple, la diode 20 comporte, agencées suivant la direction +Z : la portion inférieure métallique 21, une première portion isolante 22 qui s'étend sur et au contact de la portion inférieure métallique 21, une deuxième portion isolante 23 qui s'étend sur et au contact de la première portion isolante 22, et enfin la portion supérieure conductrice 24 en graphène.
Notons que, dans la diode 20, chacune des portions 21, 22, 23, 24 s'étend parallèlement au plan XY de manière continue, et est continûment en contact avec la ou les portions voisines sur toute sa surface. On se distingue ainsi du cas où une portion inférieure serait formée par des lignes ou rainures distinctes, de sorte que la portion adjacente du dessus ne serait pas au contact, sur toute sa surface, avec la portion inférieure en rainure .
La portion supérieure conductrice 24 est donc réalisée en graphène, et est une partie de la couche mince continue qui forme l'antenne 10. Il n'y a donc pas de discontinuité ou de séparation entre l'antenne 10 et la portion conductrice 24. La portion conductrice 24 présente donc une même épaisseur que celle de l'antenne 10. Dans cet exemple, l'épaisseur est égale à une monocouche, soit 0.34nm environ. Le travail de sortie Ψ_G du graphène est de 4.5eV environ.
La portion inférieure métallique 21 est réalisée en au moins un métal M dont le travail de sortie est noté Ψ_M. Ce métal peut être choisi parmi le Ti, TiN, W, AI, Ni, Au, Pt, Cr, AlCu, entre autres. Il peut également être du graphène (que l'on assimile ici, par simplicité, au métal M)
Dans le cas ici d'une application de détection optique, le métal M peut être choisi identique ou différent du graphène en termes de travail de sortie. En revanche, dans le cas d'une application de conversion énergétique, les travaux de sortie Ψ_G, Ψ_M sont différents l'un de l'autre. De préférence, le travail de sortie Ψ_M est supérieur à Ψ_G, par exemple d'au moins 5% voire d'au moins 10%. Ainsi, on peut avoir la portion supérieure conductrice 24 en graphène (Ψ_G=4.5eV) et la portion inférieure métallique 21 en Ni (Ψ_M=5.15eV), en Au (Ψ_M=5.3eV), ou en Pt (Ψ_M=5.4eV) environ.
Au moins une portion isolante 22, 23 est située entre la portion inférieure métallique 21 et la portion supérieure conductrice 24 en graphène. Elle s'étend ici sur la couche épaisse isolante 37, sur une étendue qui peut se limiter aux dimensions de la diode 20, ou, comme ici, sur une étendue plus importante.
Dans le cas où une seule portion isolante est présente, elle est alors réalisée en un même matériau isolant électrique I d'affinité électronique φ et de constante diélectrique ε_r, et est au contact de la portion inférieure métallique 21 et de la portion supérieure conductrice 24 en graphène. La constante diélectrique correspond à la permittivité relative.
Dans le cas où deux portions isolantes sont présentes, une portion isolante 23 est située au contact de la portion supérieure conductrice 24 en graphène, et est réalisée en un matériau isolant électrique I1 d'affinité électronique φ₁ et de constante diélectrique ε_r1. Et la portion isolante 22 est située entre la portion isolante 23 et la portion inférieure métallique 21, et est réalisée en un matériau isolant électrique I2 d'affinité électronique φ₂ et de constante diélectrique ε_r2. De préférence, l'isolant I1 et l'isolant I2 présentent un écart relatif d'affinité électronique Δφ/φ₂ = |φ₁-φ₂|/φ₂ au moins égal à 10%, voire à 50%, à 100%, voire davantage.
Le ou les matériaux isolants peuvent être choisis parmi un oxyde d'aluminium, d'hafnium, de zirconium, de silicium, de zinc, de cuivre, de nickel, entre autres, comme par exemple l'Al₂O₃, l'HfO₂, l'HfAlO, ZrO₂, ZnO, CuO, NiO, SiO₂. A titre d'exemple, la diode 20 peut être formée de l'empilement des matériaux suivants : graphène / ZnO / HfO₂ / métal. D'autres couples d'isolants peuvent être utilisés, comme par exemple Al₂O₃/HfO₂, ZnO/HfO₂, ZnO/Al₂O₃, ZnO/HfAlO, entre autres. De préférence, les matériaux isolants sont choisis de sorte qu'ils présentent une constante diélectrique élevée (matériau high-k), comme par exemple Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, ZnO, de manière à augmenter l'asymétrie de la diode et à réduire sa résistance dynamique.
Notons par ailleurs que la ou les portions isolantes 22, 23 présentent de préférence une épaisseur comprise entre 0.2 et 4nm environ, et de préférence entre 0.5 et 2nm. Les portions isolantes 22, 23 peuvent présenter une épaisseur identique ou des épaisseurs différentes.
La ou les portions isolantes 22, 23 sont des portions de couches minces, c'est-à-dire qu'elles ont été réalisées par les techniques classiques de la microélectronique, dont le dépôt chimique (CVD, ALD...), le dépôt physique (PVD...), entre autres. Dans le cas d'une portion isolante en un oxyde de silicium d'une épaisseur de préférence comprise entre 0.5 à 2nm, celle-ci est de préférence réalisée par dépôt par faisceau d'ions (IBD, pour Ion Beam Deposition, en anglais) à température ambiante, de sorte que son interface ne présente pas ou peu de défauts tels que des précurseurs, préservant ainsi ses qualités électroniques.
Comme indiqué précédemment, l'antenne 10 repose sur une couche épaisse isolante 37, par exemple réalisée en un oxyde de silicium, qui espace verticalement celle-ci d'une couche réflectrice 35 sous-jacente, réalisée par exemple en un métal. Cet espacement vertical est de l'ordre de λ_c/4n, où n est l'indice optique du milieu séparant l'antenne 10 de la couche réflectrice 35. On forme ainsi une cavité quart d'onde qui améliore le taux d'absorption par l'antenne 10.
La diode 20 est polarisée au moyen de deux plots de connexion 39.1, 39.2 situés sous la diode 20 et l'antenne 10, et qui s'étendent verticalement dans la couche épaisse isolante 37. Un plot de connexion 39.1 est situé sous la diode 20 de type MIG et vient au contact électrique de la portion inférieure métallique 21, et un autre plot de connexion 39.2 est situé sous l'antenne 10 (et décalé dans le plan XY vis-à-vis de la diode 20) et qui vient au contact électrique de celle-ci. Le plot de connexion 39.2 peut être situé à proximité d'une bordure de l'antenne 10. Par ailleurs, dans cet exemple, la diode 20 est située au centre de l'antenne 10, mais en variante, elle pourrait être en être décalée.
De préférence, l'empilement de la diode 20 présente des dimensions dans le plan XY comprise entre 20nm×20nm et 100nm×100nm, par exemple égales à 50nm×50nm. L'antenne 10 peut présenter une forme carrée de 4.5µm de côté, et les antennes des rectennas être agencées de manière périodique au pas de 5µm. L'antenne 10 et la portion supérieure conductrice 24 en graphène peuvent présenter une épaisseur d'une monocouche (0.34nm), la portion isolante adjacente 23 peut être en HfO₂ de 0.5nm d'épaisseur, la portion isolante suivante 22 peut être en Al₂O₃ de 0.5nm d'épaisseur, et la portion inférieure métallique 21 peut être en nickel. Les plots de connexion 39 peuvent être réalisés en métaux tels que du cuivre, tungstène, entre autres, et la couche épaisse isolante 37 peut présenter une épaisseur de l'ordre de 1 à 2µm environ, selon que l'on souhaite privilégier l'absorption dans le MWIR et/ou le LWIR.
La rectenna 1 comporte également un filtre DC (non représenté), connecté électriquement à la diode 20, de manière à filtrer le signal électrique AC rectifié pour ne garder que la composante continue DC. Le filtre est ensuite connecté électriquement à un circuit de lecture du signal électrique (application de détection optique) ou à une charge électrique (application de conversion énergétique).
Une source électrique peut être présente pour polariser électriquement la diode 20 à une tension de polarisation V_D. A titre d'exemple, la portion inférieure métallique 21 est ici mise à la masse alors que la portion supérieure conductrice 24 en graphène est portée au potentiel électrique U_D, lequel peut être nul ou non nul en fonction de l'application visée. La tension électrique V_D peut être comprise entre 0 et 0.3 V environ. Dans le cas d'une diode MIIM (avec deux isolants différents), la polarisation est positive entre 0 et +0.3V, et préférentiellement autour de polarisation de +0.1 V pour avoir un maximum de responsivité.
Rappelons ici que les performances de la rectenna 1 dépendent notamment de la résistance dynamique R_D de la diode 20, de l'asymétrie As_D de la caractéristique I(V), et de la responsivité β. La résistance dynamique R_D peut être déterminée à partir de la relation R_D = 1/I', où I' est la dérivée première du courant électrique I en fonction de la tension électrique V, à la tension de polarisation V_D. L'asymétrie As_D peut être déterminée à partir de la relation As_D = |I_f/I_r|, à la tension de polarisation V_D, où I_f est la valeur du courant électrique en direct et I_r est celle du courant électrique en inverse. Enfin, la responsivité β a été définie précédemment et peut être déterminée par la relation : β = I"/(2I').
Ainsi, la rectenna 1 comporte une antenne 10 couplée électriquement à une diode 20 de type MIG, où la même couche mince continue en graphène forme l'antenne 10 et la portion conductrice 24 de la diode 20. Le fait que l'antenne 10 soit formée d'une couche mince en graphène permet d'absorber efficacement le rayonnement électromagnétique d'intérêt, en particulier dans le MWIR et le LWIR. De plus, le fait que la même couche mince continue en graphène forme à la fois l'antenne 10 et l'une des portions conductrices de la diode 20 permet de transférer efficacement vers la diode 20 les électrons excités par la lumière absorbée par l'antenne 10.
Par ailleurs, dans le cas où l'antenne 10 est une antenne patch de forme rectangulaire et de préférence carrée permet d'être quasiment insensible à la polarisation du rayonnement électromagnétique d'intérêt, ce qui améliore l'absorption large bande.
Notons par ailleurs que le travail de sortie du graphène peut être modifié, et plus précisément diminué, par la mise en œuvre d'un traitement adapté. Il peut alors s'agir de traiter plus précisément la surface libre de la portion supérieure conductrice 24 en graphène, de manière à diminuer localement le travail de sortie du graphène et donc à abaisser la barrière de potentiel entre la portion supérieure conductrice 24 de graphène et la portion isolante 23 adjacente. Cela conduit alors à augmenter la responsivité et à abaisser la résistance dynamique de la diode 20. Un tel traitement peut être un traitement de surface conduisant à l'adsorption de molécules telles que NO₂, N₂H₂, NH₃, entre autres. Il peut également s'agir d'un traitement aux ultraviolets.
La figure 3 illustre un exemple d'évolution du taux d'absorption A de l'antenne 10 en graphène en fonction de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique incident, ici dans la gamme infrarouge comprenant le MWIR (3-5µm) et le LWIR (8-14µm).
Dans cet exemple, on considère un dispositif de détection comportant une matrice de rectennas 1 similaires à celle de la fig.2B, où les antennes 10 en graphène sont agencées périodiquement au pas de 6µm. Chaque antenne 10 est formée d'une monocouche de graphène de 0.34nm d'épaisseur, d'une dimension de 5×5µm de côté, le graphène étant dopé de type n de sorte que l'antenne 10 présente une résistance par carré de l'ordre de 360Ω/sq. L'antenne 10 repose sur une couche épaisse 37 de SiO₂ de 1µm d'épaisseur, qui forme une cavité optique avec une couche réflectrice 35 sous-jacente.
On observe une très bonne absorption de l'antenne 10 en graphène dans les bandes MWIR et LWIR (en particulier dans la bande MWIR du fait de la taille de la cavité optique). Par ailleurs, il est possible d'ajuster la taille de la cavité optique de manière à optimiser l'absorption dans la bande LWIR, tout en gardant une bonne absorption dans la bande MWIR, et en minimisant la (déjà faible) absorption parasite par le SiO₂ de la cavité optique.
Les figures 4A à 4J illustrent différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une rectenna 1 selon un mode de réalisation. La rectenna 1 est ici adaptée à absorber un rayonnement électromagnétique d'intérêt dans le MWIR et le LWIR. On ne représente ici qu'une seule rectenna, mais de préférence, le procédé porte sur la fabrication d'une matrice de rectennas identiques sur un même substrat de lecture 31.
En référence à la fig.4A, on fournit un substrat de lecture 31, contenant un circuit de lecture et de commande (ROIC), par exemple de type CMOS, adapté ici à polariser électriquement la diode et à lire le signal électrique rectifié issu de la rectenna en réponse à l'absorption du rayonnement lumineux.
Le substrat de lecture 31 est recouvert d'une couche isolante inférieure 32, réalisée en un matériau isolant tel qu'un oxyde de silicium. On réalise ensuite, au travers de la couche isolante inférieure 32, des premiers vias conducteurs 33, connectés à des plots de connexion (non représentés) du substrat de lecture 31, puis des premiers plots de connexion électrique 34 au contact des vias conducteurs 33.
En référence à la fig.4B, on réalise ensuite le réflecteur 35 et des plots de connexion intermédiaire 36. Pour cela, on dépose une couche en au moins un matériau métallique, que l'on structure par lithographie et gravure localisée pour former le réflecteur 35 et des plots de connexion 36. La couche métallique peut être un multicouche, par exemple de type Ti/TiN/AlCu ou Ti/TiN/AlSi. Le AlCu ou le AlSi peut présenter une épaisseur d'au moins 80nm, par exemple égale à 300nm. Les plots de connexion 36 sont en contact électrique avec les plots de connexion 34.
En référence à la fig.4C, on dépose une couche intermédiaire isolante 37, réalisée en un matériau isolant tel qu'un oxyde de silicium, de manière à définir ensuite la cavité quart d'onde avec l'antenne. On peut ainsi déposer du SiO₂ par dépôt physique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), d'une épaisseur comprise par exemple entre 0.3 et 2 µm, par exemple de 1.2µm, à une température de dépôt inférieure ou égale à 400°C pour respecter le budget thermique du circuit de lecture CMOS. Une étape de polissage mécano-chimique peut ensuite être effectuée pour retirer un excès de matériau et planariser la couche intermédiaire isolante 37 à une épaisseur de 1µm environ (la cavité optique présente une épaisseur de λ/4n où n est l'indice de réfraction du milieu formant la cavité optique). On réalise ensuite des deuxièmes vias conducteurs 38, au travers de la couche intermédiaire isolante 37, venant au contact des plots de connexion 36.
En référence à la fig.4D, on réalise ensuite des plots de connexion supérieure 39 (39.1, 39.2) ainsi que la portion inférieure métallique 21 de la diode. Pour cela, on dépose une couche en au moins un matériau métallique, que l'on structure par lithographie et gravure. La couche est de préférence formée d'un multicouche métallique, par exemple en Ti/AlCu/TiN. Ce multicouche forme à la fois les plots de connexion 39.1, 39.2 et la portion inférieure métallique 21 (ici en TiN) de la diode. Plus précisément, le plot 39.1 est recouvert par la portion métallique 21, alors que le plot 39.2 comporte une portion métallique (ici en TiN). La couche intermédiaire en AlCu présente une épaisseur de préférence supérieure à 80nm pour s'assurer de la qualité et de la continuité de la couche. Le plot de connexion 39.1 est destiné à polariser la diode, et le plot de connexion 39.2 est destiné à polariser l'antenne 10. On dépose ensuite une nouvelle couche isolante, par exemple en un oxyde de silicium de type TEOS, que l'on planarise pour rendre libre la face supérieure de la portion métallique 21 de la diode ainsi que celle du plot de connexion 39.2. Sur la figure, on note toujours « 37 » la couche isolante qui entoure dans le plan XY les vias 38 et les plots de connexion 39 (et donc la portion métallique 21). Son épaisseur participe à définir la taille de la cavité optique.
En référence à la fig.4E, on dépose ensuite une première couche mince isolante 40 sur la face libre de l'empilement, qui s'étend sur et au contact de la portion métallique 21. Cette couche mince isolante 40 est gravée localement pour laisser libre la face libre du plot de connexion 39.2. La partie de la couche mince isolante 40 qui est sur et au contact de la portion métallique 21 forme la portion isolante 22. Le reste de la couche mince isolante 40 peut s'étendre sur la couche épaisse isolante 37, en regard du réflecteur 35. Dans cet exemple, la couche mince isolante 40, et donc la portion isolante 22, est réalisée en Al₂O₃ d'une épaisseur comprise entre 0.5 et 2nm, et ici de 0.5nm. Elle peut être déposée par dépôt de couche atomique (ALD) entre 200°C et 400°C environ.
En référence à la fig.4F, on réalise une couche 44 de graphène, ici une couche monoatomique, sur une couche isolante 43, ici en un oxyde de silicium, reposant sur un substrat support 42. Le graphène peut être déposé initialement sur un substrat en cuivre (non représenté) par une technique de dépôt chimique en phase vapeur à haute température, par exemple à 1000°C environ, puis être transféré sur la couche d'oxyde 43.
En référence à la fig.4G, on dépose une couche 45 d'un polymère tel qu'un polyméthacrylate de méthyle (PMMA), ou une couche de colle, sur la couche 44 de graphène. Cette couche 45 formera une poignée souple de manipulation de la couche de graphène 44.
En référence à la fig.4H, on retire le substrat support 42 et la couche d'oxyde 43, par exemple par gravure humide de la couche d'oxyde 43 à l'acide fluorhydrique (HF) en phase vapeur. On obtient ainsi une couche 45 de PMMA sur laquelle repose la couche 44 de graphène. Notons que cette technique de réalisation et de transfert d'une couche de graphène est notamment décrite dans l'article de Lee et al. intitulé Multilayered Graphene Electrode using One-Step Dry Transfer for Optoelectronics, Current Optics and Photonics, Vol. 1, Issue 1, pp. 7-11 (2017).
En référence à la fig.4I, on transfère la couche 44 de graphène sur l'empilement, de sorte qu'elle vienne au contact de la portion isolante 22 (et plus largement de la couche isolante 40), de la couche épaisse isolante 37, et du plot de connexion 39.2.
En référence à la fig.4J, on retire ensuite la couche 45 de PMMA, par exemple avec un solvant de type acétone, pour rendre libre la face supérieure de la couche 44 de graphène. On grave localement la couche de graphène, de manière à former l'antenne 10. La partie de l'antenne 10 qui est située au contact de la portion isolante 22 forme la portion supérieure conductrice 24 en graphène.
Ainsi, on obtient une rectenna 1 formée d'une antenne 10 et d'une diode 20 de type MIG, où une même couche mince continue forme l'antenne 10 et la portion conductrice 24 en graphène de la diode 20. La diode 20 est polarisée au moyen de plots de connexion 39.1, 39.2, l'un situé sous la diode 20, et l'autre sous l'antenne 10, et qui sont connectés au circuit de lecture sous-jacent par des vias conducteurs. De plus, l'antenne 10 est verticalement espacée d'un réflecteur 35, formant ainsi une cavité quart d'onde optimisant l'absorption du rayonnement lumineux d'intérêt (ici MWIR et/ou LWIR). Aussi, non seulement l'antenne 10 en graphène absorbe efficacement le rayonnement électromagnétique d'intérêt (dans le cas où elle est une antenne patch non sensible à la polarisation de la lumière), mais les électrons sont transférés de manière optimale dans la diode 20, dans la mesure où la même couche mince continue forme l'antenne 10 et la portion conductrice 24 de la diode 20. La rectenna 1 présente donc des performances élevées, en termes d'absorption de l'antenne, mais également de responsivité et de résistance dynamique de la diode.
Des modes de réalisation particuliers viennent d'être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l'homme du métier.

Claims

Antenne rectificatrice (1) de détection d'un rayonnement électromagnétique, comportant :
∘ une antenne (10), adaptée à absorber le rayonnement électromagnétique ;

∘ une diode (20) de type Métal-Isolant-Graphène (MIG), couplée électriquement à l'antenne (10), comportant une portion métallique (21) et une portion conductrice (24) en graphène, entre lesquelles est située au moins une portion isolante (22 ; 23) ;

∘ caractérisé en ce que :
• la portion métallique (21), la ou les portions isolantes (22 ; 23) et la portion conductrice (24) en graphène forment un empilement vertical de portions de couches minces ;

• l'antenne (10) est formée d'une couche mince continue en graphène, dont une partie forme la portion conductrice (24) en graphène de la diode (20).
Antenne rectificatrice (1) selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur de l'antenne (10) et donc de la portion conductrice (24) en graphène est comprise entre 1 et 10 monocouches.
Antenne rectificatrice (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'antenne (10) présente une forme carrée ou rectangulaire.
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la portion conductrice (24) en graphène est située au-dessus de la ou des portions isolantes (22, 23) et de la portion métallique (21).
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une couche réflectrice (35), recouverte d'une couche isolante intermédiaire (37) sur laquelle repose l'antenne (10), formant une cavité quart d'onde vis-à-vis du rayonnement électromagnétique à absorber.
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des plots de connexion (39.1, 39.2) destinés à polariser la diode (20), un premier plot de connexion (39.1) étant situé sous et au contact de la portion métallique (21), et un deuxième plot de connexion (39.2) étant situé sous et au contact de l'antenne (10).
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la ou les portions isolantes (22, 23) sont réalisées en Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, ZnO, SiO₂, ou en HfAlO.
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la ou les portions isolantes (22, 23) présentent une épaisseur comprise entre 0.5 et 4nm.
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la diode (20) présente des dimensions comprises entre 20×20nm et 100×100nm.
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant une source électrique adaptée à appliquer une tension électrique de polarisation V_D non nulle à la diode (20).
Antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle l'antenne (10) est adaptée à absorber un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge ou le térahertz.
Dispositif optoélectronique, comportant une matrice d'antennes rectificatrices (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, identiques les unes aux autres.
Procédé de fabrication d'une antenne rectificatrice (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant les étapes suivantes :
∘ réalisation de la portion métallique (21) de la diode (20) ;

∘ réalisation d'au moins une portion isolante (22 ; 23), sur et au contact de la portion métallique (21) ;

∘ réalisation d'une couche de graphène (44) s'étendant sur et au contact de la portion isolante (22 ; 23) ;

∘ gravure localisée de la couche de graphène (44), formant ainsi l'antenne (10), dont la partie située au contact de la portion isolante (22 ; 23) forme la portion conductrice (24) en graphène.
Procédé de fabrication selon la revendication 13, comportant les étapes suivantes :
∘ réalisation d'un premier et d'un deuxième plots de connexion (39.1 ; 39.2) dans une couche isolante intermédiaire (37) ;

∘ la portion métallique (21) repose sur et au contact du premier plot de connexion (39.1), et le deuxième plot de connexion affleure la couche isolante intermédiaire (37) ;

o la couche de graphène (44) est réalisée de manière à être sur et au contact de la portion isolante (22 ; 23), et à s'étendre sur la couche isolante intermédiaire (37) pour venir au contact du deuxième plot de connexion (39.2).