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Electronique Quantique Microonde au Graphène – MIGRAQUEL

MIGRAQUEL : Electronique Quantique Microonde au Graphène

Le projet MIGRAQUEL d’Electronique Quantique Microonde au Graphène s’intéresse aux possibilités nouvelles offertes par le graphène dans le domaine des transistors ultra-rapides bas bruit, basse puissance.

Electronique microonde bas bruit

Ces prévisions reposent sur la haute mobilité, la grande vitesse de Fermi, les forts courants et la bonne conductivité thermique du graphène. L’aspect modulable du nombre de canaux de transport et l’accès réellement nanométrique des grilles au canal ouvrent la voie à un régime de transport où la conductance, la transconductance et la capacité de grille approchent la limite quantique. Les dispositifs à base de carbone sont ainsi des systèmes modèles de choix pour la physique quantique mésoscopique. Le concept nouveau apporté par le graphène est celui de Fermion de Dirac (FD), associé à sa structure « nid d’abeille », qui est caractérisé par une forte diffusion électronique vers l’avant due au Tunneling de Klein. Bien étudiés à la limite dc, les FDs peuvent être utilisés pour réaliser des dispositifs innovants RF et micro-onde. MIGRAQUEL propose une approche globale originale intégrant la production de couches de haute mobilité, la fabrication de nano-dispositifs ultimes, le transport sous champ magnétique, et la caractérisation RF, diffusion et bruit, ainsi que la modélisation théorique. Les échantillons de haute mobilité seront produits par exfoliation, croissance CVD ou graphitisation de SiC sur des substrats variés rigides et souples, adaptés RF. Une variété de dispositifs micro-ondes, basés sur une architecture de transistor à grille chapeautante sur oxyde ultrafin, sera fabriquée par nano-lithographie et gravure. Les simulations, basées sur une technique de fonctions de Green hors-équilibre, permettront de calculer les caractéristiques micro-onde des dispositifs et leur bruit en géométrie réaliste. En retour, ceci permettra d’optimiser les dessins et fabrication afin d’atteindre l’objectif de produire des amplificateurs bas bruit dans la bande W avec des fréquences de transit dépassant 100 GHz et des figures de bruit < 1dB.

Deux démonstrateurs seront réalisés. Le premier est un détecteur de charge pulsée unique nanoseconde (GHz) exploitant la haute mobilité des feuilles et rubans de graphène et le couplage grille ultime dans une architecture de transistor à grille empilée. La bande passante GHz apportera un gain d’un facteur dix sur la vitesse des détecteurs d’électrons uniques. Elle ouvrira la porte à la réalisation d’expériences mono-coup dans le régime quantique qui est un domaine en pleine évolution. Le second vise à contourner le Tunneling de Klein qui restreint considérablement les capacités de commutation des dispositifs au graphène. Deux solutions très innovantes, décrites dans le document, seront testées pour produire des barrières tunnel locales modulables. Une originalité de MIGRAQUEL est de coupler mesures de transport et mesures optiques. Un dispositif sous pointe cryogénique sera mis au point permettant les mesures conjointes des propriétés de transmission RF, de thermométrie de bruit et de micro-spectroscopie Raman. Il permettra de comparer in situ les distributions des électrons et des phonons hors équilibre. Cette approche apportera des informations nouvelles sur les processus de dissipation en jeu dans ces nano-dispositifs. L’expérience permettra aussi une exploration des possibilités de photo-détection rapide du graphène. MIGRAQUEL vise à donner une impulsion nouvelle à la communauté française dans la forte compétition internationale qui sévit, notamment avec les labos US. L’angle d’attaque choisi de la dynamique micro-onde est directement pertinent pour les applications sur le marché en plein développement des transistors RF pour les radars, les télécommunications.

1) production de films de graphène haute mobilité sur SiC pour transistors transistors graphène micro-onde

2) démonstration de transistors avec fréquence de transit de 80 GHz réalisés avec du graphène exfolié sur saphir.

3) démonstration de transistors sur substrats flexibles fonctionnant au GHz avec du graphène mono-couche en solution.

4) modélisation de nouvelles architectures de transistors graphène :
i) le transistor graphène à nano-maille pour l'ingénierie de bande interdite ii) le réflecteur à fermions de Dirac, basé sur une géométrie de transistor bipolaire avec grille en dent de scie, pour réaliser des barrières électro-statiquement accordables.

5) Etude du refroidissement des électrons chauds par les phonons acoustiques. Mise en évidences des mécanismes de collisions ordinaires et du phénomène de supercollision.

1) l'utilisation des films de graphène haute mobilité sur SiC devrait permettre de réaliser des transistors micro-onde conventionnels avec une fréquence de transit à l'état de l'art.
2) la fabrication de transistors à nano-mailles de graphène, en voie de mise au point, devrait permettre de faire progresser l'état de l'art des transistors micro-onde en terme de fréquence maximum d'amplification.
3) l'intégration de graphène exfolié sur grille arrière et diélectrique en nitrure de Bore hexagonal, devrait permettre de démontrer le réflecteur graphène proposé dans le projet.

28 articles dans des revues internationales à comité de lecture
29 présentations orales dans conférences internationales ou ateliers.

Le projet MIGRAQUEL d’Electronique Quantique Microonde au Graphène s’intéresse aux possibilités nouvelles offertes par le graphène dans le domaine des transistors ultra-rapides bas bruit, basse puissance. Ces prévisions reposent sur la haute mobilité, la grande vitesse de Fermi, les forts courants et la bonne conductivité thermique du graphène. L’aspect modulable du nombre de canaux de transport et l’accès réellement nanométrique des grilles au canal ouvrent la voie à un régime de transport où la conductance, la transconductance et la capacité de grille approchent la limite quantique. Les dispositifs à base de carbone sont ainsi des systèmes modèles de choix pour la physique quantique mésoscopique. Le concept nouveau apporté par le graphène est celui de Fermion de Dirac (FD), associé à sa structure « nid d’abeille », qui est caractérisé par une forte diffusion électronique vers l’avant due au Tunneling de Klein. Bien étudiés à la limite dc, les FDs peuvent être utilisés pour réaliser des dispositifs innovants RF et micro-onde.
MIGRAQUEL propose une approche globale originale intégrant la production de couches de haute mobilité, la fabrication de nano-dispositifs ultimes, le transport sous champ magnétique, et la caractérisation RF, diffusion et bruit, ainsi que la modélisation théorique.
Les échantillons de haute mobilité seront produits par exfoliation, croissance CVD ou graphitisation de SiC sur des substrats variés rigides et souples, adaptés RF. Une variété de dispositifs micro-ondes, basés sur une architecture de transistor à grille chapeautante sur oxyde ultrafin, sera fabriquée par nano-lithographie et gravure. Les simulations, basées sur une technique de fonctions de Green hors-équilibre, permettront de calculer les caractéristiques micro-onde des dispositifs et leur bruit en géométrie réaliste. En retour, ceci permettra d’optimiser les dessins et fabrication afin d’atteindre l’objectif de produire des amplificateurs bas bruit dans la bande W avec des fréquences de transit dépassant 100 GHz et des figures de bruit < 1dB.
Deux démonstrateurs seront réalisés. Le premier est un détecteur de charge pulsée unique nanoseconde (GHz) exploitant la haute mobilité des feuilles et rubans de graphène et le couplage grille ultime dans une architecture de transistor à grille empilée. La bande passante GHz apportera un gain d’un facteur dix sur la vitesse des détecteurs d’électrons uniques. Elle ouvrira la porte à la réalisation d’expériences mono-coup dans le régime quantique qui est un domaine en pleine évolution. Le second vise à contourner le Tunneling de Klein qui restreint considérablement les capacités de commutation des dispositifs au graphène. Deux solutions très innovantes, décrites dans le document, seront testées pour produire des barrières tunnel locales modulables.
Une originalité de MIGRAQUEL est de coupler mesures de transport et mesures optiques. Un dispositif sous pointe cryogénique sera mis au point permettant les mesures conjointes des propriétés de transmission RF, de thermométrie de bruit et de micro-spectroscopie Raman. Il permettra de comparer in situ les distributions des électrons et des phonons hors équilibre. Cette approche apportera des informations nouvelles sur les processus de dissipation en jeu dans ces nano-dispositifs. L’expérience permettra aussi une exploration des possibilités de photo-détection rapide du graphène.
MIGRAQUEL vise à donner une impulsion nouvelle à la communauté française dans la forte compétition internationale qui sévit, notamment avec les labos US. L’angle d’attaque choisi de la dynamique micro-onde est directement pertinent pour les applications sur la marché en plein développement des transistors RF pour les radars, les télécommunications.

Coordinateur du projet

Monsieur Bernard Placais (CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B) – bernard.placais@lpa.ens.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPS 11/IEF UNIVERSITE DE PARIS XI [PARIS- SUD]
LPN - CNRS CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD
LPA CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B
IEMN CNRS - DELEGATION REGIONALE NORD-PAS-DE-CALAIS ET PICARDIE

Aide de l'ANR 876 397 euros
Début et durée du projet scientifique : - 40 Mois

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