7 – Equipe Instrumentation

7 – Equipe Instrumentation
7–1. Composition de l'équipe
Responsable actuel : Didier Robbes, Pr II, 63
Responsable futur : S. Flament, MCF, (HDR prévue courant 2003)
Permanents
Enseignants
chercheurs
Professeurs section 63 du CNU
Bloyet D., Pr cl. Exc.
Carin R., Pr I
Robbes D., Pr II
Dolabdjian C., Pr II
Dubuc C., Pr I
Maîtres de Conférence
section 63 du CNU
Pichon L., HDR
Monfort Y., HC
Cordier C.
Flament S.
Gunther C.
Lam Chok Sing M.
Langlois P.
Routoure J.M.
Temporaires
Personnels
Techniques
Chercheurs
Chargé de
Recherche
Mechin L.
Eimer S.
technicien salle blanche,
poste CNRS
Lebargy S.
technicien électronique,
½ poste ISMRA
A pourvoir fin 2002
1 poste assistant
ingénieur
Chercheurs doctorants
Guillet B.
Huot G.
Lartigau I.
Ledem G.
Quasimi A.
Ridereau X.
Valdaperez N.
Warsito
Yang Fan
Bouknenoufa A.
ATER
½ ISMRA
½ ISMRA
1 ISMRA
7–2. Présentation et objectifs généraux
Motsclés : électronique, bruit, capteurs, dispositifs à semiconducteurs, instrumentation, magnétométrie, bolométrie, microtechnologies, dispositifs à supraconducteurs, dispositifs à oxydes métalliques.
Résumé : L’équipe Instrumentation de l’unité a son activité reliée à un regroupement de compétences au cœur duquel se trouve la problématique du bruit de fond. Nos travaux s’attachent à des aspects fondamentaux  modélisation physique de capteurs et dispositifs, bruit excédentaire  et des aspects plus orientés vers les applications associées notamment aux activités de magnétométrie et de bolométrie. Dotée de ressources variées de modélisation numérique et d’outils de microtechnologie en salle blanche, l’équipe Instrumentation a la maîtrise de chaînes instrumentées complètes à très bas niveaux de bruit, incluant la conception et réalisation de microcapteurs originaux, notamment supraconducteurs ou à base de nouveaux matériaux en couches minces. Le volet des applications couvre des domaines tels le contrôle non destructif, la mesure fine du champ magnétique notamment terrestre, la mesure de température à très grande résolution, la microimagerie électrothermique et magnétooptique. L’équipe Instrumentation intervient également dans de nombreuses collaborations, du niveau 7–1
local au sein des laboratoires de l’ISMRA et industriels (ELDIM, Philips SemiConductor, au niveau national (GM, université de Rennes, C.E.A., Schlumberger ), et international (Bartington Ltd).
Organisation de l’équipe
L’organisation pour l’exercice 20002003 est rappelée cidessous.
Organisation de l'équipe Instrumentation du GREYC
Exercice 20002003
Responsable : Didier Robbes
Magnétométrie
Composants
SemiConducteurs
et hybrides
Bolométrie
infrarouge lointain
D. Bloyet (Pr 60 %)
R. Carin (Pr)
D. Robbes
(MCF, HDR)
Responsables
des thèmes
C. Dubuc (Pr)
Y. Monfort (MCF)
C. Dolabdjian (MCF)
M. Lam (MCF)
S. Flament (MCF)
J. Lepaisant (MCF)
L. Pichon (MCF)
J. M.Routoure (ATER)
D. Bloyet (Pr, 20 %)
P. Langlois (MCF)
C. Gunther (MCF)
L. Méchin
(MCF puis CR oct. 2001)
Permanents
C. Cordier (01/00)
E. Sassier (07/00)
S. Saez (12/00)
X. Ridereau
A. Qasimi
K. Mercha (12/00)
N. Valdaperez
J.M. Janick (*) (07/02)
V. Gibour (*) ( 01/02)
A. Boujrad (*) (01/01)
I. Lartigau
A. Boukhenoufa
G. Huot
N. Cheenne (01/00)
A. Guillet
F. Yang
G. Ledem
Chercheurs
doctorants
Chercheurs Axe Modélisation en italique, Chercheurs axe Microtechnologie soulignés
(*) chercheurs doctorants non localisés sur le site de l’ISMRA
(xx/0x) date de fin de thèse
Organisation de l'équipe Instrumentation du GREYC
Exercice 2004 – 2007
Responsable : Stéphane Flament
Physique et modèles de fluctuations dans les composants à semi
conducteurs
Performances intrinsèques Capteurs magnétiques et de µcapteurs : bruit, bolométriques à grande technologie, matériaux à dynamique en propriétés remarquables
environnement bruyant
Laurent Pichon
Laurence Méchin
Chistophe Dolabdjian
L. Pichon
R. Carin
D. Bloyet (sept. 04)
J.M. Routoure
P. Langlois
C. Cordier (50 %)
L. Méchin
D. Bloyet
C. Gunther (50 %)
S. Flament
M. Lam Chok Sing
C. Cordier (25 %)
C. Dolabdjian (20 %)
C. Dolabdjian (80 %)
D. Robbes
Y. Monfort (sept. 05)
C. Gunther (50 %)
C. Cordier (25 %)
C. Dubuc (50 %)
7–2
Titre
Responsable
Permanents
C. Dubuc (50 %)
I. Lartigau
N. Valdaperez
A. Boukhenoufa
F. Yang
X. Ridereau
G. Huot
B. Guillet
G. Ledem
A. Qasimi
Chercheurs doctorants
Objectifs généraux de l’équipe
Equipe Instrumentation
Bruit de fond,
mesures et
caractérisations
variées fines
Films minces
Micro-technologies
che
her
Rec iquée
l
App
Capteurs, et
Dispositifs à
Faible Bruit
Modélisation
physique et
numérique
Ressources
Activité centrale
Systèmes et
Instrumentation
Rec
h
Fon erche
dam
enta
le
Physique des
Dispositifs et
Science de la
Mesure
Motivations
Diagramme des aires d’activités de l’équipe et de leurs connexions
A l’occasion de l’établissement de ce document, une réflexion a été menée, donnant lieu à la nouvelle organisation de l’équipe. Celleci met notamment des chercheurs et enseignants chercheurs en position nouvelle de prise de responsabilité, suite aux départs ou évolution de carrières des cadres ayant animé l’équipe.
L’équipe a son activité centrée sur les capteurs et dispositifs à faible bruit. Les motivations des travaux de recherche autour de ces dispositifs élémentaires sont multiples. Une partie des travaux est tournée en amont et vise à mettre en relation les caractérisations des fluctuations de diverses grandeurs (tension, résistance, champ magnétique, vortex...) avec leur physique de base, les procédés d’élaboration technologiques, etc. Ces études permettent alors d’améliorer les performances intrinsèques des matériaux déposés au laboratoire en films minces, et de construire des modèles facilitant la conception de dispositifs. Les films minces déposés au laboratoire sont actuellement des films d’YBCO et de Manganites. Notons que les choix de ces composés sont liés d’une part à leurs propriétés remarquables et d’autre part à la proximité du CRISMAT UMR 6508, laboratoire de l’ISMRA, dont l’équipe film mince assure une partie importante de son activité dans la synthèse de nouveaux matériaux. Les capteurs réalisés sont essentiellement à base de jonctions Josephson sur 7–3
bicristal (SQUIDs) et des microthermomètres à bord de transition. Ces capteurs entrent tous dans la classe des dispositifs à haute sensibilité. Des dispositifs à semiconducteurs réalisés par la société Philips et par le Groupe de Microélectronique de l’Institut d’Electronique et de Télécommunication de Rennes sont également étudiés au laboratoire (transistors MOS, TFT, etc.) pour ce qui concerne leurs propriétés en bruit basse fréquence, la compréhension et modélisation des sources physiques internes aux composants, notamment en relation avec les procédés technologiques. Une activité naissante est également à noter autour du semiconducteur SiC, en collaboration avec le LERMAT FRE 2149, autre laboratoire de l’ISMRA. Un outil majeur de caractérisation des films et des dispositifs élémentaires est le bruit de fond excédentaire, pour les caractérisations duquel les membres du laboratoire développent les procédés de traitement électronique du signal nécessaires. Le groupe possède également de nombreuses compétences en compréhension physique et modélisation des sources de bruits propres des dispositifs. Des caractérisations diverses en température, en champ magnétique, sous irradiation lumineuse et par effet magnétooptique sont également mises en œuvre au sein du groupe.
Une seconde partie de nos travaux est tournée en aval du capteur. Nous intéressent plus particulièrement les problématiques liées à l’introduction de dispositifs à très faible bruit dans des systèmes plus complexes, dédiés à des applications diverses. Il faut alors veiller à la compatibilité de multiples contraintes entre elles, notamment veiller au fait que l’accroissement de dynamique (par le plus faible bruit) implique, au plus haut point, la nécessaire efficacité de la prise en compte et du traitement des multiples sources de fluctuations extrinsèques au capteur. En effet, le bruit environnemental et celui du système de polarisation et/ou de conditionnement ne doivent pas masquer les performances intrinsèques du capteur, au risque de perdre le bénéfice d’une partie des travaux précédents situés en amont. Ainsi, nous prenons un soin particulier à la définition (ou l’aide à la définition) du cahier des charges des systèmes à mettre en œuvre et à étudier. A titre d’exemple, une large étude comparative de capteurs magnétiques à haute sensibilité atelle été entreprise pour clarifier au sein de la communauté des chercheurs et fabricants de capteurs et de la communauté de leurs utilisateurs, l’ensemble des critères utiles à une spécification efficace du cahier des charges d’applications variées.
Pour structurer la présentation de son activité, l’équipe Instrumentation propose de travailler désormais autour de 3 thèmes qui seront repris et détaillés dans la suite de ce document. Il s’agit des thèmes :



Physique et modèles de fluctuations dans les composants à semiconducteurs ;
Performances intrinsèques de microcapteurs : bruit, technologie, matériaux à propriétés remarquables ;
Capteurs magnétiques et bolométriques à grande dynamique en environnement bruyant.
Ces thèmes sont interdépendants. Le premier, de par son activité même, sera parfaitement au fait des évolutions critiques des composants et circuits à semiconducteurs, dont les plus intéressants pourront être plus facilement utilisables par les deux autres thèmes. Le second thème, central, suit de près les évolutions des matériaux nouveaux pour l’électronique. Des dispositifs capteurs de type bolométrique ou magnétique sont élaborés, permettant de préciser les potentialités des matériaux, sous conditionnement compatible avec les opérations courantes de microélectronique. Ils veillent, entre autres, à l’adaptation aux circuits classiques sur Silicium. L’optimisation du couplage de signaux divers à des magnétomètres à haute sensibilité ou à des microbolomètres constitue l’activité essentielle du troisième thème de l’équipe.
Notons que les choix des grandeurs de base mesurées (énergie et champ magnétique) par les capteurs réalisés grâce à l’activité des acteurs du thème 2, permettent aux acteurs du thème 3 une assez grande variété d’applications suivant les moyens de couplage adoptés. A côté de la maîtrise du couplage, viennent s’ajouter des activités en traitement analogique et numérique des signaux bruités, suivant la stratégie nécessaire à développer et dépendant de l’application mise en œuvre.
7–4
Liens avec les autres équipes
Le lien avec les autres équipes de l’unité représente une part mineure de l’activité de l’équipe Instrumentation. Notons cependant deux actions, l’une avec J. Fadili de l’équipe Image, et la seconde avec E. Pigeon du laboratoire d’automatique et des procédés, en principe nouvelle équipe du GREYC. Ces actions, initiées par le thème « Capteurs magnétiques et bolométriques à grande dynamique en environnement bruyant », seront décrites dans le paragraphe décrivant ces activités.
7–5
Bilan synthétique par rapport aux perpectives 1999
Rappels des objectifs
Bilan résumé et commentaires
Magnétométrie vectorielle haute sensibilité  applications
 Magnétocardiographie : démonstrateur de système opérationnel en milieu ouvert, portable.
 Evaluation non destructive.
 Microimagerie magnétique.
7–5
 Diagnostic de vieillissement d'aciers austénoferritiques.
 Confirmation du peu d’écart de performances entre celles d’un SQUID HTc en milieu ouvert et des capteurs à 300 K
 Faisabilité de la mesure du magnétisme intracardiaque par sonde à fil amorphe magnétique ?
 Mise en place du banc avec courants de Foucault, démonstration avec GMR.
 Mise en place d’un banc d’imagerie à couche magnétooptique par effet Faraday.
 Mise en évidence de pénétration de champ dans les boucles de courant des SQUIDs et de l’inhomogénéïté de couches supraconductrices.
 Collaboration internationale : Université de Birmingham (UK) et Royal Institute of Technology (Sweden).
 Qualification du magnétomètre utilisé par le CEA.
Magnétométrie absolue à haute sensibilité
 Qualification du magnétomètre JFM en absolu.
 Mieux cerner l’origine physique de bruit excédentaire dans des dispositifs à film mince supraconducteur.
 Poursuite du développement du système de mesure amagnétique d’Aignerville.
 Existence d’offsets liés à la géométrie et aux vortex piégés dans le supraconducteur, étude en cours.
 Etudes de corrélation entre dispositifs partageant un concentrateur supraconducteur commun.
 Compensation du champ magnétique terrestre, à partir de quelque nT, stabilité 500 pTpp.
 Travaux de magnétométrie absolue par résonance magnétique nucléaire d’3He.
Bruit excédentaire des composants semiconducteurs et hybrides
 Structures bipolaires intégrées "double poly" , activité contractuelle avec Philips Composants.
 Diversifier les techniques d’analyse
 Origine du bruit dans les transistors à effet de champ (MOS monocristallin ou TFT polycristallin) : bruit de mobilité,  Analyse des technologies QUBiC 3 et QUBiC 4, effets géométriques.
 Mesures capacitives, en particulier transitoires (DLTS).
 Bruit de piégeage dans les TFT polycristallin à forte tension de grille, influence des barrières de potentiel à faible tension de grille.
bruit de piégeage.
Microsystèmes refroidis hybrides supraconducteur/semiconducteurs, microtechnologies.
 Structure amplificatrice refroidie : déposer une couche d'YBCO sur un substrat de Si possédant un transistor.
 Développement de la technologie de dépôt d’oxydes métalliques sur substrat de Silicium.
 Fonctionnement à froid du circuit semiconducteur et choix du transistors.
 Tenue de contacts électriques réalisés préalablement au dépôt d’YBCO : un verrou technologique ?
 Banc de dépôt (PLD) opérationel avril 2001.
 Réalisations sur SrTiO3 : bolomètres, Jonction Josephson et SQUIDs sur bicristaux.
 Dépôt de couches de Manganites LSMO sur SrTiO3 (TCR 2 %) étude du bruit en cours.
 Dépôt YSZ/Si.
Bolométrie
 Application de structures multicouches (Supra  Isolant)nfois aux détecteurs microbolométriques.
7–6
 Réalisation d’un radiomètre absolu à membrane.
 Faisabilité de détecteurs associés en chaîne/matrice (prévision à long terme).
 Intérêt limité de l’effet de découplage thermique par structure multicouche (facteur 6).
 Tentative d’amélioration par utilisation de film de NBCO à ultrafaible rugosité mais verrou technologique : le matériau supporte mal les étapes de photolithographie et usinage.
 Travaux sur contrôle de température ultra faible bruit : déviation standard ≅ 25 µKrms sur durée de 3 heures avec thermomètres Pt100 à 1mA.
 Déviation standard de 2,5 – 3,0 µKrms sur 600s de mesure et des thermomètres d’YBCO à 90 K, limité par le bruit excédentaire TBF de l’YBCO.
 Membranes du radiomètre en cours d’usinage.
 Travail non entamé, car nécessitant au préalable la maîtrise de techniques d’hybridation oxydes/semiconducteurs.
Modélisation
 Traiter des circuits de taille maximale d'au moins 300x300µm2.
 Introduire dans la méthode des éléments finis la cohérence de phase entre électrodes supraconductrices de Jonction Josephson.
 Modélisation de champ magnétique associé aux vortex et aide à l’interprétation d’images électrooptique, électro
thermique...
 Mise en œuvre éléments interfaciaux, éléments coques, éléments infinis : objectif atteint.
 Condition de quantification du fluxoïde prise en compte.
 Programmation de la résolution des équations de GinburgLandau.
7–3. Thèmes de recherche
7–3.1. Thème "Physique et modèles de fluctuations dans les composants à semi
conducteurs"
Participants :
Responsable : Laurent Pichon.
Membres permanents : Régis Carin, Daniel Bloyet, JeanMarc Routoure, Pierre Langlois, Christophe Cordier.
Doctorants : Isabelle Lartigau, Nicolas Valdaperez, Abdelmalek Boukhenoufa.
Mots clés : silicium mono et polycristallin, circuits intégrés BiCMOS et SOI, transistors bipolaires, transistors MOS, transistors en couches minces (TFT), bruit excédentaire basse fréquence.
Résumé : le transport des porteurs de courant électrique et ses fluctuations (bruit excédentaire basse fréquence) sont analysés dans des composants de technologies les plus récentes afin d’élucider les mécanismes physiques et de définir des indicateurs qualifiant les procédés de fabrication. 7–3.1.1. Objectifs
Les mesures de bruit excédentaire dans les composants électroniques sont des indicateurs des défauts présents dans le volume des zones semiconductrices et plus particulièrement aux interfaces (joints de grains du matériau polycristallin, interface poly/monocristallin, interfaces avec les oxydes de grille ou d’isolation, zones de prises de contacts métalliques).
Un premier objectif est la compréhension des phénomènes physiques se produisant lors du transport des porteurs dans des composants (résistances, diodes, transistors bipolaires, transistors à effet de champ) qui utilisent de plus en plus de matériaux polycristallins et pour lesquels l’incidence des interfaces devient prépondérante. De ce point de vue, la modélisation des phénomènes observés est amenée à se développer. La détermination des densités d’états d’interface doit en particulier être approchée par la mise en œuvre de plusieurs types de mesures (bruit en 1/f, caractérisation statique, mesures capacitives).
Un deuxième objectif est de corréler les caractéristiques de bruit aux conditions technologiques de réalisation des composants. Dans le cas des composants industriels, ces mesures sont des indicateurs des sources de bruit dominantes intrinsèques donc des qualités des diverses technologies. Elles renseignent sur les dérives des procédés et apportent des compléments très importants aux autres tests effectués par échantillonnage sur les chaînes de production. En ce qui concerne les composants fabriqués en milieu universitaire, ces mesures permettent de qualifier les meilleurs procédés technologiques.
Un troisième objectif concerne plus particulièrement les composants industriels et est lié à la démarche contractuelle avec l’entreprise Philips Semiconductors qui a été le moteur initial du développement de ce thème au laboratoire. La bonne reconnaissance dont jouit l’équipe Instrumentation auprès de cet industriel conduit ce dernier à privilégier les analyses effectuées au GREYC pour bâtir certains modèles de bruit excédentaires utilisés dans les logiciels de simulation du fonctionnement des circuits électroniques.
Les études réalisées dans ce thème s’appuient sur les compétences et outils développés au sein du laboratoire (dispositifs expérimentaux de mesures statiques et d’analyse du bruit excédentaire à basse 7–7
fréquence), sur les matériels acquis récemment (machines sous pointes permettant de caractériser des composants non encapsulés à diverses températures), sur le développement de nouvelles compétences (modélisation, analyse capacitive en transitoire DLTS).
Ces études sont rendues possibles par des collaborations menées à la fois pour l’analyse du bruit excédentaire (Universités de Montpellier, de Eindhoven, de Grenoble) et pour la réalisation technologique (Philips Semiconductors, Université de Rennes, IMEC).
Les résultats obtenus dans la période 19992002 (paragraphe 7–3.1.2.) montrent que cette thématique, qui apparaissait en émergence dans le dossier quadriennal présenté en 1999, est arrivée à un stade de maturité avec une production globale sur la période de 12 articles de revues internationales (et un soumis), un chapitre de livre, une conférence invitée, 5 communications à conférences internationales avec comité de lecture et actes et 6 autres conférences.
Une première activité est issue de la collaboration industrielle avec Philips Semiconductors et concerne les circuits intégrés de technologies BiCMOS destinés à des applications hautes fréquences : elle est décrite en A. Une deuxième activité, développée en B, porte sur l’analyse des caractéristiques statiques et de bruit excédentaire de transistors en couches minces en silicium polycristallin. La troisième activité, présentée en C, a été rendue possible par les relations entretenues avec le LERMAT, laboratoire de l’ISMRA spécialisé dans l’étude de matériaux comme le silicium nanocristallin ou le carbure de silicium.
7–3.1.2. Résultats
A. Bruit excédentaire basse fréquence dans les composants industriels (circuits intégrés de technologies récentes BiCMOS et SOI)
L’analyse du bruit excédentaire observé pour différentes valeurs de la densité de courant de base dans les transistors bipolaires NPN à émetteur polycristallin des divers procédés BiCMOS de type « simple poly » (ce qui signifie que seul l’émetteur possède une extension polycristalline, mais pas la base), a permis de mettre en évidence les diverses contributions du bruit en 1/f : effet tunnel à travers l’interface oxydée poly/mono de l’émetteur, bruit de diffusion, recombinaison des porteurs aux contacts métalliques. La contribution de l’oxyde interfacial est prépondérante à fort niveau de courant et cela permet de qualifier la technologie par la mesure du bruit. De plus, l’analyse des divers procédés (dénommés par Philips : BiMOS2, QUBIC1, QUBIC2) et de différentes géométries montre une certaine dépendance entre le bruit et la surface de jonction [7A24]. La simulation des résultats obtenus a permis de montrer que les modèles de composants habituellement utilisés ne conviennent pas et qu’il est indispensable de prendre en compte la non uniformité de la densité de courant et d’employer un modèle distribué pour la résistance d’accès à la base [7A25].
L’attention s’est ensuite plus particulièrement portée sur le bruit excédentaire observé dans les transistors NPN lorsque la densité de courant de base est faible et dominée par les mécanismes de recombinaison de porteurs dans la zone de charge d’espace émetteurbase (ce régime se distingue à faible niveau de courant sur la courbe de Gummel log(I B)  VBE par une pente plus petite d’un facteur 2 par rapport à la pente idéale). Pour les procédés BiCMOS « simple poly » étudiés, on peut alors observer un comportement particulier de la densité de bruit liée, dans ce régime, à la prépondérance des mécanismes de recombinaison par rapport à l’effet tunnel à travers l’oxyde interfacial. L’analyse effectuée pour diverses géométries a montré que ce bruit excédentaire est lié à des recombinaisons se produisant à la périphérie de la zone de charge d’espace émetteurbase et a mis en évidence l’influence exercée par la présence ou non d’un mur d’oxyde bordant cette périphérie [7A29].
7–8
Les résultats précédents feront l’objet de la thèse de Nicolas Valdaperez (soutenance fin 2002) qui portera également sur des résultats obtenus dans des technologies BiCMOS plus récentes de type « double poly » (émetteurs et bases des NPN présentent des extensions polycristallines). Ces procédés font apparaître des avantages et des inconvénients par rapport au « simple poly ». Le bruit excédentaire de recombinaison à bas niveau de courant de base est en particulier plus difficile à observer [7A29]. Dans un tel procédé « double poly », on cherche à atteindre des fréquences de transition plus élevées et cela passe par la réduction des dimensions des composants. Cela s’accompagne de dépendances géométriques inattendues aussi bien au niveau des paramètres statiques que du bruit excédentaire. L’analyse de NPN double poly a été effectuée pour diverses géométries et a confirmé l’existence, pour des largeurs d’émetteur inférieures au µm, d’effets liés à la non homogénéité de l’épaisseur du poly et par voie de conséquence des dopages. Le bruit excédentaire, qui est ici principalement dû à l’oxyde interfacial poly/mono de l’émetteur, présente une dépendance géométrique liée à une épaisseur non uniforme de cet oxyde, vraisemblablement plus épaisse en périphérie [7E14]. Cet effet particulièrement sensible pour les faibles largeurs d’émetteurs est en cours de modélisation.
Parallèlement à l’étude des transistors bipolaires se poursuivent des analyses de bruit dans d’autres composants de technologie intégrée, résistances intégrées et transistors à effet de champ de type MOS (cf. paragraphe 7–5.1. décrivant les actions contractuelles avec Philips Semiconductors). En particulier, nos travaux sur différents types de résistances intégrées (poly dopé N, poly dopé P, monocristallin) ont permis de montrer que l’influence du bruit de contact n’est pas négligeable. Un modèle compact simple n’utilisant que trois paramètres pour quantifier le niveau de bruit excédentaire des résistances a été développé à cette occasion et fera l’objet d’une publication (en préparation).
Un autre sujet en développement concerne en particulier les transistors MOS de technologie SOI (ce qui signifie que la couche active de silicium monocristallin est isolée du substrat par une couche d’oxyde). Les SOI étudiés en liaison avec Philips sont sur substrats SMARTCUT. Les analyses effectuées montrent que le bruit observé dans les NMOS et les PMOS de technologie SOI a un comportement analogue à celui observé pour les MOS de technologie traditionnelle sur silicium massif, que ce soit en fonction des tensions de grilles ou en fonction de la température. Il se confirme en particulier que le bruit excédentaire du canal, dominant à faible tension de grille, peut être interprété par un modèle de Hooge (fluctuations de mobilité) pour les PMOS et par un modèle de McWorther (fluctuations par piégeagedépiégeage de porteurs) pour les NMOS. D’un point de vue quantitatif, le bruit des MOS  SOI est trouvé supérieur à celui des MOS traditionnels dans un rapport de moins d’une décade pour les NMOS et d’environ deux décades pour les PMOS [7E4]. Cette étude est en cours d’extension à d’autres composants SOI dans le cadre d’une collaboration avec l’IMEC (Louvain, Belgique).
B. Conduction statique et bruit excédentaire dans les transistors en couches minces de silicium polycristallin (Thin film transistor "TFT") Ce travail est effectué en collaboration avec le Groupe de Microélectronique de l’Université de Rennes qui réalise les TFT et mène certaines caractérisations statiques en parallèle avec celles du GREYC. Au fil des progrès technologiques réalisés, plusieurs familles de TFT ont été étudiées. Le procédé initial est appelé « bicouche » car résultant de deux dépôts successifs de silicium polycristallin, le premier peu dopé pour la zone active de canal du transistor, le second fort dopé pour les prises de contacts de source et de drain. Ce procédé conduit à des zones d’interfaces qui sont évitées dans le procédé amélioré appelé « monocouche » : la couche active ainsi que les zones de source et de drain sont réalisées à partir d’un seul dépôt. Le silicium de la couche active est déposé amorphe et devient polycristallin grâce à un recuit qui est obtenu par chauffage dans un four (Solid Phase Crystallisation "SPC") ou plus récemment, dans le cas des structures « bicouche », 7–9
par exposition au faisceau d’un laser excimère (Liquid Phase Crystallisation "LPC"). Divers autres traitements peuvent aussi être mis en œuvre (hydrogénation...) [7H2].
Les mécanismes de conduction lorsque le transistor est bloqué ou faiblement conducteur reflètent la situation physique interne du TFT. Ces mécanismes ont en particulier été analysés à l’état bloquant sur les TFT recuits "SPC" non hydrogénés par une étude approfondie en fonction de la tension de polarisation et de la température. Il a été montré qu’à forte polarisation, la conduction se fait par émission thermique amplifiée par effet PooleFrenkel pour les TFT « monocouches » et par émission thermoionique assistée par champ pour les TFT « bicouches » [7A18]. Par la suite, une étude comparative du comportement électrique a été menée dans la région sous le seuil de conduction en fonction du type de recuit. Dans le cas des TFT "SPC", un comportement de type MeyerNeldel a été mis en évidence au contraire du cas des TFT "laser". Ces résultats sont expliqués par la répartition des défauts dans la couche active de silicium polycristallin, vraisemblablement concentrée sur les joints de grains pour le recuit laser et plus étalée dans les grains pour le recuit "SPC" [7A16, 7A17].
La comparaison entre les deux types de recuits a été poursuivie dans le régime au dessus du seuil de conduction des TFT. A partir des mesures, effectuées à différentes températures, du courant de drain en fonction de la tension de grille, les énergies d’activation associées aux barrières de potentiel situées aux joints de grains ont été déterminées et les densités de défauts ont été évaluées [7B21].
Plus récemment, le comportement de type MeyerNeldel a été exploré pour une plus grande variété de TFT correspondant à une grande diversité de conditions technologiques. Les énergies caractéristiques de MeyerNeldel qui en résultent valent 0,051 eV pour un TFT en silicium amorphe et, pour les TFT polycristallins, de 0,041 à 0,063 eV lorsque la pression de dépôt varie de 10 à 90 Pa. Un traitement de passivation par hydrogénation conduit à réduire cette énergie. L’interprétation précise en termes de répartition spatiale et en énergie des défauts reste à préciser mais il est clair que le paramètre de MeyerNeldel peut être utilisé comme un indicateur pour qualifier la technologie de fabrication des TFT [7E7, 7S2]. Dans le cadre d’un stage de DEA, cette méthode d’analyse vient d’être étendue de façon fructueuse à des transistors NMOS et PMOS.
Le bruit excédentaire basse fréquence des TFT en silicium polycristallin a été analysé dans le régime au dessus du seuil de conduction [7T8]. Il a d’abord été montré que pour les structures de type « bicouche », vraisemblablement à cause des interfaces aux contacts de source et drain, les résistances d’accès ont des valeurs élevées produisant un niveau de bruit dominant pour les fortes tensions de grille (au dessus de 4 volts). Dans les structures de type « monocouche » en revanche, la contribution des résistances d’accès est négligeable et le bruit mesuré peut être entièrement attribué au canal du TFT [7A12]. Dans ce cas, l’analyse a été menée en fonction de la tension de grille à la fois pour la conduction statique du canal et pour la densité de bruit excédentaire. Pour chacune des deux grandeurs, il a été mis en évidence deux comportements différents suivant que la tension de grille est inférieure ou supérieure à environ 2 volts. Ce changement de comportement est lié à l’abaissement, au niveau du canal de conduction, des barrières de potentiel situées aux joints de grains de la couche active de silicium polycristallin. A faible tension de grille, le mécanisme de conduction est l’émission thermoionique par dessus ces barrières qui sont hautes. A forte tension de grille, les barrières s’effacent et c’est alors la diffusion à l’interface canal/oxyde de grille qui limite le courant [7B17].
La même corrélation entre conduction et paramètre de bruit excédentaire a été observée pour tous les TFT analysés. Cependant, la valeur plus ou moins élevée des résistances d’accès et la valeur du niveau de bruit du canal sont différentes d’une technologie à une autre et constituent des facteurs discriminants permettant de définir des classes de qualité des TFT [7I1]. A l’heure actuelle, ce sont les TFT « bicouche » recuits laser qui présentent le meilleur indice de qualité : leur niveau de bruit est situé à une décade et demie en dessous des « monocouche » et, sans doute à cause de la forte 7–10
rugosité de la couche active induite par le recuit laser, les résistances d’accès sont extrêmement faibles [7B16].
Les sources à l’origine du bruit excédentaire du canal ont été explorées à l’aide d’une étude en fonction de la température. La dépendance observée à tension de grille fixée montre que la densité de bruit est thermiquement désactivée avec une énergie caractéristique voisine de l’énergie d’activation du courant statique de drain [7L1]. Ceci indique que le bruit du canal subit l’influence des barrières de potentiel situées aux joints de grains, probablement par l’effet du champ d’impédance propageant les fluctuations locales jusqu’aux bornes extérieures du transistor. Les sources locales de bruit peuvent alors être interprétées comme liées à des fluctuations de la hauteur des barrières, produisant des inhomogénéités dans le flux de porteurs [7A13]. Un modèle analogue de bruit en 1/f a été développé pour des résistances inhomogènes [7A10]. Cependant, à forte polarisation, quand les barrières s’effacent, le canal du TFT peut être considéré homogène comme celui d’un MOSFET. La dépendance observée du paramètre de bruit avec la tension de grille est alors conforme au modèle de Mc Worther ce qui suggère que les sources locales de fluctuations sont associées au piégeagedépiégeage des porteurs sur des niveaux profonds [7L1]. Par ailleurs, il a été montré que l’hydrogénation des TFT a pour effet de réduire le niveau de bruit excédentaire, ce qui corrobore l’incidence des défauts profonds, localisés à l’interface canal/oxyde de grille ou aux joints de grains, sur le bruit des TFT [7A11].
C. Hétérostructures Si monocristallin/SiC nanocristallin
Des hétérostructures ont été réalisées sur des substrats de silicium monocristallin de type P par dépôt de films minces de carbure de silicium hydrogéné. Le carbure de silicium a été déposé au LERMAT, et les dispositifs ont été réalisés dans le Groupe de Microélectronique (IETR Rennes).
Les études ont porté sur la faisabilité et la caractérisation électrique statique de tels composants élaborés à partir de couches de SiC déposées à différentes températures (200°C600°C), avec des électrodes d’aluminium.
Les résultats ont permis de mettre en évidence des propriétés de redressement intéressantes des diodes obtenues et un courant de fuite assez faible optimisé pour les couches déposées à 600°C. L’analyse du courant dans le régime de faible injection a permis de mettre en évidence la prédominance des processus de générationrecombinaison comme phénomènes responsables de la conduction à ce niveau de polarisation. De plus, une étude en fonction de la température (20°C100°C) a aussi montré que l’émission thermique favorisée par effet PooleFrenkel est le processus dominant dans la conduction en inverse [7A7, 7A8].
7–3.1.3. Perspectives
A. Caractérisations électriques statiques et en bruit de fond de dispositifs (TFTs, MOSFETs, hétérojonctions...)
Il s’agit de poursuivre les études sur la conduction électrique et les mesures de bruit de fond dans des composants en vue de qualifier les technologies de fabrications développées soit par des industriels (Philips Caen...) soit par des laboratoires universitaires (GM IETR…).
Filères universitaires
7–11
Nous poursuivrons les études sur les TFTs déjà engagées au GREYC dans le cadre de la thèse de A. Mercha soutenue en décembre 2000. L’ensemble de ces travaux a pour but de localiser les différentes sources de bruit et d’estimer leur contribution active dans les TFTs. Ainsi, des études complémentaires en mesures de bruit basse fréquence sous le seuil de conduction et en régime bloqué seront menées. L’intérêt des mesures sous le seuil sera de permettre d'estimer l’impact des défauts situés dans le volume de la couche active sur le niveau de bruit basse fréquence, par rapport à celuici déjà estimé au dessus du seuil en régime linéaire et pour lequel les défauts à l’interface semblent jouer un rôle majeur. En ce qui concerne les mesures en régime de saturation, le but est d’estimer l’effet du bruit de la jonction de drain par rapport à celui des résistances d’accès, et d’évaluer l’effet des défauts présents au niveau du drain sur le niveau du bruit.
Par ailleurs, suite à la collaboration déjà engagée avec le LERMAT (FRE 2149), la réalisation d’hétérojonctions Simono/SiCnanoT, devrait nous amener à débuter des mesures de bruit basse fréquence sur ce type de dispositifs. L’intérêt sera de détecter une éventuelle corrélation entre le niveau de bruit basse fréquence et la qualité de l’interface SiCnano/Simono et/ou de celle du SiCnano.
Outre la qualification de procédés technologiques par ces mesures de bruit de fond dans ces composants, ces études apporteront des réponses complémentaires aux travaux déjà existants.
Filières industrielles
Il est bien évidemment difficile de prédire quelles seront, dans quelques années, les demandes des industriels ou plus exactement, quels seront les types de composants qu'il sera nécessaire d'étudier. On peut peutêtre prédire un intérêt moindre pour les transistors bipolaires et un intérêt persistant pour les transistors de type MOS.
En ce qui concerne le laboratoire, il est souhaitable, dans les prochaines années, d'étendre nos collaborations à d'autres interlocuteurs que Philips Composants en mettant en avant notre savoir
faire et nos acquis sur la mesure de bruit basse fréquence sous pointes et à température variable. Une collaboration de trois ans avec la société ATMEL (Nantes) dans le cadre d'une thèse est en projet. Le travail s’inscrira dans la qualification par des mesures de bruit basse fréquence des filières technologiques (BICMOS) développées par l’industriel.
Par ailleurs, l'identification des sources de bruit dans les transistors bipolaires dans différents régimes de fonctionnement ainsi que l'influence de la technologie de réalisation de ces dispositifs sur le bruit sont des points bien maîtrisés au laboratoire. Pour valider les modèles microscopiques utilisés, il sera intéressant de faire varier la température des échantillons afin de confirmer les modèles microscopiques utilisés pour chacune des sources de bruit identifiées dans le transistor bipolaire.
Il n'en est pas de même pour les transistors MOS pour lesquels les analyses actuelles ne portent que sur des composants polarisés en régime linéaire. Il sera nécessaire d'étendre nos investigations aux autres modes de fonctionnement du composant. De plus, des études en température seront à mener pour mettre en évidence et quantifier les mécanismes de piégeage
dépiégeage des porteurs intervenant soit à l'interface silicium/oxyde, soit dans la couche active même.
Enfin pour affirmer cette activité encore récente au laboratoire, nous poursuivrons la mise en place de techniques de caractérisation de défauts par des mesures électriques non destructives des composants (DLTS  Deep Level Transient Spectroscopy , C(V)...). Nous tâcherons de développer les collaborations permettant de vérifier, par des caractérisations physiques, les résultats obtenus.
7–12
B. Réalisations technologiques de dispositifs Nous envisageons de prolonger et d’approfondir les études de faisabilité des hétérojonctions Si
mono/SiCnano, des résistances intégrées et des TFTs en silicium nanocristallin ; le laboratoire LERMAT ayant développé des compétences en matière de dépôt de couches minces de SiCnano et Sinano par pulvérisation réactive magnétron. Par ailleurs, nous envisageons l’élaboration de bidiodes sur membrane de silicium en vue de la réalisation de capteur à infrarouge lointain.
Pour ces réalisations, il serait intéressant que le GREYC améliore ses compétences déjà existantes en matière de photolithogravure nécessaire à la fabrication de dispositifs. En ce sens nous projetons l’acquisition d’une centrale productrice d’eau désionisée, ainsi que d’un graveur plasma (RIE) en collaboration avec le LERMAT dans le cadre d'une demande de programme pluriformation.
L’ensemble des ces réalisations technologiques seront possibles avec le concours du GM de l’IETR ou de l’IEMN (Institut de Microélectronique du Nord), laboratoires possédant les compétences complémentaires à celles du site Caennais, en matière de technologies microélectronique et d’élaboration de composants.
C. Modélisation de la conduction dans des couches semiconductrices perturbées
Pour appuyer l’interprétation des mécanismes de conduction ainsi que des sources de bruit dans les couches poly ou nanocristallines, nous envisageons de décrire précisément le comportement des porteurs de charge dans les semiconducteurs. Notre étude devra permettre à terme de modéliser l’influence de joints de grains et d’interfaces.
La première étape de nos travaux va consister à déterminer la méthode numérique la plus adaptée à la résolution des équations différentielles qui régissent les flux de porteurs. Les principales méthodes que nous allons examiner sont la méthode des éléments finis et celle de Monte Carlo. Une fois que nous aurons programmé la méthode la plus appropriée aux modèles physiques que nous aurons choisis ("drift diffusion", hydrodynamiques ou quantiques), nous validerons nos modèles numériques en déterminant les paramètres statiques de quelques composants fondamentaux (diodes, MOSFET...) et en les comparant à des mesures sur nos composants. Finalement, nous approfondirons notre étude par la modélisation des sources de bruit possibles, en particulier, les fluctuations de densité de porteurs et les fluctuations de la mobilité des porteurs. Nous chercherons à prévoir les domaines de fonctionnement du composant ou chaque type de source est prépondérant. Ces résultats seront confrontés aux mesures de bruit effectuées dans l’équipe instrumentation du GREYC. L’intérêt scientifique majeur serait d’aboutir à une compréhension plus approfondie de l’origine du bruit basse fréquence ainsi que des mécanismes responsables dans une couche semiconductrice fortement perturbée.
7–3.1.4. Interactions avec les autres thèmes et/ou équipes

LERMAT (Laboratoire d'Etude et de Recherches sur les Matériaux  FRE 2149).

Montpellier : CEM2 (Centre d'Electronique et de Microopto électronique.de Montpellier)  UMR 5507 CNRS.

Rennes : GMV de L'ETR (Groupe d'électronique et de télécommunications de Rennes) UMR CNRS 6164.

Nantes : IMN  Institut des matériaux Jean Rouxel  UMR CNRS 6502.
7–13

Cherbourg : LUSAC
Une collaboration existe de façon suivie avec le Laboratoire Universitaire de Sciences Appliquées de Cherbourg (LUSAC) autour d’une activité contractuelle impliquant l’entreprise BOLLORE de Quimper. Cette dernière fabrique des films isolants destinés à des condensateurs de puissance et l’objet de la convention de recherche est de déterminer, par une méthode non destructive, les profils de densités de charges d’espace présentes dans les films. Les charges d’isolants étant des indicateurs de la dégradation avant claquage électrique des condensateurs, l’objectif est à la fois de qualifier les procédés de fabrication et de déceler des dérives liées au vieillissement et aux contraintes en utilisation (température et tension). La méthode d’analyse non destructive employée est la méthode de l’onde thermique qui a été développée dans des isolants épais à l’Université de Montpellier. Cette méthode, qui consiste à appliquer une impulsion thermique sur une des faces de l’isolant et à mesurer le transfert de courant externe entre les électrodes, a été adaptée à des isolants de quelques dizaines de µm grâce à quelques améliorations expérimentales (configuration en électrode « semiinfinie ») et de traitement du signal [7E8, 7E9, 7E10]. Une amélioration encore plus significative a été obtenue en appliquant une excitation thermique alternative produite par un module à effet Peltier : l’analyse du signal établi sur plusieurs dizaines de périodes est alors adaptée à des épaisseurs d’isolant aussi faibles que 6 µm [7A19, 7A20, 7B22], c’estàdire aux films utilisés dans les condensateurs. L’objectif de faisabilité de l’analyse étant atteint, la qualification des procédés va pouvoir être développée dans un nouveau contrat.
7–3.2. Thème "Performances intrinsèques de microcapteurs : bruit, technologie, matériaux à propriétés remarquables"
Participants :
Membres permanents : Laurence Méchin, Stéphane Flament, Daniel Bloyet, Chantal Gunther, Marc Lam Chok Sing, JeanMarc Routoure, Christophe Cordier, Christian Dubuc.
Doctorants : Guillaume Huot, Fan Yang, Xavier Ridereau.
Mots clés : microcapteurs, films minces, bruit, microtechnologie, supraconducteurs à haute température critique, manganites.
Résumé : les motivations des travaux rassemblés dans ce thème sont l'amélioration des performances intrinsèques de microcapteurs par l'utilisation de matériaux aux propriétés remarquables et par l'amélioration (au sein même du laboratoire ou dans le cadre de collaborations) de la qualité des procédés d'élaboration technologique. Différents outils et méthodes de caractérisation fine sont développés et utilisés : étude du bruit excédentaire, modélisation par éléments finis, imagerie magnétooptique et OBIV.
7–3.2.1. Objectifs
Les motivations des travaux rassemblés dans ce thème sont l'amélioration des performances intrinsèques de microcapteurs :


par l'utilisation de matériaux aux propriétés remarquables : supraconducteurs à haute température critique (YBa2Cu3O7δ , noté YBCO), manganites (La0.7Sr0.3MnO3, noté LSMO), Giant MagnetoInductance (GMI), etc. ;
par l'amélioration de la qualité des procédés d'élaboration technologique, ce qui nécessite un effort technologique important ;
7–14


par l'intégration éventuelle de ces capteurs originaux avec une électronique sur silicium ;
par l'étude du bruit excédentaire à basse fréquence.
Les résultats obtenus sur la période 19992003 sont décrits au paragraphe 7–3.2.2. Le paragraphe 7–
3.2.6. expose les perspectives propres au thème.
7–3.2.2. Résultats
Les résultats obtenus sur la période 19992003 soulignent l'effort technologique accompli avec l'installation d'un banc de dépôt de couches minces par ablation laser pulsée (paragraphe A). La qualité du procédé d'élaboration est un paramètre important pour l'optimisation d'un capteur, au même titre que la compréhension de la physique de base. Pour cela, différents outils ou méthodes d'analyse ont été développés et utilisés. L'étude du bruit excédentaire est un des domaines de compétences du laboratoire depuis sa création. C'est un outil de choix car il renseigne très finement sur la qualité de la technologie et sur les mécanismes mis en jeu. L'effet des vortex sur les performances d'un magnétomètre à SQUID a été particulièrement étudié (paragraphe B). Une nouvelle thématique concernant les microcapteurs en couches minces de manganites est apparue en octobre 2001 (paragraphe C). Enfin, lors de la conception des microcapteurs, une importance particulière est portée sur l'utilisation du silicium comme substrat de manière à faciliter l'intégration de dispositifs de l'électronique semiconductrice avec le capteur et éventuellement la réalisation de membranes. Une amélioration globale des performances du capteur et la réalisation de matrices sont en effet attendues grâce à la proximité de l'électronique d'amplification et de traitement du signal (paragraphe D).
A. Banc de dépôt par ablation laser pulsée pour le dépôt de couches minces d'oxydes au GREYC
La plupart des matériaux utilisés étant nouveaux, une part importante du travail de conception du capteur consiste à savoir les conditionner sous la forme voulue (couches minces déposées sur un substrat particulier et gravées dans une géométrie optimisée). Les perspectives 20002003 de l'équipe soulignaient en effet la nécessité d'un effort technologique important afin de permettre la réalisation de dispositifs plus complexes, avec une meilleure reproductibilité et une plus grande diversité de matériaux. Celuici a été accompli avec d'une part l'installation d'un banc de dépôt par ablation laser pulsée et d'autre part une organisation différente de l'activité grâce à l'obtention d'un poste de chargé de recherche (octobre 2001) et l'arrivée d'un technicien à temps plein (décembre 2001). Parmi les priorités annoncées, la fabrication de jonctions Josephson sur rampe et de dispositifs sur plusieurs niveaux n'a pas progressé car le banc de dépôt n'a pas été opérationnel suffisamment tôt pour permettre de mener l'étude. Cependant, deux actions préparatoires ont été menées afin d'améliorer l'utilisation du spectromètre de masse nécessaire à la détection de fin d'attaque. La première a permis la mise en place d'une méthode de traitement numérique des données issues du spectromètre de masse installé sur le graveur ionique. La seconde a concerné l'analyse des spectres de masse lors de la gravure permettant d'identifier l'espèce ionique caractéristique des matériaux gravés.
Jusqu'à la mise en place du banc de dépôt au GREYC, les couches minces nécessaires aux différents projets du laboratoire provenaient du CRISMAT (Laboratoire de Cristallographie et des Matériaux de l'ISMRA). Le dépôt des couches au GREYC permet, à un instant donné, une plus grande liberté dans le choix des matériaux, de leurs caractéristiques, de leur épaisseur, etc. La technique de dépôt par ablation laser pulsée est bien adaptée aux dépôts de matériaux multiéléments. Elle permet le dépôt sous atmosphère d'oxygène ou sous vide (indispensable pour les dépôts d'oxydes épitaxiés sur Si) et est rapide (réduit les réactions à l'interface filmsubstrat).
Le système est opérationnel depuis avril 2001. Le laser utilisé est un laser à excimères rempli d'un mélange KrF (248 nm) d'énergie maximale 300 mJ. Le faisceau est focalisé à l'aide d'une lentille sur 7–15
la cible qui permet d'obtenir une densité d'énergie de l'ordre de 12 J/cm2. Le système est équipé d'une pompe turbomoléculaire et comporte 5 cibles (jusqu'à présent : YBCO, LSMO, YSZ, Au). La température maximale du portesubstrat est 720°C et la pression d'oxygène peut être régulée entre 0,2 et 1 mbar. L'automatisation complète du système, qui permettra la gestion d'un cycle de dépôt (contrôle de la température et de la pression, choix des paramètres du laser, début et fin du dépôt, gestion de la position et de la rotation des cibles, position du portesubstrat par rapport à la cible...) est en cours.
Depuis la mise en fonction du banc de dépôt, 47 couches d'YBCO ont été déposées. Elles ont été utilisées pour différents projets du laboratoire dont, la thermométrie, les visualisations magnéto
optique et OBIV, l'étude du bruit excédentaire des SQUID. Quelques couches ont été envoyées à l'Université de Tuebingen (Allemagne). Les conditions de dépôt des films d'YBCO ont été optimisées sur des substrats de SrTiO3 (100). La température du portesubstrat, la pression d'oxygène pendant le dépôt et l'énergie du laser ont été particulièrement considérées. Les couches obtenues présentent une direction de croissance entièrement selon l'axe c et une largeur à mi
hauteur du pic (005) typique de 0,3°. Une statistique sur 29 films montre une valeur moyenne de Tc égale à 89,2 K avec une déviation standard de 1,1 K. La résistivité typique des couches d'épaisseur 150300 nm est de l'ordre de 300 µΩ .cm.
B. Effet des vortex dans les magnétomètres à base de couches minces d'YBCO
1) Technologie
Les SQUID, constitués de deux jonctions Josephson, sont fabriqués par dépôt sur des substrats bicristallins de SrTiO3 (24° et 30°). Nous avons choisi cette technique très répandue car elle ne nécessite qu'un niveau de dépôt, contrairement à la technique classique de fabrication sur rampe. Outre le coût très élevé des substrats qui limite le nombre d'échantillons d'essai, son inconvénient majeur est le manque de reproductibilité des jonctions ainsi obtenues car leurs caractéristiques dépendent très fortement de la qualité du bicristal qui s'avère être très inégale. Avant de pouvoir utiliser notre banc de dépôt, nous avions fait appel à deux laboratoires (Université de Jena et Université de Cambridge) pour la fourniture de couches d'YBCO sur bicristaux, le CRISMAT ayant arrêté ses travaux sur YBCO. Pour des raisons encore inconnues, aucun des échantillons n'avait montré des caractéristiques satisfaisantes après photolithogravure. Jusqu'à présent, nous avons déposé 3 couches d'YBCO sur des substrats bicristallins de SrTiO3 (24° et 30°) dans les conditions optimisées pour les substrats monocristallins. La température critique mesurée avant gravure de chaque côté du joint montre un écart inférieur à 0,5 K et est proche de 89 K. Afin de progresser dans la maîtrise des caractéristiques des SQUID, les 16 SQUID de même dimension de chaque échantillon ont été systématiquement caractérisés à 77 K avant d'être utilisés. Les densités de courant critique de chaque échantillon sont conformes aux résultats de la littérature. Sur un même échantillon, la dispersion des valeurs de courants critiques à 77K est relativement élevée et ne présente aucune cohérence liée à la localisation. Les réponses des SQUID au champ magnétique présentent également une dispersion importante, et nous n'avons pu déterminer de lien avec les valeurs des courants critiques correspondants. Ces résultats semblent donc confirmer que les caractéristiques sont très fortement dépendantes de la qualité du bicristal. Cependant, les SQUID fonctionnent et ont été utilisés pour les mesures de bruit excédentaire liés aux mouvements de vortex.
2) Mesure du bruit excédentaire
La sensibilité des magnétomètres à base de SQUID (notamment ceux qui sont à base de supraconducteurs à haute température critique) est limitée par les fluctuations, liées à la technologie de fabrication, des caractéristiques courant tension des jonctions Josephson qui le composent mais aussi par les mouvements des vortex piégés dans le concentrateur de flux et autres structures supraconductrices associées au SQUID. Si des méthodes de modulation permettent d'annuler les effets des fluctuations des caractéristiques de jonctions qui ne sont pas 7–16
des fluctuations propres de flux, il n'en est pas de même pour le bruit de vortex qui ne peut être séparé du flux magnétique à mesurer. Des solutions ont été proposées il y a quelques années pour réduire le bruit de vortex (flux dam, concentrateurs divisés). Néanmoins, ces solutions ne permettent pas d'annuler le bruit de vortex lorsque le magnétomètre subit des variations de champ d'amplitude importante (mouvements dans le champ terrestre par exemple) après transition. Plusieurs études ont été publiées récemment sur ce sujet.
Nous avons, dans le cadre de la thèse de X. Ridereau, démarré une étude théorique et expérimentale du piégeage des vortex dans les couches minces supraconductrices à haute température critique. Afin de pouvoir mesurer le bruit lié à la présence et au déplacement des vortex dans ces structures supraconductrices, nous avons réalisé une canne à température variable plongeant dans un bain d’hélium liquide, comportant un blindage magnétique supraconducteur en plomb. Le comportement thermique de l’extrémité de la canne de mesure a été modélisé par éléments finis. Nous en avons déduit la fréquence limite des fluctuations thermiques pouvant être corrélées par les capteurs positionnés sur le porte échantillon en saphir. La régulation thermique du porteéchantillon en saphir (permettant d’accueillir un échantillon d’une taille maximale de 1cm*1cm) est assurée par une source lumineuse externe à la canne, dont le flux de lumière est canalisé par un guide d’onde. Ce choix permet de minimiser les perturbations magnétiques liées à l'asservissement de température du porte
échantillon. La gamme de température utilisée est comprise entre 50 K et 100 K avec des fluctuations inférieures à 12 mK crête à crête pour une durée d’observation d’environ 6 heures. Le système permet de procéder à de multiples transitions de l'échantillon sous test puisqu'un cycle de transition "supraconducteur  normal  supraconducteur" ne dure qu'environ 2 minutes. Les mesures du bruit magnétique interne à la canne à l’aide d’un SQUID à basse Tc ont montré un bruit blanc inférieur à 4fT/√Hz pour f > 200 Hz et un bruit inférieur à 160fT/√Hz pour f < 80 Hz. Par ailleurs, l’atténuation du blindage en plomb est supérieure à 26000 pour f < 80 Hz. Un bobinage interne au blindage supraconducteur au plomb permet d'appliquer un champ (< 30*104 Tesla) au capteur pendant ou après sa transition. Cette instrumentation a fait l’objet des publications [7A21], [7A22], [7E12], [7E13].
Comme indiqué plus haut, la sensibilité des capteurs en couches minces supraconductrices à haute Tc est limitée par le bruit basse fréquence résultant des mouvements thermiquement activés des vortex ayant pénétré le film mince au moment ou après sa transition. Afin de pouvoir distinguer le bruit provenant des vortex localisés dans le concentrateur supraconducteur de ceux proches des capteurs, nous avons réalisé des structures comprenant plusieurs SQUID associés au même concentrateur. La corrélation du bruit mesuré simultanément sur deux de ces capteurs permet de différencier le bruit propre du capteur de celui lié au concentrateur et plus finement de différentier l'influence des vortex éloignés du capteur (bruit indirect) de ceux qui en sont proches (bruit direct). Des modulations en champ et en courant sont nécessaires afin de supprimer l'effet des fluctuations des caractéristiques des jonctions.
Le fait d’avoir un concentrateur supraconducteur commun aux 2 capteurs étudiés, complique quelque peu la mesure. En effet, compte tenu de la taille des capteurs (environ 10 µm*50 µm), il n’est pas possible de moduler indépendamment le champ magnétique appliqué à chacun des capteurs. Nous avons choisi d’appliquer le même champ de modulation (40 kHz) aux 2 capteurs. Le courant de polarisation des 2 capteurs est modulé autour de 8 kHz. Chaque capteur est polarisé en alternance à une fréquence d’une centaine de Hz. Après plusieurs étapes de détection synchrone, le bruit de vortex est identifié dans une gamme de fréquence allant du continu jusque environ 50 Hz. La partie électronique permettant de faire ces mesures est achevée. Une étude de cohérence a montré que les bruits magnétiques d'origine thermique (variations en température des caractéristiques des capteurs) ou d'environnement étaient négligeables pour la géométrie actuelle du BiSQUID. Par ailleurs, nous avons constaté le niveau de bruit excédentaire varie fortement en fonction du champ appliqué pendant ou après la transition. Cependant, il n'y a pas de corrélation entre les fluctuations observées en sortie des SQUID, ce qui démontre que le bruit de vortex est d'origine locale (bruit direct) et non véhiculé 7–17
par le courant d'écran du concentrateur. Nos intentions à court terme sont de corréler le niveau de bruit à l'offset créé sur les figures de Fraunhofer par la présence des vortex piégés dans le concentrateur de flux et de modifier la géométrie du concentrateur de flux afin de réduire le bruit direct. Un autre objectif difficile est de visualiser ces vortex par imagerie magnétooptique comme expliqué au paragraphe suivant.
3) Imagerie magnétooptique
La visualisation des vortex piégés dans un supraconducteur est un champ d'activité très actif au plan international. De nombreux résultats ont été publiés notamment sur des supraconducteurs à basse température critique et en utilisant des méthodes de mesure impliquant la mise en œuvre d'un microscope à balayage. Notre intention, basée sur des évaluations numériques réalistes, est de visualiser directement les vortex piégés dans une couche supraconductrice à haute température critique. En pratique le champ magnétique est déduit de la rotation du plan de polarisation subie par la lumière incidente au sein d'une couche magnétooptique à fort effet Faraday posée sur l'échantillon analysé. Le système que nous avons constitué permet de visualiser la composante magnétique perpendiculaire au plan du capteur. Le rapport signal sur bruit de la mesure est de 1 par acquisition et par pixel pour un champ appliqué de 0.1mT. La résolution spatiale est en grande partie déterminée par le gap séparant la couche MO de l'échantillon testé. Elle est actuellement de quelques microns, ce qui ne permet pas d'individualiser les vortex. Nous progressons cependant dans cette direction. Le système a déjà permis d'observer la pénétration préférentielle des vortex au niveau de la boucle des SQUIDs réalisés dans des couches minces d'YBCO [7B6]. Il a aussi permis de démontrer l'inhomogénéité spatiale de la composition d'une couche supraconductrice traduite par les variations correspondantes de sa température de transition. Une collaboration est en cours avec l'université de Birmingham (UK) et le Royal Institute of Technology (Suède) en vue d'utiliser à des fins d'imagerie des couches magnétooptiques déposées par ablation laser pulsée [7B8].
4) Imagerie OBIV (Optical Beam Induced Voltage)
Nous essayons actuellement d'imager la réponse d'un capteur SQUID à haute température critique par imagerie OBIV. Nous utilisons couramment cette technique, qui consiste à observer l'influence d'un échauffement local sur la caractéristique d'un capteur, pour caractériser l'homogénéité de la réponse thermique de nos couches. Cette image devrait nous permettre de visualiser les sites de piégeage des vortex notamment ceux qui sont situés sur le périmètre interne de la boucle supraconductrice formant le SQUID. Des problèmes de bruit d'environnement doivent cependant être résolus au préalable. L'analyse et la compréhension des phénomènes visualisés par la technique OBIV sont en cours.
5) Modélisation par la méthode des éléments finis
Parallèlement à l'ensemble du travail essentiellement expérimental présenté au § 2, nous avons étudié par voie de simulation par éléments finis la distribution du champ et du courant dans les couches minces supraconductrices dans l'état Meissner. Nous avons aussi décrit l'état mixte par résolution des équations de Ginzburg et Landau et appliqué ce travail au calcul de l'aimantation d'une couche supraconductrice. Nous avons pu observer comme résultats de ces simulations la quantification de l'aimantation ainsi que l'arrangement du réseau de vortex en fonction des contraintes imposées par la géométrie du supraconducteur.
La maîtrise de la conception et de l’optimisation des microcircuits supraconducteurs nécessite la cartographie du champ magnétique local et des distributions de courants dans les couches minces associées. Les travaux réalisés dans ce domaine concernent les phénomènes physiques qui se produisent d’une part dans l’état Meissner et d’autre part dans l’état mixte [7T4].
Les modèles décrivant l’état Meissner sont basés sur la résolution des équations de Maxwell dans lesquelles sont introduits les courants supraconducteurs. La formulation de ces équations avec la jauge de Coulomb s’est avérée être d’une grande robustesse par rapport aux modèles 7–18
utilisant la jauge de London [7A2]. Pour simuler nos dispositifs à géométrie multiplement connexe, nous avons mis au point des méthodes originales pour imposer la condition de quantification du fluxoïde [7A3]. Nos efforts se sont poursuivis avec comme objectif la réduction des ressources informatiques nécessaires à la résolution des matrices. A cet effet, nous avons programmé à l’aide d’éléments interfaciaux des modèles couplés où le potentiel vecteur magnétique est associé au potentiel scalaire magnétique total ou réduit. Dans cet optique, nous avons aussi développé une méthode d’élément coque qui consiste à dégénérer l’épaisseur des couches minces supraconductrices pour relâcher à ce niveau les contraintes sur le maillage. Grâce à des éléments dit « infinis », faisant appel à des transformations conformes, nous avons de manière complémentaire pu réduire la taille du domaine de calcul. Tous ces travaux permettent maintenant la modélisation dans l’état Meissner de dispositifs dont la surface de capture peut aisément être de 300× 300µ m2.
L’étude plus fondamentale de l’état mixte supraconducteur, caractérisé par la présence de vortex, nécessite la résolution des équations de GinzburgLandau. Dans une première étape nous avons programmé un modèle tridimensionnel en régime stationnaire. Ce modèle s’appuie sur la jauge de Coulomb et un choix original de variables principales. Nous avons d’ores et déjà calculé les courbes d’aimantation de couches minces et retrouvé les phénomènes de quantification mesurés par d’autre équipes de recherches. La deuxième étape a consisté à étendre nos simulations au régime transitoire. Pour faire face à différents problèmes numériques nous avons changé de jauge et renormalisé l’espace de calcul. Les résultats dans ce domaine sont prometteurs.
Une application immédiate de ces formulations a été d’évaluer numériquement le champ magnétique créé par un vortex au dessus d’une couche mince. Ces calculs ont conduit à déterminer la résolution théorique que doit atteindre notre outil d’imagerie magnétooptique pour qu’il puisse distinguer individuellement les vortex [7B6]
C. Microcapteurs en couches minces de manganites
1) Technologie
L'utilisation de couches minces de manganites pour la réalisation de capteurs est un thème nouveau au GREYC. Les manganites possèdent néanmoins la même structure pérowskite que l'YBCO et le banc de dépôt par ablation laser pulsée installé au GREYC pour le dépôt d'YBCO est parfaitement adapté. Pour commencer, nous avons choisi d'utiliser la forte variation de résistance en fonction de la température, à la transition métalisolant, de couches de LSMO, qui présentent une température de Curie idéale de 380K, pour la réalisation de microbolomètres.
Les couches obtenues sont entièrement orientées selon la direction (100) et une température de Curie proche de 350 K a été déduite des mesures d'aimantation en fonction de la température. Les couches ont été gravées selon trois motifs de tailles différentes. Les mesures de résistance en fonction de la température confirment la valeur de la température de Curie mesurée par aimantation et montrent des coefficients de température β = (1/R)*(dR/dT) de l'ordre de 2 %, comme relevés dans la littérature [7E16].
2) Mesures de bruit
Les premières mesures du bruit intrinsèque des couches de LSMO sur SrTiO 3 ont été réalisées dans le cadre de la thèse de Fan Yang (débutée en oct. 2001). Deux régimes (bruit en 1/f et bruit blanc ou bruit de Johnson, indépendant de la fréquence) ont été observés. Le bruit en 1/f est extrêmement sensible aux propriétés intrinsèques du matériau, à travers la contribution de phénomènes physiques ou de défauts. Pour normaliser et comparer les mesures de bruit en 1/f, on utilise couramment la relation empirique de Hooge :
7–19
SV =
α R 2 × I2
1
×
× γ
n
V
f
où SV est la densité spectrale de bruit en tension [V2/Hz], α /n [m3] est le paramètre de Hooge normalisé (α est le paramètre de Hooge et n est la densité de porteurs de charge), R [Ω ] et V[m3] sont la résistance et le volume du pont, I [A] est le courant de polarisation continu et f [Hz] la fréquence ; γ est un exposant proche de 1. Nous ne disposons encore que de peu de données mais la relation de Hooge semble vérifiée sur nos mesures, ce qui indique qu'à 300K le bruit est lié aux fluctuations de résistance. Un autre résultat important est l'amplitude du bruit mesuré. Le paramètre de Hooge normalisé α /n permet de comparer le niveau de bruit dans différents matériaux. Nous avons trouvé des valeurs de α /n de l'ordre de 2  4 × 1028 m3, ce qui est comparable aux meilleurs résultats de la littérature.
D. Utilisation du silicium comme substrat de croissance pour la réalisation des microcapteurs
1) Fabrication monolithique de microcapteurs en couches minces d'YBCO avec le circuit semi
conducteur sur le même substrat de silicium L'intégration de capteurs en couches minces d'oxydes avec une électronique semiconductrice a été abordée dans le cadre de la thèse de G. Huot. Une étude bibliographique et expérimentale des propriétés de différents transistors à 77 K a tout d'abord permis de choisir la technologie MOS pour le circuit semiconducteur refroidi. Nous avons ensuite abordé le problème de la compatibilité technologique entre ces matériaux de nature très différente. L'objectif est de déposer une couche d'YBCO sur un substrat de Si possédant un transistor. Afin de ne pas dégrader les propriétés des oxydes par les étapes de dopage, implantations, recuits..., des procédés de la microélectronique semiconductrice standard, nous avons établi que le circuit semiconducteur devait être réalisé en premier sur le substrat. Ses différents constituants doivent alors supporter les conditions de dépôts de l'YBCO (700750° C sous atmosphère d'oxygène). La température n'est pas suffisamment élevée pour provoquer la diffusion des dopants, mais elle dégrade les couches métalliques couramment utilisées pour former les contacts. A partir d'une recherche bibliographique, et en fonction de nos moyens de dépôt ou de nos collaborations, nous avons sélectionné et testé plusieurs matériaux : TiN, TiN/Ti, Pt, Pt/Ti, Mo, Au, NiCr. Ces couches (TiN, Ti, Pt déposé à 550° C) proviennent de laboratoires extérieurs ou ont été déposées dans notre bâti de dépôt par pulvérisation cathodique RF (Pt, Mo, Au, NiCr). Des recuits à 700° C sous vide et sous oxygène de couches déposées sur Si ou sur SiO2/Si, ou de transistors PMOS avec de tels contacts ont été réalisés. Les résistivités des couches et des contacts ainsi que les caractéristiques statiques des transistors ont été mesurées. Les couches TiN et TiN/Ti deviennent isolantes après recuit et ont donc été éliminées. Les couches de Mo/Si ont montré une bonne tenue au chauffage à 700° C, mais les couches de Mo sur SiO2/Si se volatilisent par formation supposée d'un oxyde MoOx. Les couches de Pt et Pt/Ti montrent différents comportements selon qu'elles aient été déposées à température ambiante ou à 550° C (ces couches sont stables thermiquement et résistent à l’oxydation sur SiO2, mais pas sur Si). Différentes combinaisons de couches, incluant également Au et NiCr, sont en cours d'étude. L'une doit permettre la réalisation d'un bon contact ohmique et l'autre doit présenter une bonne résistance à l'oxydation ou former une bonne barrière visàvis de l'oxydation. La seconde exigence de la compatibilité technologique est le dépôt épitaxié d'YBCO sur silicium. Cette croissance est difficile à cause des réactions entre le film et le substrat à la température de dépôt d'YBCO (700750° C) et de la présence d'un oxyde amorphe à la surface du silicium qui empêche la croissance épitaxiale. Dans le cas particulier de la croissance d'oxyde, ce problème est amplifié car le dépôt est réalisé à haute température et sous atmosphère d'oxygène. Comme couramment décrit dans la littérature, nous avons choisi d'introduire une couche d'(Y2O3)0.10(ZrO2)0.90, notée YSZ, qui sert de barrière de diffusion, et qui par son fort pouvoir réducteur, provoque une réaction avec l'oxyde de surface amorphe et permet l'établissement de la croissance épitaxiale. Après optimisation de la pression, au tout 7–20
début et pendant le dépôt, et de la température, nous avons obtenu récemment des couches épitaxiales d'YSZ entièrement orientées selon la direction (100) et présentant une largeur de pic (200) à mi hauteur de 0,7°. La suite du travail concernant le dépôt d'YBCO sur cette couche d'YSZ se poursuit en vue d'augmenter la température de transition supraconductrice.
2) Réalisation de membranes sur silicium par gravure KOH
Les membranes sont destinées à la réalisation de radiomètres à substitution électrique car elles permettent la réduction de la conductance thermique entre la surface de détection de l'instrument et le thermostat (thèse de B. Guillet). Un tel radiomètre est constitué d'une résistance de chauffage et d'un thermomètre. Deux voies sont étudiées en parallèle : -
-
l'une à base de couches métalliques sur membranes de Si3N4 provenant du laboratoire LAMEL à Bologne. Les matériaux envisagés sont NiCr pour la résistance de chauffage et Pt pour le thermomètre,
l'autre à base de couches d'YBCO pour le thermomètre sur des membranes d'YSZ, afin d'utiliser la très grande sensibilité en température des supraconducteurs au voisinage de la transition normalsupra.
Les conditions de gravure du silicium dans une solution de KOH à 30 % ont été étudiées à 75, 80 et 85° C. Les couches de Si3N4 et d'YSZ constituent de bonnes couches protectrices si elles sont suffisamment épaisses. La température de 75° C a été préférée pour la suite du travail car à plus haute température, des défauts de plus en plus grands (leur taille est fonction du temps de gravure) sont apparus sur les couches de Si3N4. Une vitesse de gravure d'environ 0,8 µm/min a été mesurée. Des membranes de 3 mm * 3 mm ont été réalisées sur Si3N4 et jusqu'à 3,5 mm * 3,5 mm sur Si3N4 muni d'une couche supplémentaire d'YSZ. Les essais de gravure d'échantillons comportant des couches métalliques sur Si3N4 sont en cours. Les gravures d'échantillons comportant des couches d'YBCO débuteront dès que de bonnes couches d'YBCO auront été obtenues.
7–3.2.3. Perspectives
Le laboratoire dispose aujourd'hui des moyens de dépôt de couches minces d'oxydes, de photolithographie en salle blanche, de gravure (ionique, KOH), de prise de contacts (dépôts de couches métalliques, ultrasons). Il est prévu de poursuivre l'étude de l'effet des vortex sur les performances d'un magnétomètre à SQUID dans la période 20042007 notamment à travers l'analyse du bruit, l'explication de l'offset des magnétomètres absolus de type JFM et la visualisation de vortex par imagerie magnétooptique (paragraphe A). Une collaboration est entamée avec l'université de Bath afin de comparer les systèmes d'imagerie OBIV (Optical Beam Induced Voltage) et MOR (Modulated Optical Reflectance) pour l'analyse de couches supraconductrices de type YBCO mais aussi de manganites. La fabrication de microbolomètres en couches minces de manganites est envisagée à court terme (paragraphe B). L'expérience acquise permettra alors la réalisation de dispositifs plus complexes (multicouches, sur joints de grain ou de tailles nanométriques). La technologie spécifique mise en place sur silicium, avec notamment la fabrication de membranes, permettra la réalisation de radiomètres et, à moyen terme, l'intégration d'un circuit intégré semi
conducteur spécifique (paragraphe C).
A. Effet des vortex dans les magnétomètres à base de supraconducteurs
1) Analyse du bruit
Les mesures du bruit basse fréquence menées sur un échantillon comprenant deux SQUID associés au même concentrateur n'ont pas permis pour le moment de distinguer le bruit de vortex directs du bruit de vortex indirect. Il semble que, dans la géométrie actuelle, le bruit direct domine largement le bruit indirect. Nous projetons d'observer par imagerie magnéto
7–21
optique, l'évolution de la population des vortex piégés en fonction de la géométrie du concentrateur comprenant deux SQUID. Ces observations devraient permettre de définir la géométrie la plus adaptée à la distinction des bruits direct et indirect.
2) Explication de l'offset des magnétomètres absolus de type JFM
Outre leur intérêt pour l'analyse du bruit de vortex, les échantillons comportant deux SQUIDs sur un même concentrateur permettent également d'évaluer l'offset de champ liés à la présence de vortex dans le concentrateur. Ils présentent d'ailleurs l'avantage d'éliminer les artefacts de mesure dus à des vortex locaux.
Après analyse de l'ensemble des mesures que nous avons effectuées depuis le début de l'étude des JFM, nous avons constaté que l'expression donnant l'évolution de l'offset en fonction du champ magnétique à la transition dépend assez peu de la géométrie. Afin d'expliquer cette constance, nous projetons d'imager la population de vortex piégés dans le concentrateur et de mesurer simultanément l'offset de champ qu'elle génère. A cette fin, un banc magnétooptique sera installé dans la chambre blindée en cours d'acquisition.
3) Visualisation individuelle de vortex par imagerie magnétooptique
Ce thème est à l'origine de la mise en place d'un système d'imagerie magnétooptique. Il figure au titre des perpectives à long terme. Jusqu'à présent, l'image magnétique est obtenue en posant simplement l'échantillon magnétooptique sur l'échantillon supraconducteur. Le travail mené au cours de l'exercice précédent a montré les limites d'une telle méthode pour la visualisation individuelle de vortex. La principale limite se situe au niveau du gap d'air, inévitable, séparant l'échantillon MO et l'échantillon supraconducteur. Pour s'en affranchir, une solution séduisante consisterait à déposer sur l'échantillon supraconducteur analysé, une couche magnétooptique. La réalisation n'est pas simple car il convient de trouver des conditions de dépôt de la couche magnétooptique qui, d'une part, n'affectent pas les propriétés supraconductrices et d'autre part permettent de conserver des propriétés magnétooptiques adaptées à l'imagerie de ces couches supraconductrices, à savoir une constante de Verdet élevée et un champ coercitif faible (inférieur à 0,1G pour une observation à 80K, inférieure à 5G pour une observation à 10K). Suite au stage postdoctoral de S. Flament à l'Université de Birmingham, nous avons engagé une collaboration avec l'équipe du Pr. Abell (School of Metallurgy and Materials, University of Birmingham) sur l'utilisation, à des fins d'imagerie, de couches magnétooptiques déposée par ablation laser pulsée. L'étude se concentre pour le moment sur l'obtention de couches magnéto
optiques satisfaisantes par ce type de dépôt. Les dépôts seront réalisés à Birmingham. Par ailleurs, un nouveau banc optique sera mis en œuvre afin de s'affranchir des contraintes liées à l'utilisation d'un microscope et d'apporter la flexibilité nécessaire à l'analyse future de dispositifs à base de manganites.
4) Imagerie OBIV
Le système d'imagerie OBIV a jusqu'à présent permis de donner des images représentatives de la distribution de la densité des paires de Cooper dans les couches minces supraconductrices gravées. Une collaboration est entamée avec l'Université de Bath afin de comparer les systèmes d'imagerie OBIV et MOR (Modulated Optical Reflectance) pour l'analyse de couches supraconductrices de type YBCO mais aussi de manganites. Cette comparaison est intéressante car l'imagerie MOR permet d'accéder à la densité des porteurs libres, mais par un processus physique différent de celui intervenant dans l'imagerie OBIV. B. Microcapteurs en couches minces de manganites sur silicium
A partir du bruit mesuré dans les couches de LSMO déposées sur SrTiO3, nous avons évalué la résolution en température que présenterait un tel thermomètre. Ces valeurs, estimées pour un fonctionnement à 300K, sont prometteuses et permettent d'envisager la fabrication de 7–22
microbolomètres compétitifs comparés aux détecteurs existants, notamment à base de VOx. Un programme visant la réalisation de thermomètres et microbolomètres en couches minces de manganites a donc été établi. Il débutera par l'étude du bruit en 1/f dans des couches de LSMO déposées sur Si avec une couche tampon YSZ, ainsi que sur divers autres substrats. Cela permettra d'étudier l'influence des contraintes dans la couche sur le bruit grâce aux divers désaccords de maille réalisés (projet soutenu par une ATIP Jeunes Chercheurs en 2002). Les analyses de bruit de microponts gravés dans les couches minces de manganites seront complétées par une analyse de type imagerie OBIV. L'objectif recherché est ici d'étudier l'homogénéité des propriétés résistives des couches. Par ailleurs, la technique OBIV devrait permettre de mettre en évidence des sources locales de bruit excédentaire à l'échelle du micron, si cellesci existent. Des contraintes techniques existent cependant pour la réalisation de ces expériences. Elles sont liées au temps d'acquisition nécessaire à une analyse du bruit basse fréquence. Enfin, les couches de manganites présentent des propriétés de rotation de polarisation de type Faraday et Kerr. Nous envisageons de compléter le banc d'imagerie magnétooptique afin de lui adjoindre des capacités d'imagerie Kerr jusqu'à 50mT.
Outre la forte variation de résistance lors de la transition métalisolant, les manganites présentent d'autres propriétés très attrayantes : un fort taux de polarisation en spin, des effets CMR (Colossal MagnetoResistance) et GMR (Giant MagnetoResistance), qui permettent d'envisager des applications en magnétométrie et en électronique de spin. Des dispositifs mêlant YBCO et manganites peuvent également être envisagés. Cependant, tous ces dispositifs nécessitent des structures particulières (multicouches, joints de grain ou nanoponts...) qui posent des problèmes technologiques et physiques importants. Leur réalisation et leur étude constituent notre programme de recherche à moyen terme.
C. Dispositifs sur silicium
A court terme, la réalisation de radiomètres à substitution électrique comportant une résistance de chauffage en NiCR et un thermomètre en YBCO ou LSMO est prévue. Cela terminera le projet entamé dans la thèse de B. Guillet décrit plus précisément dans le thème 7–3.3. L'homogénéité des surfaces sensibles des thermomètres sera évaluée par imagerie OBIV.
A moyen terme, nous comptons profiter de la technologie d'intégration avec les circuits semi
conducteurs développée dans le cadre de la thèse de G. Huot pour réaliser les premiers micro
capteurs en couches minces d'oxydes (YBCO ou manganites) intégrant un circuit semiconducteur sur le même substrat.
D. Autres capteurs
Les outils et méthodes développés pour les microcapteurs fabriqués au laboratoire sont entièrement applicables à l'étude des performances intrinsèques de microcapteurs que nous pouvons être amenés à étudier dans le cadre de collaborations. Ainsi, par exemple, les recherches décrites dans le thème 7–3.3.2. (§ A.2) sur la mise en œuvre de matériaux magnéto inductifs (GMI  Giant Magneto Inductive) pourraient mener à des recherches orientées plus en amont. Un projet de thèse sur le thème "magnétométrie par GMI", en cotutelle avec une équipe de l’école polytechnique de Montréal, est à d'ailleurs à l'étude.
7–3.2.4. Interactions avec les autres thèmes et/ou équipes
Les outils et méthodes développés dans ce thème rejoignent ceux développés pour les composants semiconducteurs (thème 7–3.1.). Les microcapteurs étudiés mis au point au laboratoire s'intègrent 7–23
dans différents projets développés autour d'applications décrites dans le thème 7–3.3. C'est le cas de la radiométrie et de la détection de polluants atmosphériques. D'autre part, nous collaborons étroitement avec différentes équipes de l'ISMRA, à travers l'utilisation d'équipements, l'échange d'échantillons et des collaborations scientifiques :
-
CRISMAT (Laboratoire de Cristallographie et des Matériaux, UMR 6508)
Nous y réalisons toutes nos mesures de diffraction de rayons X (diffractomètre de type SEIFERT). Quelques mesures d'aimantation en fonction de la température ont été réalisées sur nos échantillons (C. Simon).
Deux projets du CRISMAT: "Capacités en couches minces de PZT" (R. Bouregba, G. Poullain) et "Etude de bicouches LSMO/YBCO" (P. Bernstein, CRISMAT) utilisent régulièrement nos moyens technologiques en salle blanche et notre expertise de la technologie des couches minces d'oxydes.
-
LERMAT (Laboratoire d'Etude et de Recherches sur les Matériaux, FRE 2149)
Des mesures de réflectivité de rayons X ont été réalisées sur des couches de TiN et TiN/Ti déposées sur Si (C. Dufour). Nous cherchions ainsi à caractériser les qualités d'interface des couches après recuit dans le cadre de notre recherche de couches métalliques supportant un recuit à 700° C dans une atmosphère d'oxygène (intégration capteurs oxydes  électronique semiconductrice).
Nous avons également fait en commun l'acquisition d'un microscope à champ proche (Multimode Digital Instrument), d'un coût total de 174 KEuros HT, possédant les modes force atomique, effet tunnel, force magnétique et force électrostatique dans le cadre du pôle "Image, Technologie de l'Information et de la Communication" de l'actuel contrat de plan EtatRégion (20022006). La première partie de l'appareil (96,75 KEuros HT) est en place depuis le mois d'avril 2002. La seconde partie devrait être installée au cours du dernier trimestre 2002.
-
CIRIL (Centre Interdisciplinaire de Recherche Ions Laser)
Une première action pilotée par le CIRIL (P. Camy) a été menée en 2001 afin de graver des lignes dans des couches d'Y2O3 pour réaliser des guides de lumière. Le CRISMAT a réalisé les couches par ablation laser pulsée (P. Lecœur) et nous sommes intervenus pour la gravure des couches.
Une deuxième action a commencé en avril 2002 dans le cadre d'un projet financé par pôle "Image, Technologie de l'Information et de la Communication" de l'actuel contrat de plan Etat
Région pour la période 20022004. Il s'intitule "Utilisation d'éléments optiques diffractifs pour la conception de nouvelles sources laser à solides". L'objectif est d'étudier un type nouveau de microlasers à solides pompés optiquement fonctionnant autour de 1,5 µ m. Le projet consiste à concevoir, expérimenter et fabriquer des éléments optiques diffractifs destinés à la mise en forme du faisceau de pompage.
Le projet est coordonné par le CIRIL et concerne 3 autres laboratoires : le GREYC, le Groupe d'Optique et d'Optronique (Université de Rouen) et le Laboratoire Sources Lasers (LCR ThomsonCSF). Le projet a été accepté pour la période 20022004 et possède un budget global de 94,8 KF HT. Le GREYC intervient dans la partie photolithogravure (15,2 KF HT). Nous avons commencé par l'étude des conditions de gravure du verre par gravure ionique : vitesse de gravure, fond de gravure, forme de la marche.
Enfin, dans la période 19992002, nous avons bénéficié de la fourniture de différents types d'échantillons de la part de laboratoires extérieurs à l'ISMRA :
7–24
-
Couches de TiN et TiN/Ti: LETI (CEA  Grenoble)
Transistors PMOS, diodes PN, substrats de Si dopés au Bore et oxydés : Groupe de Micro
électronique de l'Institut d'Electronique et Télécommunications de Rennes (IETR).
Couches (YBCO et LSMO) : Universités de Cambridge, Jena et Birmingham.
Couches simples et doubles faces de Si3N4 sur Si et capteurs sur membranes : Laboratoire LAMEL à Bologne.
7–3.3. Capteurs magnétiques et bolométriques à grande dynamique en environnement bruyant
Participants :
Membres permanents : Christophe Dolabdjian, Didier Robbes, Yves Monfort, Chantal Gunther, Marc Lam Chok Sing, Christophe Cordier, Christian Dubuc.
Doctorants : Guillet Bruno, Ledem Gwenal, Qasimi Ahmed.
Mots clés : instrumentation, capteurs magnétiques, magnétomètres, bolomètres, microbolomètres, bruit environnemental.
Résumé : ce thème se consacre à la réalisation d'instruments autour de capteurs réalisés, au GREYC, ou par ailleurs, et à leur applications, éventuellement à vocation industrielle. Le problème du couplage du capteur avec l'environnement bruyant est envisagé de manière à ce qu'il permette de réduire les effets du bruit et, le cas échéant, d'obtenir une grande dynamique. L'équipe dispose d'une expertise dans la mise en œuvre de nombreux capteurs fonctionnant sur des principes physiques différents.
7–3.3.1. Objectifs
Les travaux menés dans ce troisième thème de recherche visent à :
•
Résoudre la problématique du couplage de la grandeur à mesurer en environnement bruyant. Signaux et bruits captés à ce stade entraînent très fréquemment en retour des modifications de la conception du capteur luimême.
•
Résoudre les problématiques de dérive/stabilité à long terme et de précision absolue. Cet objectif provient du fait que nous appréhendons depuis longtemps la problématique du bruit basse fréquence avec des incursions dans le domaine des très basses fréquences.
•
Réaliser des "Prototypedémonstrateurs", dans le cadre d'une stratégie de recherche de soutien et de collaborations industrielles ou institutionnelles. Cellesci se révèlent difficiles à mettre en place car certains de nos travaux propres sont par exemple ressentis (par nos éventuels partenaires) comme trop confinés dans des niches ou bien assortis de difficultés de mise en œuvre (cas des dispositifs cryogéniques).
•
Définir des critères d'évaluation de capteurs, notamment pour les capteurs magnétiques à haute sensibilité, et réaliser des mesures comparatives de capteurs. L'objectif est ici de clarifier le positionnement de nos dispositifs par rapport à des solutions classiques ou concurrentes
Les résultats obtenus sur la période 19992003 sont décrits au paragraphe 7–3.3.2. Le paragraphe 7–
3.3.3. expose les perspectives propres au thème.
7–25
7–3.3.2. Résultats
A. Résultats en magnétométrie
Les perspectives mentionnées dans le précédent rapport quadriennal rédigé en février 1999 envisageaient deux directions majeures de travail : la magnétométrie absolue et la magnétométrie vectorielle à haute sensibilité. Des possibilités d'applications de nos travaux au Contrôle Non Destructif (CND) de différents matériaux (aciers austénoferritiques, Al...) par détection du magnétisme propre, par galvanométrie ou par lecture des courants de Foucault avaient aussi été citées pour sortir des niches dans lesquelles sont confinées les utilisations actuelles des magnétomètres à base de SQUID. Les résultats sont décrits ciaprès.
1) Magnétométrie absolue
 Magnétométrie absolue Scalaire (3He)
Ce travail est la prolongation d'une collaboration avec le CIRIL (Centre Interdisciplinaire Ions, Laser, UMR 6637) entamée dans le cadre d'un Programme Pluri Formations (PPF) obtenu par notre institution lors du contrat quadriennal 19961999. Il a été mené de façon contractuelle avec le Groupe d'Etudes SousMarines de l'Atlantique (GESMA) pour la Direction des Applications Militaires (DAM). L'objet de ce programme était de réaliser une sonde de mesure du champ magnétique terrestre utilisable à des fins militaires de protection des installations navales. La sonde doit pouvoir être larguée en mer et être autonome. Le principe de cette magnétométrie absolue est de mesurer la fréquence de Larmor nucléaire de l'Hélium 3, isotope rare de l'Hélium, qui se présente sous forme gazeuse dans une sphère de quelques dizaines de cm3. La polarisation magnétique nucléaire de l'Hélium 3, et de ce fait le signal de résonance est accru, grâce à un pompage optique par diode laser (λ =1,08 µm). Après excitation impulsionnelle adéquate qui fait basculer l'aimantation nucléaire de π /2, les spins précessent à une fréquence (environ 1500 Hz dans le champ terrestre) proportionnelle au module du champ magnétique ambiant. Le temps de décroissance de cette précession libre peut atteindre plusieurs jours en champ homogène.
Notre travail d'instrumentation a consisté à améliorer le rapport signal sur bruit du récepteur en optimisant la géométrie et le nombre de spires de la bobine de réception du signal RMN. L’intérêt de l’utilisation d’un étage préamplificateurs à SQUID continu a été entièrement modélisé au cours de la thèse de E. Sassier et a fait l’objet des publications [7A26] [7B19]. Le travail d’instrumentation a aussi consisté en la mise au point d'une boucle à verrouillage de phase permettant de reproduire et de filtrer le signal de précession libre. Pour atteindre le niveau de bruit demandé, le détecteur de phase de la boucle est à base d'un multiplieur analogique tandis que l'oscillateur contrôlé en tension (VCO) est un synthétiseur de fréquence (DDS) piloté par un microcontrôleur. Le signal d'erreur filtré de la boucle est converti en un mot de 16 bits. Le microcontrôleur fournit, après traitement numérique, des mots de commande de 32 bits au DDS. Ces mots sont délivrés 16 fois par seconde et sont une image de la fréquence de précession libre et donc du champ appliqué à la sonde de RMN. La résolution du synthétiseur (incrément de fréquence pour une augmentation d'une unité du mot de commande), donc du magnétomètre, et sa vitesse de réponse (bande passante) dépendent directement de la fréquence d'horloge Fh du synthétiseur de fréquence (7,18 pT pour Fh = 1MHz, 0,14 pT pour Fh = 20 kHz). Pour atteindre la résolution demandée, la bande de capture de la boucle à verrouillage de phase est très faible, nous lui avons donc adjoint une boucle à détecteur de phasefréquence numérique qui amène (à l'allumage du système, par exemple) le synthétiseur dans la bande de capture puis se déconnecte automatiquement dès que le verrouillage est effectué.
Un autre axe de notre contribution a consisté à réaliser un système de transmission par voie hertzienne du signal de précession libre en utilisant une modulation FM d'une porteuse à 7–26
433,75 MHz, une sous porteuse transmettant en FSK (Frequency Shift Keying) une information de rotation éventuelle de la balise sur ellemême (pour compenser la fréquence apparente de Larmor de cet effet).
Le niveau de bruit propre du magnétomètre est d'environ 25 pT crête à crête dans une bande passante de 0,5 Hz ce qui correspond à une résolution de 0,5 106 dans le champ terrestre. Cette valeur a été mesurée en corrélant les mesures obtenues en champ terrestre ambiant par deux magnétomètres, l'un à RMN de l' 3He l'autre à RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) de l' 4He. Il est à remarquer que les fluctuations du champ terrestre peuvent aller jusqu'à quelques dizaines de nanoTesla à l'échelle de l'heure. Un court bilan a fait l’objet de la communication [7E2]
 Magnétométrie absolue Vectorielle (JFM)
Les jonctions Josephson présentent un effet de diffraction dite de Fraunhofer qui peut être utilisé pour mesurer l'amplitude de la composante de champ perpendiculaire au plan de la jonction. La mesure du champ nécessite au préalable un calibrage au moyen d'une référence connue et un asservissement en un point connu de la caractéristique de Fraunhofer (asservissement en champ total appliqué nul par exemple). Les travaux menés par X. Ridereau (doctorant), qui faisaient suite à ceux de V. Béroud et E. Sassier, ont montré que la caractéristique de Fraunhofer était sensible à des phénomènes d'offsets liés pour une part à la géométrie du capteur supraconducteur (courants d'alimentation) et aux vortex piégés dans le supraconducteur adjacent à la jonction, chargé d'y augmenter le champ appliqué. Des études complémentaires s'avèrent donc nécessaires pour mieux comprendre ce phénomène. Elles sont décrites dans le thème 7–2. au § 7–3.2.2.B.2.
2) Magnétométrie vectorielle à haute sensibilité
 Magnétométrie vectorielle et Contrôle Non Destructif (CND)
Le CND est un sujet d'importance dans les domaines médical et industriel. En milieu médical, on est intéressé par les champs générés par les organes (coeur, cerveau, muscles...). Des solutions très perfectionnées et coûteuses sont opérationnelles notamment en Magnéto
EncéphaloGraphie (MEG), puisque ces matériels assemblent des centaines de SQUID à basse température critique, la cryogénie, le blindage et le traitement du signal associés. En dehors de ce secteur très spécifique, les SQUID n'ont pas effectué de percée décisive dans le milieu médical bien que des démonstrateurs en magnétocardiographie aient été réalisés. Dans le milieu industriel, la recherche par magnétomètre à effet SQUID des cavités enterrées, générées par la fatigue ou la corrosion des matériaux (ailes d'avions, turbines, trains d'atterrissage...) semble très performante en matière de sensibilité par rapport aux solutions actuelles. Cependant, les habitudes de travail, les contraintes cryogéniques, la complexité des pièces à ausculter et les blindages nécessaires pour leur utilisation optimale n'ont pas permis aux SQUID de percer dans ce type d'utilisation.
Notre réflexion dans ce domaine a donc été d'envisager des alternatives aux SQUID en utilisant des capteurs de moindre sensibilité mais susceptibles d'opérer à température ambiante. Un autre point de réflexion visàvis de la comparaison de capteurs magnétiques a été de considérer le couple de paramètres : bruit de fond  résolution spatiale comme étant la figure de mérite d'un capteur, puisque le bruit de fond d'un capteur magnétique s'améliore avec sa taille tandis qu'à l'inverse sa résolution spatiale se détériore. Nous allons reprendre ci
après les actions menées visàvis de ces deux axes de réflexion.
 Performances comparées des SQUID et des fluxgates en magnétocardiographie
Dans le cadre de la thèse de S. Saez, nous avons comparé les performances de montages gradiométriques (gradiomètres du premier ordre : réjection du bruit de champ ambiant) à base de SQUID et de fluxgates. Le gradiomètre réalise un filtrage spatial passe haut. Son 7–27
efficacité dépend donc de la distance (ligne de base) séparant les deux capteurs ainsi que de la structure (cohérence spatiale) du bruit magnétique ambiant. Nous avons mis en œuvre ou utilisé deux gradiomètres à SQUID à haute Tc. L'un, monté au laboratoire, était constitué de deux SQUID DC (ligne de base 2 cm) fournis par NKT (Danemark), l'autre était un appareil commercial (Jülich, Allemagne) constitué de SQUID RF (ligne de base 8 cm). Le gradiomètre à base de fluxgates avait une ligne de base de 5 cm. L'amplitude crête à crête du signal cardiaque détectable est d'environ 50300 pT au plus près de la poitrine. Un niveau efficace de bruit de 1 pT dans une bande passante de 100 Hz permet de détecter et d'interpréter les anomalies du signal magnétique cardiaque. Ce niveau de bruit est théoriquement facilement atteint par un magnétomètre à SQUID ce qui n'est pas le cas pour le meilleur fluxgate commercial dont le niveau de bruit est 20 fois supérieur dans ces conditions. Des mesures du signal magnétique cardiaque ont été effectuées au laboratoire, au sein de la chambre magnétiquement blindé de l’hôpital Salpétrière de Paris, sur notre site d'expérimentation en campagne (Aignerville) et au laboratoire LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) de Rustrel et la réalité de la mesure montre qu'en dehors d'une chambre blindée à très haut coefficient de blindage, les performances des gradiomètres à SQUID ou à fluxgates sont cependant voisines en raison des résidus de bruit de champ ambiant.
 Extension à d’autres types de capteurs magnétiques
A la lumière des résultats obtenus en magnétocardiographie et d’un large travail bibliographique [7I2], nous avons étendu cette comparaison à d’autres types de capteurs magnétiques à haute sensibilité. Des mesures de densité spectrales de bruit ont donc été effectuées sur des capteurs commerciaux et de laboratoire de types magnétorésistifs (AMR  Anisotropic MagnetoResistance, GMR  Giant MagnetoResistance) et magnétoinductifs (GMI  Giant Magneto Inductive) associés éventuellement à des concentrateurs de champ ferromagnétiques. Des densités spectrales de bruit pouvant être aussi faibles que 300 fT/√Hz ont été mesurées en zone de bruit blanc [7B5]. Cette zone de bruit blanc n'est cependant atteinte qu'audelà de quelques dizaines voire de quelques centaines de kHz en raison de la présence d'un fort bruit excédentaire à basse fréquence.
A partir de fils amorphes magnétiques conducteurs (GMI), nous avons élaboré des capteurs magnétiques simples à très haute sensibilité. Une première réalisation fondée sur les travaux de K. Mohri (Japon) a permis de caractériser pour la première fois l'ensemble capteur  conditionneur. Nos dernières expériences montrent que les niveaux de bruit blanc et de bruit excédentaire sont limités par l'électronique de conditionnement [7B23]. Le niveau de bruit est de 3  4 pT/√Hz de 1 à 10 kHz. Par ailleurs, nous avons déporté la minisonde magnétique dont la partie active est un transformateur cylindrique (1:1), câblé sur un cœur monofibre amorphe magnétique et placé à l'extrémité d'un minicâble coaxial (diamètre de 1,5 mm et longueur de 2 m). Ceci démontre pour partie [7B24] sa compatibilité avec une utilisation en sonde intracardiaque (mesures intracardiaques à très haute définition).
Nous avons également, en collaboration avec la société Schlumberger (Sema) de Montrouge, étudié les performances en bruit d'un microcapteur à effet Hall réalisé sur une hétérostructure AlGaAs/InGaAs/GaAs dopée delta dont les performances en bruit blanc sont modestes (qqs nT/√Hz) mais qui présente des atouts en matière de résolution spatiale et de stabilité. De plus, nous avons modélisé la réponse de la sonde de Hall en champ inhomogène. L’étude a déterminé l’influence des prises de contact qui servent à mesurer la tension de Hall ainsi que la cartographie des zones générant le plus de bruit en 1/f. Nous avons ensuite calculé la résolution spatiale des capteurs et montré que pour un gradient de champ magnétique faible visàvis des dimensions des capteurs, ces derniers étaient équivalents à des fluxmètres avec une certaine surface effective. La validation des résultats dans le cas où le capteur est soumis à un fort gradient de champ est en cours.
 Figure de mérite de capteurs magnétiques pour la détection de dipôles magnétiques
7–28
Comme énoncé plus haut la problématique générale de détection par voie magnétique s'adresse à deux types de situations. La détection du magnétisme local d'un matériau (aciers austénoferritiques par exemple) où l'observation relève alors du régime quasi continu, et la détection de l’image de courants circulant dans un conducteur (galvanométrie ou courants de Foucault), où l'observation peut être effectuée à différentes fréquences. Un autre aspect du problème tient au type de structure à détecter. Ces structures peuvent souvent être modélisées par un moment magnétique au moins dans la mesure où la distance source de champcapteur est grande comparée à la taille de cette source de champ. La capacité d'un capteur à détecter un défaut enterré dans un matériau conducteur, dépendra donc des tailles relatives du défaut et du capteur ainsi que de la distance sourcecapteur. Un capteur de type SQUID n'est donc pas obligatoirement plus performant qu'un capteur beaucoup moins sensible car la cryogénie associée au SQUID accroît la distance sourcecapteur.
Pour préciser ce point, nous avons comparé, théoriquement et expérimentalement, le niveau de bruit et la résolution spatiale de capteurs de laboratoires ou commerciaux (SQUID DC, Capteur à effet Hall, Fluxgate, magnétorésistances) en réponse à l'excitation d'un dipôle magnétique. Cette étude nous a permis de proposer une figure de mérite des capteurs magnétiques qui montre par exemple qu'un capteur à effet Hall peut être plus efficace qu'un SQUID en microscopie magnétique, dans la mesure où la cryogénie et la taille du concentrateur de flux associées au SQUID limitent la distance source capteur et donc la résolution spatiale du SQUID [7B4]. Par ailleurs, ces études préliminaires effectuées sur des composants encapsulés, qui ne permettent donc pas d'accéder à la figure de mérite intrinsèque du capteur, sont actuellement complétées par des mesures sur des capteurs nus.
 Mise en œuvre de Systèmes de contrôle non destructif
Une amorce d’étude de détection de défauts structurels de pièces en Aluminium a été engagée. Une chaîne de détection a été mise en œuvre et qualifiée. Sa dynamique est d’environ 80 +10log(f0) dB dans un Hertz de bande passante postdétection, avec f0 la fréquence des courants de Foucault induits et jusqu’à f0=10kHz. Actuellement, le système permet de détecter des rainures de 600 µm de largeur et de 5 mm de profondeur au travers d’une plaque de 10 mm d’épaisseur avec un rapport signal sur bruit d'environ 30dB dans une bande passante de 1 Hz (fo = 100 Hz).
 Réduction du niveau de bruit en 1/f de magnétomètres
Les capteurs magnétiques présentent très souvent un fort niveau de bruit en 1/f qui réduit leur sensibilité dans le domaine de fréquence où se situent la majorité de leurs applications. Des solutions ont été proposées pour réduire cette influence en transférant le spectre du champ à mesurer vers un domaine de fréquence où le bruit excédentaire du capteur est devenu négligeable. Nous avons utilisé ce principe en couplant une antenne ferromagnétique, dont la perméabilité magnétique est modulée, à un microcapteur à effet Hall. Le spectre de bruit du magnétomètre réalisé selon ce principe est blanc et de niveau plus faible à toute fréquence que celui du capteur seul, grâce à l'apport du concentrateur ferromagnétique. Une procédure de valorisation est en cours avec la société Schlumberger pour breveter et licencier cette proposition. Parallèlement à ces activités expérimentales, des travaux ont débuté concernant la modélisation des matériaux ferromagnétiques, notamment les concentrateurs de flux magnétique couplés à un capteur de champ magnétique quelconque. Afin de déterminer les performances des structures hybrides en terme de sensibilité et de résolution spatiale, nous avons développé des modèles adaptés à la forte anisotropie des concentrateurs (géométrie filaire ou plane). Nos modèles sont formulés à partir d’un potentiel scalaire total ou réduit et font appel à des éléments coques spécialement programmés. Les premiers calculs ont permis de guider les expérimentations où un capteur de Hall est couplé à un fil ferromagnétique. La méthode dont l'efficacité a été démontrée dans le cas du capteur à effet Hall doit maintenant être étudiée pour d'autres types de capteurs en termes d'évolution du spectre de bruit et de résolution spatiale.
7–29
B. Résultats en bolométrie
Au titre des perspectives définies pour l’exercice en cours, nous avions prévu des développements portant sur l’application de structures multicouches (Supra  Isolant)nfois aux détecteurs microbolométriques, grâce au contrôle possible de leur conductance thermique via la transparence finie des interfaces. Nous devions également aller vers la réalisation d’un radiomètre absolu à membrane, voire à cavité active. A moyen et plus long terme, nous souhaitions aborder la faisabilité de détecteurs associés en chaîne/matrice, travaux nécessitant au préalable la maîtrise de techniques d’hybridation entre matériaux semiconducteurs classiques et oxydes. Nous faisons ci
après le point sur l'avancement de ces projets.
1) Application de structures multicouches
Le travail initial, réalisé au cours de la thèse de N. Cheenne, thèse en collaboration avec l’équipe films minces du CRISMAT et soutenue le 18 décembre 2000, portait sur l’élaboration, les caractérisations structurales et les caractérisations en transport de bicouches ultrafines d’YBaCuO/SrTiO3 sur substrat de MgO. La bicouche supérieure, plus épaisse (≅ 100 + 100 nm) est supposée véhiculer les porteurs de charges électriques dans un plan parallèle à celui du substrat, tandis que la chaleur déposée dans cette bicouche est transportée de façon dominante au travers de l’hyperréseau vers le substrat, perpendiculairement à celuici. L’étude de cet écoulement de chaleur a été menée de façon approfondie pour plusieurs hyperréseaux. Au cours de la phase finale de cette thèse, l’effet de découplage thermique aux interfaces supraisolant a bien été mis en évidence, mais il apparaît moins intense que prévu. A titre d’exemple, le découplage apporté par 10 bicouches amène, en moyenne, une division par 5,9 de la conductance thermique alors que nous attendions plutôt un facteur 10. La modélisation simplifiée du système mène finalement à une conductance thermique d’interface YBaCuO/SrTiO3 portée à la valeur de 1900W/Kcm2 au lieu des 1000W/Kcm2 couramment utilisés dans la littérature. Plus inattendu, une conductance thermique d’interface non négligeable entre les deux isolants électriques du système, SrTiO3/MgO, est mise en évidence, estimée à une valeur proche de 200W/Kcm 2. Nous pensons que cette valeur pourrait être associée à la différence de plus d’un ordre de grandeur entre les conductivités thermiques de MgO et SrTiO 3 à 90 K, c’est à dire à de grandes différences du produit libre parcours moyen des phonons  vitesse de propagation acoustique, pouvant entraîner une large désadaptation acoustique. Ces travaux ont été rapportés dans les publications [7A23], [7B2]. De plus le thème de ce travail a finalement mené au thème d’un séjour post
doctoral en Belgique, avec la publication associée [7A15].
La conséquence de ces résultats sur l’objectif initial du projet (contrôle de la valeur de la conductance thermique globale du microbolomètre) est que l’effet d’interface YBCO/SrTiO3, plus faible que prévu, rend moins attractive cette approche alternative aux structures suspendues. Elles n’ont donc pas fait l’objet d’une utilisation. En revanche, l’effet de découplage par structures MgO/SrTiO3 pourrait réactiver cette approche à terme. Une autre difficulté a également limité l’élaboration de dispositifs de type bolométrique à structures multicouches. Nous avions pensé que la réalisation serait facilitée si l’on substituait au composé YBaCuO le composé NdBaCuO pour lequel il est reconnu que la rugosité de surface peutêtre extrêmement faible. L’élaboration de ce composé a donc été entreprise dans le cadre du travail de thèse de V. Beaumont, en collaboration avec le CRISMAT. Malheureusement, ce travail a révélé des difficultés importantes intervenant au niveau de la prise de contact électrique de qualité suffisante sur ce composé, et de sa tenue aux diverses opérations de microtechnologie. Cette voie a donc été abandonnée.
2) Vers un radiomètre absolu
Cette activité fait suite à des travaux antérieurs, notamment en relation avec la division radiométrie du NIST à Gaithersburgh. La problématique générale du sujet de thèse de B. Guillet, à soutenir fin 2002, est la suivante : il s’agit de maintenir à température constante une membrane 7–30
absorbante en domaine infrarouge ou quasisubmillimétrique au moyen d’une contre réaction de chaleur déposée par effet joule dans une résistance intégrée à la membrane. Ce type de radiomètre, dit à « substitution électrique et cavité active », permet de remonter à la puissance radiative incidente par mesure de la puissance électrique de retour sur la membrane. Cet instrument intéresse le thème pour le calibrage des microbolomètres et des sources, donc pour son caractère absolu qui implique l’emploi de dispositifs et de techniques minimisant les bruits excédentaires basse fréquence. La littérature de la fin des années 1990 à ce sujet montre que le facteur principal majorant le seuil de détection de ce type d’instruments est la stabilité en température du porteéchantillon supportant le récepteur. L’essentiel du travail réalisé, porte sur le contrôle très fin de la température du porteéchantillon [7A5], [7B12]. Celuici a été spécialement conçu pour que la chaleur déposée de façon distribuée y ait une distance de diffusion faible entre le plan où elle est produite et le plan de mesure de la température. Cette géométrie permet de minimiser le retard quasi inhérent à tout système de contrôle de température, en conséquence la réjection possible des perturbations de température du porte
échantillon est grandement augmentée. Elle atteint un facteur 400 pour notre système qui opère dans une bande passante du continu à quelques dixièmes de Hz. La stabilité est autour d’un niveau de bruit de 2530 µKrms sur des durées de mesure de l’ordre de 3 heures, avec des thermomètres classiques à thermistances de platine de 100 ohm parcourues par un courant voisin de 1mA [7F2]. Notons que cette résolution est proche à moins d’un facteur 3 de la résolution ultime en limite de Johnson de nos sondes Pt100. Utilisant des thermistances à haute sensibilité à base de microstrips d’YBaCuO polarisés en courant (≅ 1 mA), nous obtenons des résolutions de 23 µKrms sur des durées de 600 s. Dans ce cas, nous sommes fort loin de la résolution ultime de Johnson qui s’établirait à environ 10 nKrms . Nous avons clairement montré que la chaîne de conditionnement est compatible avec cet ultrafaible niveau, et que la limitation de la résolution est associée à un large bruit excédentaire de nos films d’YBaCuO [7E3]. Soulignons également que la mesure de telles résolutions en température, de l’ordre de 2x10 8 en relatif autour de 90K, a nécessité des protocoles expérimentaux rigoureux. En particulier, l’identification de l'asservissement de température est réalisée en boucle fermée, grâce à l’adjonction d’une résistance auxiliaire de chauffage, véritable clone de la résistance d’injection de la chaleur de retour. Cette résistance auxiliaire permet un calibrage ultrafin de la chaleur appliquée au système. Un deuxième point tout aussi important de notre protocole est l’utilisation simultanée de 3 thermistances d’YBaCuO aux caractéristiques très proches les unes des autres. Des techniques de corrélation entre deux systèmes observateurs indépendants de la température permettent de remonter plus aisément au bruit réel en température du porteéchantillon.
A partir de ces résultats, nous avons alors affiné le modèle électrothermique de radiomètres à coupler à notre porteéchantillon. Les performances possibles pourront dès lors se situer vers une résolution de 1 nW pour des signaux pouvant atteindre le mW. Nous mettons en place actuellement les expériences nécessaires, notamment grâce à des échantillons sur membrane obtenus auprès de S. Nicoletti à l’Université de Bologne. Des dispositifs sur membrane, entièrement réalisés au GREYC et conçus pour mettre en œuvre un protocole quasi identique à celui utilisé pour le porteéchantillon (à un facteur d’échelle près), sont en cours de fabrication.
3) Chaînes de détecteurs
Cette partie du projet n’a que très peu avancé, car nécessitant la maîtrise de procédés technologiques en cours d’acquisition. Notons qu’au niveau français, une approche semblable a été poursuivie au LGEPSupelec (Laboratoire de Génie Electrique de Paris). Dans le paragraphe suivant nous décrivons un projet en cours, non prévu initialement dans nos perspectives 20002004, susceptible d’intégrer plusieurs capteurs micro ou nanobolométriques.
4) Projet de détection de polluants atmosphériques
La conception de ce projet débute dans le courant 2000. Le thème bolométrie mène alors une réflexion approfondie sur l’application de micro (voire nano bolomètres) à couplage par antenne large bande ou accordée dans le domaine de la détection chimique dédiée aux polluants 7–31
organiques, particulièrement les Composés Organiques Volatils (COV), dont le benzène est le chef de file. Ce choix est notamment guidé par les orientations très « aval » des appels d’offre de type européen par exemple. G. Ledem a débuté une thèse sur le sujet en septembre 2001. Le projet propose la détection de COV par spectroscopie sur source large bande (corps noir). La sélection des gammes de fréquence devra s’effectuer par la cascade de plusieurs effets : sélection fréquentielle associée à une géométrie judicieuse d’antenne planaire en « V », sélection par filtre à ligne coplanaire entre sortie d’antenne et micro/nano thermistance. De plus, la géométrie choisie, ainsi que le domaine de longueur d’onde entre 10 et 100 µm pourront se prêter aisément aux tests de l’augmentation de la sélectivité par système à bande photonique interdite, systèmes à réaliser via des collaborations externes à mettre en place. Les objectifs essentiels visés par le projet sont : la démonstration d’une sélectivité relative en fréquence ou longueur d’onde de 103 sans cavité optique à partie mobile, un NEP (Noise Equivalent Power) effectif (couplage optique + antenne inclus) de l’ordre de 10 pW/√Hz. La réunion de ces deux objectifs permettra alors en principe de remplir le cahier des charges édicté par les instances européennes en matière de détection de COV, à savoir par exemple la détection de 5µg/m3 de benzène et 1µgr/m3 à l’horizon 2010 (Journal officiel des communautés européennes 13.12.2000, L 313/16).
A l’heure actuelle, le projet est en phase de validations théorique et expérimentale dans un domaine de fréquence en bande X à 10 GHz, en préalable à la réalisation dans le domaine submillimètrique (15µ m et 24µ m). Notons que les micro ou nano thermistances à mettre en œuvre seront de type YBaCuO ou Manganite, ces dernières ayant l’avantage d’autoriser un fonctionnement à température ambiante.
7–3.3.3. Perspectives
Nos perspectives s'inscrivent dans l'instrumentation fine de capteurs magnétiques et bolométriques sans pour autant s’interdire des incursions dans la mesure d’autres grandeurs. Par ailleurs, nous souhaitons vivement nous impliquer dans un projet d’envergure nationale et/ou européenne. Les capteurs mis en œuvre seront pour l’essentiel dans le domaine magnétique ou bolométrique, sans pour autant s’interdire des incursions dans la mesure d’autres grandeurs. Concernant les éventuelles activités en relation avec le domaine de la métrologie, nous choisirons d’en mener uniquement en collaboration avec des instituts de métrologie reconnus (NIST  National Institue of Standard and Technology, USA ; INM  Institut National de Métrologie ; LNE  Laboratoire National d'Essais).
A. Perspectives en magnétométrie
A court terme, c’est à dire 20042005, le programme de mise en œuvre et de comparaison systématique de capteurs magnétiques divers, mais en tout les cas à haute sensibilité spatiale ou magnétique sera poursuivi grâce, notamment, à l’introduction de la nouvelle chambre blindée. Celleci, en cours d’acquisition, permettra localement d’obtenir les niveaux de référence des capteurs couplés à leur système de conditionnement en environnement non bruité. L’effet de l’environnement bruité en sera ainsi correctement déduit. Nous viserons à étendre la palette de comparaison à d’autres sources magnétiques étalon, comme des lignes de courants, ou des champs magnétique tournants.
En ce qui concerne la recherche de coopérations de haut niveau, nous souhaitons suivre quelques projets ou pistes, jusqu’à l'acceptation de l’un d’eux. Nous figurons dans le consortium HISCANS pour « Highsensitivity and High resolution Magnetic Sensors for Chemistry, Aeronautics, Navigation and Nuclear Safety », piloté par F. Alvez au LESIR UMR 8029 dans le cadre du 6ème PCRD. Une piste, autour de systèmes de détection magnétique évolués est également envisagée sous la houlette du CEACEREM. Une autre piste reste celle de la magnétocardiographie ; nous avons montré qu’un accès intracardiaque semblait possible via des capteurs de type magnéto
inductifs (GMI) ayant un niveau de bruit blanc compatible avec le champ magnétique interne 7–32
cardiaque au voisinage des tissus du myocarde. Ce capteur nous apparaît donc comme très prometteur. De plus son coût de fabrication serait très faible. Nous souhaitons donc optimiser ce type de capteur (GMI), en termes de bruit ordinaire et excédentaire et de résolution spatiale, en maintenant nos relations avec l’équipe de l’école polytechnique de Montréal, qui nous a fourni les fils amorphes.
Bien entendu, à moyen terme, et suivant l’avancement des travaux de L. Mechin et F. Yang sur les Manganites (cf. thème 7–2. § 7–3.2.3.B) nous travaillerons à partir de ce matériau. Des zones actives de taille nanométriques pourraient en effet conduire à des capteurs à très grande résolution spatiale car ne nécessitant pas de cryogénie.
En dépit de l'intérêt intrinsèque de la magnétométrie absolue, il sera à terme (2005) difficile de développer l'activité en ce domaine, notamment en raison du départ de Y. Monfort qui y est un intervenant majeur et de l'abandon de cette thématique au sein du laboratoire partenaires CIRIL (UMR 6537). Nous essaierons cependant d’impliquer des fabricants de capteurs magnétiques qui pourraient avoir des besoins de mesures absolues fines. Ces besoins semblent exister, mais l’implication financière de partenaires extérieurs pour budgétiser un nombre suffisant d’heures technicien ou assistant ingénieur est bien loin d’être sure.
B. Perspectives en bolométrie
A court terme, nous devons achever le projet engagé durant la thèse de B. Guillet, à savoir, adjoindre une sphère intégratrice à la membrane suspendue, puis qualifier le système auprès d’un radiomètre primaire, par exemple au NIST à Gaithersburg, en réactivant une collaboration ancienne avec J. Rice. Cet outil nous servira localement pour mesurer les signaux radiatifs utilisés notamment dans le projet de détection de COV. Il servira également de démonstrateur pour une éventuelle valorisation. Remarquons que la possibilité de réalisation d’une cavité absorbante pyramidale, entièrement sur substrat très mince, imaginée et décrite dans la référence [7A5], pourrait faire l’objet d’une collaboration intéressante avec un laboratoire de radiométrie.
En ce qui concerne le projet de détection de composants organiques volatils, le travail mené courant 2002 implique que la sélection fréquentielle du dispositif par antenne accordée et filtres coplanaires sera insuffisante pour remplir le cahier des charges (résolution en longueur d’onde au moins aussi bonne que celle des spectromètres classiques sur acquisition de même durée). Nous souhaitons explorer la possibilité de couplage du rayonnement large bande au travers d’un dispositif à bande interdite photonique. Une première étude bibliographique nous indique que cette voie est très intéressante. Elle sera plus facile à réaliser dans le domaine infrarouge très lointain et submillimétrique que dans le domaine optique. A ce titre, une collaboration avec J.P. Landesman du laboratoire des Plasmas et des Couches Minces de l’EDSIM à Nantes est envisagée. De plus, sur ce sujet, nous devrons avoir une activité de veille technologique relative aux progrès des sources solides THz large bande de façon à engager, le cas échéant, toute collaboration qui pourrait mener au remplacement de la source à corps noir.
Le sujet de détection de COV implique l’utilisation de quelques détecteurs microbolométriques couplé par antenne en « V » par polluant à détecter. Par exemple, le benzène a deux raies importantes d’absorption voisines de 15 et 24 µm de longueur d’onde, qui doivent être détectées simultanément, pour effectuer l’opération d’identification. Si, à terme, nous savons détecter efficacement le benzène, nous chercherons à valoriser ce type de détection, qui, en associant un plus grand nombre de capteurs, pourrait devenir très intéressante pour la détection simultanée de plusieurs espèces chimiques. Bien entendu, un tel programme ne serait pas à notre seule portée et exigerait un large projet multipartite associant institutionnels et industriels de l'environnement.
Enfin rappelons que l’une des applications que nous avions suggérées lors de notre présent rapport est toujours d’actualité et pourrait être reprise si les capteurs de projet COV fonctionnent 7–33
raisonnablement : il s’agit de la réalisation de chaînes de détecteurs insérables dans des dispositifs imageurs, qui deviendraient ainsi utilisables auprès des sources intenses de rayonnement synchrotron. L’intérêt de telles longueurs d’ondes réside notamment dans l’observation du vivant. Un tel programme pourrait être développé dans le cadre d’une collaboration largement interdisciplinaire.
7–3.3.4. Interactions avec les autres thèmes et/ou équipes
Les interactions avec les autres thèmes de l’équipe sont naturelles. En particulier, l'évaluation des performances d'un capteur intégrant la structure de couplage à l'environnement bruyant peut révéler les améliorations à apporter sur le capteur luimême. Grâce à notre équipement en salle blanche et à la présence d'un technicien à temps complet, nous pouvons modifier, en interne, la conception du capteur de manière à satisfaire au cahier des charge de l'instrument.
Les interactions avec les autres équipes sont au nombre de 2 :


La première action a porté sur la comparaison du rapport signal à bruit de signaux typiques cardiographiques traités soit de façon analogique, soit de façon numérique (en utilisant le formalisme de la transformée en ondelettes, calculée en temps réel par un DSP). Ce travail a fait l’objet de publications [7A22], [7E11].
Le second travail a porté sur la comparaison de deux contrôleurs de température à faible bruit, l’un classique, analogique, de type PID et le second, numérique, à commande robuste prédictive. Ces travaux ont fait l’objet de la communication [7B10].
7–4. Actions régionales, nationales et internationales
Actions régionales, nationales et internationales du thème 7–1
Au niveau régional, la thématique du thème 7–1. a depuis toujours entretenu une action très marquée en collaboration avec la société Philips SemiConducteurs de Caen. Cette action est largement détaillée au paragraphe 7–5.1. Cette action est complétée par une collaboration avec le LUSAC (Cherbourg) autour d’une activité contractuelle impliquant l’entreprise BOLLORE de Quimper.
Au niveau national, des collaborations efficaces existent avec les laboratoires GMV (Rennes), IMN (Nantes) et CEM2 (Montpellier).
Par ailleurs, une collaboration se met en place avec l’IMEC (Louvain, Belgique).
Actions régionales, nationales et internationales du thème 7–2
Au niveau régional, les collaborations ont surtout été entretenus avec les laboratoires voisins de l'ISMRA notamment le CRISMAT, le CIRIL et le LERMAT. Nous intervenons notamment dans le projet "Utilisation d'éléments optiques diffractifs pour la conception de nouvelles sources laser à solides" financé par le pôle ITIC, qui regroupe le CIRIL et deux autres laboratoires français Groupe d'Optique et d'Optronique (Université de Rouen) et le LCR (ThomsonCSF).
L'équipe entretient par ailleurs des collaborations avec "The school of Metallurgy and Materials, University of Birmingham", sur le thème de l'imagerie magnétooptique et "The School of Materials Science, University of Bath" sur le thème de l'imagerie MOR.
7–34
Actions régionales, nationales et internationales du thème 7–3.
Au niveau régional, une longue collaboration a été entretenue entre nous et l’équipe Physique Atomique et Capteur du CIRIL, financée notamment sous contrat avec le Groupe d'Etudes Sous
Marines de l'Atlantique (GESMA) pour la Direction des applications Militaires (DAM).
Au niveau national, nous avons été sollicité pour évaluer le niveau de bruit magnétique au cœur du "Laboratoire Souterrain à Bas Bruit" (LSBB) de Rustrel (qui était auparavant l'un des deux postes de commande de tir des missiles stratégiques du plateau d'Albion). Nous avons effectué deux campagnes de mesure sur ce site [7B26]. D'autres contacts et collaborations sont en cours avec les grands organismes français suivants : CEA Saclay, CEA LETI...
Par ailleurs, le laboratoire organise cette année 2002 (comme en 1997) une session internationale de formation à la magnétométrie fine soutenue par le CNRS, le bureau européen de R&D de l’US Air Force, l’Université de Caen. Cette école, intitulée "High Sensitivity Magnetometers : Sensors and Applications" aura lieu au VVF de PortBail du 4 au 8 novembre. Elle accueillera en principe une centaine de participants. L’un des intérêts de ce type de manifestation est d’induire des collaborations, parfois modestes, mais effectives, entre notre laboratoire et des équipes étrangères : en aval de l’école des Houches, nous avons reçu des capteurs de l’institut ILK de Dresde [7I2] [7B5]. Ces travaux auront induits le travail de revue [7I2], et la recherche de nouveaux interlocuteurs susceptibles de nous fournir des capteurs intéressant à caractériser du point de vue du bruit. Ce fut le cas avec P. Ciureanu de l’Institut fédéral Polytechnique de Montréal [7B24]. Enfin, des capteurs nous ont été transmis par les sociétés américaines NVE et San Diego Magnetics (caractérisations en cours).
Une collaboration industrielle au niveau international est également à recenser avec la société anglaise Bartington Ltd, action décrite au paragraphe des collaborations industrielles (7–5.2.).
7–5. Contrats industriels
L’équipe Instrumentation a poursuivi dans la période de référence de ce rapport d’activité une politique active de recherche de contrats industriels ou publics. Le détail en est donné ciaprès. La part la plus importante est venue de nos relations étroites et de longue date avec le partenaire industriel Philips SemiConducteurs (Caen). D’autres actions, ponctuelles ou de plus grande envergure, ont été menées par le groupe « magnétométrie » avec des partenaires industriels ou institutionnels. Enfin, d’autres ressources importantes nous sont parvenues via le Pôle « Image, Technologie de l’Information et de la Communication ». de l’actuel Contrat de Plan Etat Région (20022006).
7K1 "Etude et réalisation d’un système de diagnostic en temps réel d’écrans plats d’ordinateurs", société ELDIM. Responsable : D. Bloyet. Dates : 01.10.1998 au 30.09.2001. Budget : 90 000 F HT.
7K2 "Etude de composants intégrés dans des procédés BiCMOS hautes fréquences", société Philips Composants et SemiConducteurs. Responsable : D. Bloyet. Dates : 01.11.1998 au 31.10.1999. Budget : 300 000 F HT. Convention de recherche.
7K3 "Etude sur l’optimisation du couplage du champ magnétique à un flux gate faible bruit", Bartington Instruments Ltd. Responsables : D. Robbes, C. Dolabdjian. Dates : 01.11.1999 au 31.07.2000. Budget : 157 000 F HT. Contrat d’assistance technique.
7K4 "Etude de composants intégrés dans des procédés BiCMOS hautes fréquences", société Philips Composants et SemiConducteurs. Responsables : D. Bloyet, J.M. Routoure. Dates : 01.11.1999 au 31.05.2000. Budget : 210 000 F HT. Convention de recherche.
7K5 "Qualification d’un magnétomètre à SQUID rf", CEA. Responsable : D. Bloyet. Dates : 01.01.2000 au 31.03.2000. Budget : 21 000 F HT. Contrat de recherche et de prestation.
7–35
7K6 "Conception, développement et mise en place d’un procédé d’intégration bipolaire CMOS
DMOS sur substrat silicium sur isolant (SOI)", Direction Générale de l’Industrie, des Technologies de l’information et des Postes. Responsable : D. Bloyet. Dates : 01.05.2000 au 01.05.2002. Budget : 1 000 000 F HT. Contrat de prestation avec accord de coopération et de propriété industrielle entre PHILIPS France, SOITEC, ISENIEMN, ISMRA.
7K7 "Mise en place d’une action, de caractérisation de convertisseurs analogique numérique (CAN
Identification du jitter)", Fonds National d’Aménagement et de Développement du Territoire. Responsable : D. Bloyet. Dates : 01.01.2001 au 31.12.2001. Budget : 280 000 F HT.
7–5.1. Les Actions contractuelles avec « Philips SemiConducteurs »
Ces relations ont débuté en 1994. Elles ont pour objet la mesure et l’interprétation du bruit excédentaire dans les technologies BiCMOS les plus récentes développées par le groupe Philips. Dans un premier temps, la demande venait spécifiquement du site industriel de Caen qui voyait dans ces études une aide réelle à la mise au point des procédés de fabrication, dans la mesure où les technologies déjà opérationnelles sur d’autres sites (Hollande, USA) devaient être également mises en œuvre à Caen. Si cet aspect est effectivement intervenu par la suite, la motivation essentielle actuelle est l’aide à la modélisation en bruit excédentaire des nouvelles technologies qui est en grande partie confiée par le groupe Philips au site industriel de Caen et pour laquelle nos mesures servent de référence (QUBIC1, QUBIC2, QUBIC3, QUBIC4, BIMOS1, BIMOS2).
Dans la période de référence, nous avons notamment démontré l’importance des courants de recombinaison de base sur la performance en bruit en 1/f de la technologie QUBIC2. Nous avons aussi, par des mesures sur différentes technologies de résistances poly cristallines fourni des modèles génériques et montré l’intérêt de la prise en compte de ce bruit excédentaire dans la CAO de systèmes de réception pour télécommunications (transfert par effet non linéaire du bruit excédentaire vers les fréquences porteuses). Nous nous intéressons actuellement aux effets de taille dans les technologies bipolaires double poly silicium submicroniques (QUBIC3) où le niveau de bruit en 1/f pourrait révéler les inhomogénéités d’épaisseur de l’oxyde magique d’émetteur. Une publication est en préparation sur ce sujet.
Durant les deux dernières années, nous avons aussi travaillé, dans le cadre d’un consortium réunissant Philips SemiConducteurs, SOITEC, l’IEMN et notre laboratoire pour une action contractuelle avec le Ministère de l’Industrie relative au bruit de composants CMOS et DMOS réalisés dans des substrats SOI obtenus par le procédé SMARTCUT. Nos résultats ont montré que le processus d’implantation d’ions Hydrogène utilisé pour détacher la couche de silicium de son substrat massif (cette couche de 1,5 µm d’épaisseur est ensuite déposée sur le substrat définitif et processée) provoquait une dégradation de la qualité de la partie utile du silicium tant en surface qu’en volume. Cette dégradation est évidente sur le niveau de bruit des transistors PMOS et des résistances d’accès au canal (effet de volume). Il est aussi manifeste sur le niveau de bruit des transistors NMOS (qualité de l’interface SiSiO2). Toutefois cette augmentation du niveau de bruit excédentaire n’atteint pas la décade et n’est donc pas pénalisante pour les applications visées pour ce procédé. Nous avons aussi étudié le niveau de bruit excédentaire dans les transistors DMOS qui ont la particularité de posséder un canal très court devant la longueur de la zone de dérive liant le drain interne au contact de drain (applications hautes tensions). Même si la caractérisation en bruit excédentaire n’est pas primordiale pour les applications des DMOS, elle permet d’obtenir de précieuses informations sur la qualité technologique du procédé.
Notre collaboration avec Philips SemiConducteurs nous permet d’accéder à des technologies modernes de fabrication de circuits intégrés. Même si certaines études sont de nature répétitive et devront maintenant être confiées pour partie à du personnel technique, nous considérons que cette relation de travail est indispensable à la poursuite de nos travaux plus fondamentaux présentés par ailleurs sur le bruit excédentaire des dispositifs semiconducteurs. Une négociation est actuellement 7–36
en cours pour la poursuite de notre collaboration avec Philips SemiConducteurs, elle devrait aboutir en septembre 2002.
7–5.2. Les actions en magnétométrie
 Activité contractuelle avec la société Bartington
L’un des magnétomètres à flux gates commercialisés par la société a les meilleures performances du marché pour ce type de magnétomètre. Un système triaxial de référence fut acheté par l’équipe Instrumentation à la fois pour notre site d'expérimentation en campagne d’Aignerville, mais aussi pour avoir un système de référence auquel il soit possible de comparer nos systèmes à haute sensibilité. La mise en évidence des potentialités de mesure du magnétisme cardiaque par les sondes de Bartington, en milieu blindé, peu blindé puis non blindé, a permis de nouer des relations avec la société.
L'objectif de la collaboration était d'étudier la possibilité d’augmenter la sensibilité des flux gates de Bartington par utilisation de guides de flux à base de matériaux magnétiques à très haute perméabilité, pour augmenter le rapport signal à bruit dans une bande passante de 100Hz de signaux magnétiques faibles, dont ceux issus de source cardiaque.
Compte tenu de la longueur initiale de la sonde fournie, il n’a pas été possible d’augmenter de façon significative sa sensibilité. Des modélisations théoriques ont été menées précisant le gain idéal en champ spatialement homogène en fonction du rayon du cœur magnétique à longueur fixée. Le cas des sources magnétiques de type dipolaire est également abordé dans l’étude. Enfin des réalisations de minisondes de types flux gate, à base de fils amorphes magnétiques ont montré qu’un niveau de bruit blanc de 0,7 pT/VHz était réalisable, avec des dimensions compatibles avec l’application envisagée.
 Magnétométrie absolue par RMN de l'Hélium 3 gazeux (DAM)
Ce travail contractuel mené pour le compte du GESMA (Groupe d'Etudes SousMarines de l'Atlantique) est la prolongation d'une collaboration avec la CIRIL (Centre Interdisciplinaire Ions, Laser) entamée dans le cadre d'un PPF obtenu par notre institution lors du précédent contrat quadriennal. Ce PPF nous a notamment permis d'installer notre site de mesure en campagne mentionné au paragraphe précédent. L'objet en était de réaliser une sonde de mesure jetable du camp magnétique terrestre utilisable à des fins militaires de protection des installations navales. La polarisation magnétique nucléaire de l'Hélium est accrue grâce à un pompage optique à diode laser (λ =1,08 µm), les spins entrent en précession à la fréquence de Larmor donc proportionnelle au champ magnétique ambiant suite à une impulsion RF. Le temps de décroissance de cette précession libre peut atteindre une à deux semaines grâce au traitement de surface appliqué aux parois de la cellule de mesure.
Notre travail d'instrumentation a consisté à améliorer le rapport signal sur bruit du récepteur. Une optimisation de la géométrie et du nombre de spires de la bobine de réception a permis d'atteindre un niveau de bruit propre d'environ 25 pT crête à crête dans une bande passante de 0,5 Hz. Un autre axe de notre contribution a consisté à réaliser un système de transmission par voie hertzienne du signal de précession libre en utilisant une modulation FM d'une porteuse à 433,75 MHz, une sous porteuse transmettant en FSK une information de rotation éventuelle de la balise sur elle
même (pour compenser cet effet sur la fréquence apparente de Larmor).
 Caractérisation d'un magnétomètre à SQUID RF (CEA Saclay)
7–37
Une action ponctuelle de caractérisation d'un magnétomètre commercial (Julich) 3D à base de SQUID RF à haute température critique a été menée pour le compte du département CEREM du CEA Saclay. Les axes X et Y du magnétomètre sont munis chacun d'un seul SQUID tandis que l'axe Z, muni de 2 SQUID, peut opérer en champ total ou comme un gradiomètre. Les niveaux de bruit que nous avons mesurés sur notre site de mesure déporté en campagne sont d'environ 2 à 3 pT/
√Hz à 1 Hz et d'environ 0,5 pT/√Hz au delà de 100 Hz. Ces niveaux sont légèrement supérieurs à ceux qu'annonce le constructeur mais dépendent du champ magnétique appliqué au moment de la transition de l'état normal à l'état supraconducteur (le champ magnétique terrestre dans notre cas). Ces mesures nous ont aussi permis d'établir une limite supérieure du bruit magnétique de notre site de mesure qui est négligeable devant les valeurs citées cidessus.
7–5.3. Les actions en instrumentation
 Caractérisation du jitter interne de CAN ultra rapides
Il s'agit d'une action contractuelle menée dans le cadre d'une convention CIFRE avec Philips Semi
Conducteurs. Elle se rapporte à la mesure du bruit de jitter interne de Convertisseurs Analogique Numérique à très haute vitesse de conversion. On se heurte en effet à une difficulté de caractérisation puisque le bruit propre de jitter interne de ces CAN (600 fs) devient bien plus faible que celui des générateurs d'impulsions (qq ps) utilisés pour les mesurer. Les valeurs indiquées actuellement dans les notices techniques de ces CAN résultent de simulations plutôt que de mesures.
La méthode que nous avons proposée utilise deux CAN identiques fonctionnant en parallèle (même signal d'horloge, même signal sinusoïdal d'entrée). Une modélisation fine des données obtenues à la sortie de chacun des convertisseurs permet de séparer les fluctuations corrélées (bruits des générateurs) des fluctuations non corrélées (bruits de jitter interne des CAN). Il a été démontré et prouvé expérimentalement que la robustesse de l'estimation des jitters internes et externe (générateur d'impulsion) était optimale si les signaux sinusoïdaux d'entrée des CAN étaient déphasés de π /2. Cette robustesse a aussi été évaluée en fonction du nombre total de mesures utilisées pour l'estimation et du rapport entre les valeurs des jitters internes et externe. La méthode, brevetée et publiée, permet une meilleure spécification des CAN à haute vitesse (nombre de bits effectifs par exemple) [7T6, 7A6, 7B14, 7S1]. Deux autres publications sont en cours de rédaction sur ce sujet.
 Détection de défauts ponctuels dans des écrans plats d'ordinateurs
Cette action a été menée, dans le cadre d'une thèse de doctorat cofinancée par la région de "Basse
Normandie" en collaboration avec la société ELDIM, société au marché mondial, issue du LETI, spécialisée dans la conception d'instruments de mesures par voie optique et incluant une part importante d'électronique et de traitement du signal.
Le sujet de la thèse était la conception d'un système susceptible de diagnostiquer la présence de défauts ponctuels sur des écrans plats d'ordinateurs. Ces écrans couleurs sont composés de triades périodiques RGB pilotées par des TFT. Le rythme de test demandé, qui doit être effectué sur la ligne de fabrication, est de 3 écrans par minute. Le problème posé, intermédiaire entre les spécialités des équipes "Image" et "Instrumentation" du GREYC était de détecter avec un taux d'erreur minimal la présence de défauts de deux types extrêmement rares (quelques défauts sur une écrans de 4000*4000 triades par exemple) : les pixels anormalement éteints et les pixels anormalement allumés.
Le cahier des charges (temps de test) exigeait de procéder à une analyse de la globalité de l'écran plutôt que par scanning. Nous avons donc choisi de construire, à partir de plusieurs clichés de 7–38
l'écran complet pris via une caméra CCD dont le nombre de pixels est bien inférieur au nombre de triades, une image de l'écran, dite super résolue, présentant un pas de digitalisation identique à celui de l'écran. Chaque pixel de l'écran CCD étant de taille (équivalente) bien supérieure à celle d'une triade, il a fallu compenser les effets de recouvrement de spectre (moiré) et de filtrage passe bas introduits par la caméra en jouant dans le domaine de Fourier sur les fortes connaissances a priori (la périodicité) relatives à l'objet imagé. La solution proposée identifie automatiquement, grâce à un jeu de mires, les paramètres de positionnement de l'écran par rapport à la caméra et compense avant traitement les aberrations chromatiques et géométriques du système optique. Le système s'adapte très aisément à toute configuration du couple caméra CCC, écran plat [7T5, 7B10, 7B11].
Un prototype industriel est en cours de construction. Le produit devrait être commercialisé en 2003 ou 2004.
7–6. Diffusion des résultats
Organisations de conférences et d'écoles thématiques
Le laboratoire organise cette année 2002 (comme en 1997) une session internationale de formation à la magnétométrie fine soutenue par le CNRS, le bureau européen de R&D de l’US Air Force, l’Université de Caen. Cette école, intitulée "High Sensitivity Magnetometers : Sensors and Applications" aura lieu au VVF de PortBail du 4 au 8 novembre. Elle accueillera en principe une centaine de participants.
DEA et enseignement de 3eme cycle

L’équipe Instrumentation du GREYC est pilote du DEA ElectroniqueSystèmesCapteurs
Images (ESCI), dont le responsable Régis Carin (Christian Dubuc jusqu’à septembre 2002. Les enseignements dispensés portent sur les capteurs, le bruit, les techniques de microtechnologie, les techniques de réduction de bruit...
Christophe Dolabdjian est directeur adjoint de l'école doctorale.
Participations et rapporteurs pour jurys de thèses (extérieures au GREYC)
 Thèses rapportées par D. Bloyet :
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N. Redon, rapporteur, 22.11.2000, Université du littoral ;
G. Leroy, rapporteur, 15.05.2002, Université du littoral ;
O Romain, rapporteur, 18.12.2001, Paris 6 ;
F. Voisin, examinateur, 17.02.2002, Paris 6 ;
D Séron, président, 02.2002, Paris 6 ;
J.C. Ginefry, rapporteur, 16.12.1999, Paris 11 ;
E Leautey, rapporteur, 22.01.1999, Paris 11.
 Thèses rapportées par D. Robbes :
. Frédéric Gay, Conservatoire National des Arts et Métiers, spécialité « Systèmes Physiques et Métrologie », 01.12.2000 ;
. Khalil Harrabi, Université Paris VI, Physique des Solides, 11.2000.
 Thèses et HDR rapportées par R. Carin :
. N. Outaleb, Université de Rennes 1, 05.01.1999 ;
7–39
. J. Reboul, Université de Caen, site de Cherbourg, directeur extérieur, 15.12.2000 ;
. A. Cherifi, HDR, Université de Caen, site de Cherbourg, 15.12.2000.
Participations à structures de recherche (GDR, etc.)
Responsabilités de recherche locales, régionales ou nationales (responsable de laboratoire, expertise, chargé de mission, responsable de structure de recherche, etc.) :

Daniel Bloyet : secrétaire de CRITIC.
7–7. Perspectives générales
Au cours du quadriennal 19992003, l'évolution de l'équipe en terme de personnel et d'équipement a conduit presque naturellement à une structure autour de trois thèmes complémentaires allant de l'étude du composant (thème 7–1.) ou du capteur élémentaire (thème 7–2.) à l'instrumentation du capteur (thème 7–3.). Le dénominateur commun à ces trois thèmes reste la mesure à bas niveau de bruit, qui est appliquée soit à l'analyse du bruit à basse fréquence de composants ou de microcapteurs soit à la réalisation d'une instrumentation optimisée de capteurs. Chaque thème conserve sa liberté d'action et d'ouverture, mais des relations entre chacun des thèmes ont été maintenues grâce à l'existence de ce dénominateur commun et à la participation de chercheurs dans plusieurs thèmes.
L'équipement du laboratoire s'est beaucoup enrichi au cours du quadriennal (mise en place d'un banc de mesures sous pointes refroidi, installation du banc de dépôt par ablation laser pulsée et d'ici fin 2003 acquisition d'une chambre blindée...). De plus l'équipe a vu l'arrivée de ses premiers membres du personnel CNRS, un technicien et un chargé de recherche. L'équipe manque encore de personnel technique ou de chercheurs à temps plein mais ces arrivées ont contribué à dynamiser le groupe.
L'équipe dispose d'un spectre de compétences assez larges dans le domaine de l'EEA grâce notamment aux activités d'enseignement des permanents de l'équipe. Un souci de l'équipe, pour le prochain quadriennal, sera d'utiliser au mieux ses compétences afin de poursuivre une participation à des contrats industriels ou à des projets à financement institutionnel en rapport à son activité de recherche. Les financements acquis lors de telles actions sont en effet indispensables au fonctionnement de l'équipe.
L'objectif du prochain quadriennal sera d'arriver à une complète maturité du groupe. A ce titre, des efforts sont à réaliser en terme de collaboration et tout d'abord au niveau national. L'équipe entretient déjà des collaborations avec d'autres laboratoires français mais cellesci sont insuffisantes. Néanmoins, les résultats obtenus à ce jour sur de nombreux thèmes doivent permettre aux chercheurs de l'équipe de proposer à leurs collègues français des travaux en collaboration dont chacun tirera profit. Les collaborations engagées jusqu'à présent avec des laboratoires étrangers notamment, sont de ce point de vue encourageantes.
7–8. Publications
Thèses soutenues entre octobre 1998 et juillet 2002
7T1  Virginie Beaumont, " Synthèse de films minces de NdBa2Cu3O7δ par ablation laser : étude des mécanismes de croissance et des propriétés physiques", directeurs : B. Mercey, C. Gunther. 7–40
Rapporteurs : J.P. Contour, J.P. Landesman. Jury : P. Bernstein, J.P. Contour, C. Gunther, A.M. HaghiriGosnet, J.P. Landesman, B. Mercey, B. Raveau, D. Robbes. Soutenue le 29.03.02.
7T2  Abderrahman Boujrad, "Etude et réalisation d’un TDC numérique dans le cadre des trigger du Ganil", directeur : D. Bloyet. Rapporteurs : E. Plagnol, H. Delagrange. Jury : D. Bloyet, J. Clement, H. Delagrange, M. Lewitowicz, E. Plagnol, M. Tripon. Soutenue en décembre 2001.
7T3 Nicolas Cheenne, "Synthèse de superréseau pour la réalisation et l'étude de microbolomètres  Rôle des interfaces sur la transmission des phonons", directeurs : D. Robbes. J.F. Hamet (CRISMAT). Rapporteurs : C. DevilleCavellin, J.P. Maneval. Jury : D. Bloyet, C. DevilleCavellin, J.F. Hamet, J.P. Maneval, B. Raveau, D. Robbes. Soutenue le 18.12.2000.
7T4 Christophe Cordier, "Modélisation électromagnétique des supraconducteurs par la méthode des éléments finis : cartographie tridimensionnelle en vue de l'optimisation des microcapteurs en couches minces", directeur : C. Dubuc. Rapporteurs : A. Gilabert, P. Massé. Jury : D. Bloyet, C. Dubuc, S. Flament, A. Gilabert, P. Massé. Soutenue le 25.01.2000.
7T5  Véronique Gibour, "Reconstruction d’image à haute résolution à partir de multiples clichés à basse résolution : application à la détection de pixels défectueux sur des écrans plats de définition très supérieure à celle du système d’acquisition", directeur : D. Bloyet. Rapporteurs : P. Bonton, M. Dijon. Jury : D. Bloyet, P. Bonton, M. Dijon, M. Leroux. Soutenue le 04.01.02.
7T6  JeanMarie Janik, "Etude de l'influence et mesure des instabilités temporelles dans une environnement de caractérisation dynamique de convertisseurs analogiques et numériques", directeur : D. Bloyet. Rapporteur : G. Chiorboli, P. Marchegay. Jury : D. Bloyet, R. Carin, G. Chiorboli, P. Guétin, B. Guyot, P. Marchegay. Soutenue le 15.07.02.
7T7 – JeanFrançois Lecomte, "Quantification d'images tomographiques 3D et détection appliquées à l'imagerie cérébrale fonctionnelle individuelle", directeur : D. Bloyet. Rapporteur : M. Barlaud, M. Defrise. Jury : M. Barlaud, D. Bloyet, M. Defrise, B. Mazoyer, J.M. Travère. Soutenue en octobre 1998.
7T8 Abdelkarim Mercha, "Les mécanismes de conduction et de bruit en 1/f dans les transistors en couches minces de silicium polycristallin", directeurs : R. Carin, L. Pichon. Rapporteurs : O. Bonnaud, D. Rigaud. Jury : D. Bloyet, O. Bonnaud, R. Carin, L. Karel, L. Pichon, D. Rigaud, J. Vandamme. Soutenue le 19.12.2000.
7T9 Sébastien Saez, "Magnétomètres  Gradiomètres à capteurs supraconducteurs à haute température critique. Mise en oeuvre dans un cryogénérateur portable à tube pulsé", directeurs : D. Robbes, C. Dolabdjian. Rapporteurs : M. Hubin, P.L. Vuillermoz. Jury : D. Bloyet, P. Commeau, C. Dolabdjian, C. Heiden, D. Robbes, P.L. Vuillermoz. Soutenue le 21.01.2000.
7T10 Eric Sassier, "Magnétomètres à précession libre de noyaux d'3He et à jonction Josephson", directeurs : D. Robbes, Y. Monfort. Jury : D. Bloyet, L. Darasse, G. Hervé, Y. Monfort, D. Robbes, M. Schilling. Soutenue le 12.07.2000.
7T11 Luc Saury, "Etude et réalisation d'un picovoltmètre à squid DC", directeur : C. Dubuc. Rapporteurs : L. Darrasse, P. Gandit. Jury : D. Bloyet, L. Darasse, C. Dubuc, P. Gandit, G. Gerritsma, C. Gunther. Soutenue en décembre 1998.
Habilitations à diriger des recherches
7H1 Christophe Dolabdjian, "Magnétométrie à haute sensibilité, du capteur à l'application", directeur : D. Bloyet. Rapporteurs : Y. Ousten, D. Robbes, M. Schilling. Jury : D. Bloyet, Y. Ousten, D. Plako, D. Robbes, M. Schilling. Soutenue le 11.12.00.
7H2 Laurent Pichon, "Transistors en couches minces de silicium polycristallin dopé in situ en technologie basse température (< 600)C) : procédés technologiques et caractérisation électriques", 7–41
directeur : D. Bloyet. Rapporteurs : O. Bonnaud, J. Brini, R. Carin. Jury : D. Bloyet, O. Bonnaud, J. Brini, R. Carin, D. Rigaud, R. Rizk,. Soutenue le 17.12.01.
Revues internationales
7A1 A. Boujrad, D. Bloyet, M. Tripon, "A digital TDC with a reduced number of delay cells", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, section A, 486, pp. 799808, 2002.
7A2 C. Cordier, S. Flament, C. Dubuc, "A 3D finite element formulation for calculating Meissner currents in superconductors", IEEE Trans. on Applied Superconductivity, 9, n° 1, pp. 26, mars 1999.
7A3 C. Cordier, S. Flament, C. Dubuc, "Finite element calculation of Meissner currents in multiply connected superconductors", IEEE Trans. on Applied Supercond., 9, n° 4, pp. 47024707, déc. 1999.
7A4# C. Dolabdjian, J. Fadili, E.H. Leyva, "Classical low pass filter and real time wavelet based denoising technique implemented on a DSP : a comparison study", European Physical, J. Applied Physics, à paraître, 6 p., 2002.
7A5 B. Guillet, L. Méchin, D. Robbes, "Low noise temperature control : application to an active cavity radiometer", Rev. Sci. Instruments, 8 p., juin 2002.
7A6 J.M. Janik, D. Bloyet, B. Guyot, "Measurement of timing jitter contributions in a dynamic test setup for A/D converters", IEEE Trans. on Instrum. and Meas, vol. 50, (3), pp. 786791, juin 2001.
7A7 S. Kerdiles, A. Berthelot, R. Rizk, L. Pichon, "Fabrication and properties of lowtemperature (* 600°C) ntype SiC/ptype crystalline Si heterojunction diodes", Applied Physics Letters, 80, pp. 37723774, 2002.
7A8 S. Kerdiles, R. Rizk, D. Grebille, L. Pichon, O. Bonnaud, "Low temperature crystallization of silicon carbide: fabrication and properties of nanocrystalline SiC/Si heterostructure devices", Solid State Phenomena, vol. 8081, pp. 397402, 2001.
7A9 L. Méchin, G. J. Gerritsma, "The direct growth of SrTiO3 (100) layers on silicon (100) substrates ; Application as a buffer layer for the growth of DyBa2Cu3O7 thin films", Physica C, vol. 324, n° 1, pp. 4756C, 1999.
7A10 A. Mercha, R. Feyaerts, L.K.J. Vandamme, comment on "Comparison of excess 1/f noise spectra in trimmed and utrimmed thick film resistors", International Journal of Electronics, vol. 88, n° 3, pp. 315319, 2001.
7A11 A. Mercha, L. Pichon, R. Carin, K. Mourgues, O. Bonnaud, "Grain boundary trap passivation in polysilicon thin film transistor investigated by low frequency noise", Thin Solid Films, 383, pp. 303306, 2001.
7A12 A. Mercha, J. Rhayem, L. Pichon, M. Valenza, J.M. Routoure, R. Carin, O. Bonnaud, D. Rigaud, "Low frequency noise in low temperature unhydrogenated polysilicon thin film transistors", Microelectronics Reliability, 40, (version étendue) pp. 18911896, 2000.
7A13 A. Mercha, L.K.J. Vandamme, L. Pichon, R. Carin, O. Bonnaud, "Current crowding and 1/f noise in polycristalline silicon thin film transistors", Journal of Applied Physics, 90, pp. 40194025, 2001.
7A14 D. Mihailovic, J. Demsar, B. Podobnik, V.V. Kabanov, J.E. Evetts, G.A. Wagner, L. Méchin, "Quasiparticle dynamics from the BoseEinstein condensation to the BCSlike regions of the phase diagram in YBa2Cu3O7", Journal of superconductivity, vol. 12, pp. 3336, 1999.
7A15 T. Mishonov, N. Chéenne, D. Robbes, J. Indekeu, "Generation of 3rd and 5th harmonics in a thin superconducting film by temperature oscillations and isothermal nonlinear current response", Eur. Phys. J. B 26, pp. 291296, 2002.
7–42
7A16 L. Pichon, A. Mercha, R. Carin, O. Bonnaud, T. Mohammed Brahim, Y. Helen, R. Rogel, "Analysis of the activation energy of the subthreshold current in laser and solid phase crystallized polysilicon thin film transistors", Applied Physics Letters, 77, (4), pp. 576578, juillet 2000.
7A17 L. Pichon, A. Mercha, R. Carin, T. MohamedBrahim, O. Bonnaud, Y. Helen, "Comparison of the electrical behavior in the subthreshold region between laser and solid phase crystallized polysilicon thin film transistor", Solid State Electronics, 46, pp. 459466, 2002.
7A18 L. Pichon, K. Mourgues, F. Raoult, T. MohammedBrahim, O. Bonnaud, K. KisSion, D. Briand, "Thin film transistors on unhydrogenated insitu doped polysilicon films obtained by Solid Phase Crystallization : a key issue for LCD applications", Semiconductor Science and Technology, 16, pp. 918924, 2001.
7A19 J.M. Reboul, R. Carin, "Space charge measurement in polymer films by the new alternative thermal wave method", Polymer International, à paraître, 5 p., septoct 2002.
7A20 J.M. Reboul, A. Chérifi, R. Carin, "A new method for space charge measurements in dielectric films for power capacitors", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 8, pp. 753759, 2001.
7A21 X. Ridereau, M. Lam Chok Sing, D. Bloyet, "Design of a magnetically shielded helium insert with a variable temperature regulated stage", Rev. of Scient. Instrum., 72, (6), pp. 28322833, juin 2001.
7A22 X. Ridereau, M. Lam Chok Sing, D. Bloyet, "Design and performances of a shielded liquid helium insert with an optically heated variable temperature stage for the study of low frequency magnetic noise in HTc superconductors", European Physical, J. Applied Physics, 13, pp. 225228, 2001.
7A23 D. Robbes, N. Cheenne, JF. Hamet, B. Mercey, "Laser heating experiments on multilayered (SI)n strips and possible improvements of TES based bolometers", Physica C, 326327, pp. 144156, 1999.
7A24 J.M. Routoure, J. Lepaisant, D. Bloyet, S. Bardy, C. Biard, L. Gambus, J. Lebailly, "Low frequency excess noise measurements in polysilicon high frequency bipolar transistor technologies", Solid State Electronics, 43, n° 4, pp. 729740, avril 1999.
7A25 J.M. Routoure, J. Lepaisant, D. Bloyet, S. Bardy, J. Lebailly, "Crowding effects and low frequency noise in polysilicon emitter bipolar transistors", Solid State Electronics, 43, n° 5, pp. 931936, juin 1999.
7A26 E. Sassier, Y. Monfort, C. Gunther, D. Robbes, O. Moreau, H. Gilles, "A HTc SQUID in a preamplifier stage to detect 3He nuclear precession", Rev. Scient. Instrum., 70, n° 7, pp. 30403045, 1999.
7A27 L. Saury, C. Gunther, C. Dubuc, "Modeling of the coupling structure of a HTC DC SQUID amplifier", IEEE Trans. on Applied Superconductivity , 9, n° 1, pp. 5057, mars 1999.
7A28 B. Sorkin, P. Konsin, S.K. Patapis, S. Avgeros, L. Méchin, "Anisotropic 3D fluctuation conductivity in Y1Ba2Cu3O7y thin films on different substrates", Physica C, vol. 31718, pp. 611613, 1999.
7A29 N. Valdaperez, J.M. Routoure, D. Bloyet, R. Carin, S. Bardy, J. Lebailly, "Low frequency noise in single poly bipolar transistors at low base current density", Microelectronics Reliability, 41, (2), pp. 265271, février 2001.
Ouvrages et chapitres de livres
7L1 A. Mercha, R. Carin, C.A. Dimitriadis, G. Fortunato, J. Brini, "1/f Noise in polycrystalline silicon thinfilm transistors", Chapter 6 of "Noise and Fluctuations Control in Electronic Devices", A. Balandin ed., American Scientific Publishers, pp. 87113, 2002.
7–43
Conférences internationales avec comité de lecture et actes
7B1 F. Amrane, A. Cherifi, C. Dubuc, "A calculated PWM for three phase inverter", LESCOPE 2000, Halifax, Canada, pp. 103107, juillet 2000.
7B2 N. Cheenne, D. Robbes, J.P. Maneval, S. Flament, B. Mercey, J.F. Hamet, L. Mechin, "(YBCO/STO)n multilayers : a way to avoid substrate micro machining of microbolometers ?", European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'99), 1417 septembre, Sitge, Espagne, Inst. Phys. Conf., Ser. n° 167, pp. 695698, 1999.
7B3 C. Dolabdjian, "HTc SQUID applications in low magnetic fields detection : state of the art. Recent improvement of HTc SQUID's cooling option", Proceedings of 2nd International Conference on Marine Electromagnetics (MARELEC'99), 57 juillet, Brest, pp.125134, 1999.
7B4 C. Dolabdjian, A. Qasimi, D. Bloyet, V. Mosser, "Spatial resolution of SQUID magnetometers and comparison with that of low noise room temperature magnetic sensors, SQUID 2001, août 2001, Proc. Physica C, 368, pp. 8084, 2002.
7B5 C. Dolabdjian, S. Saez, D. Robbes, C. Bettner, U. Loreit, F. Dettmann, G. Kaiser, A. Binneberg, "HTS SQUIDs and cryogenically operated magnetoresistive sensors. An open competition ?", European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'99), 1417 septembre, Sitge, Espagne, Inst. Phys. Conf., Ser. n° 167, pp.441444, 1999.
7B6 S. Flament, W. Warsito, C. Cordier, L. Méchin, D. Bloyet, "High resolution magnetooptical study of superconducting thin films and devices", Applied Superconductivity Conference (ASC 2000), sept. 2000, Virginia Beach, IEEE Trans. on Applied Supercond., 11 (1), pp. 31743177, mars 2001.
7B7 S. Flament, Warsito, C. Gunther, L. Mechin, "Magneto optical imaging of patterned YBCO thin films using laser deposited Bi3Fe5O12/Gd3Ga5O12 (111) thin film visualizer", Applied Superconductivity Conference (ASC 2002), Houston, 4 p., août 2002.
7B8 S. Flament, Warsito, L. Mechin, C. Gunther, K. Kawano, G. Kong, R.A. Chakalov, J.S. Abell, S.I. Khartsev, A.M. Grishin, "Magneto optic laser deposited Bi3Fe5O12/Gd3Ga5O12 (111) films : characterization and imaging", MORIS'02, 58 mai, Benodet, à paraître, 2 p., 2002.
7B9 A. Gaugue, A. de Luca, A. Kreisler, D. Robbes, C. Gunther, G. Beaudin, A. Sentz, M. Fourrier, "Nanobolomètres supraconducteurs HTC en ondes submillimétriques", Proceedings du 15ème Colloque international d’Optique Hertzienne et Diélectrique (OHD), 13 septembre, Besançon, 4 p., 1999.
7B10 V. Gibour, T. Leroux, D. Bloyet, "High resolution analysis for defective pixels detection using a low resolution camera. International Meeting on Information Display (IMID)", 2123 août, Daego, Corée, 2002. 7B11 V. Gibour, T. Leroux, D. Bloyet, "High resolution analysis for defective pixels detection using a low resolution camera", Eurodisplay 2002, 14 octobre, Nice, à paraître, 2 p., 2002.
7B12 B. Guillet, D. Robbes, L. Mechin, "YBCO transition edge sensors (TES) used for very low noise thermal control", Applied Superconductivity Conference (ASC 2002), Houston, 4 p., août 2002.
7B13 Y. Helen, K. Mourgues, F. Raoult, T. MohammedBrahim, O. Bonnaud, R. Rogel, C. Prat, D. Zahorski, L. Pichon, "Good uniformity excimer laser polysilicon TFTs", Eurodisplays'99, Berlin, 2 p., août 1999.
7B14 J.M. Janik, D. Bloyet, "Survey of timing jitter measurements", 11th IMEKO, TC4, 1314 sept. 2001, Lisbonne, à paraître, 4 p., 2002.
7B15 M.S. Khalil, A. Chérifi, J.M. Reboul, R. Carin, "Investigation of the effects of temperature variations on space charge formation in polyethylene", Proceedings of the Fifth International Conference on Insulated Power Cables (Jicable'99), 2024 juin, Versailles, France, pp. 662666, 1999.
7–44
7B16 A. Mercha, L. Pichon, R. Carin, O. Bonnaud, "Correlation of conduction and noise parameters in Low Temperature PolySi TFTs", Proceedings of 31st European SolidState Device Research Conference, ESSDERC 2001, 1113 septembre, Nuremberg, Germany, pp. 359361, 2001.
7B17 A. Mercha, J. Rhayem, L. Pichon, M. Valenza, R. Carin, O. Bonnaud, D. Rigaud, "Conduction and low frequency noise in polysilicon thin film transistors", Proceedings of 16th International Conference on Noise in physical systems and 1/f fluctuations, 2225 octobre, Gainesville, USA, pp. 267270, 2001.
7B18 A. Mercha, J. Rhayem, L. Pichon, M. Valenza, J.M. Routoure, R. Carin, O. Bonnaud, D. Rigaud, "Low frequency noise in low temperature unhydrogenated polysilicon thin film transitors", Proceedings of 15th International Conference on Noise in physical systems and 1/f Fluctuations (ICNF'99), 2326 août , Hong Kong, pp. 6265, (article en version plus étendue dans Micr. Rel.), 1999.
7B19 Y. Monfort, E. Sassier, O. Moreau, "Amplification of He magnetometer free precession signal in earth magnetic field", Proceedings of 2nd International Conference on Marine Electromagnetics (MARELEC'99), 57 juillet, Brest, pp.135142, 1999.
7B20# E. Pigeon, O. Gehan, C. Dolabdjian, D. Robbes, "An experimental evaluation of two predictive controllers", Proc. of PID'00, 57 avril, Terrassa, Espagne, pp. 617621, 2000.
7B21 L. Pichon, A. Mercha, R. Carin, Y. Helen, K. Mourgues, F. Raoult, T. MohammedBrahim, O. Bonnaud, "Analysis of defects in solid phase crystallized and laser crystallized unhydrogenated polysilicon thin film transistors", Proceedings of European SolidState Device Research Conference (ESSDERC'99), Leuven, pp. 700703, septembre 1999.
7B22 J.M. Reboul, M. Rouff, R. Carin, "Characterization of dielectric films for power capacitors by space charge technique", IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI 2002), 710 avril, Boston, USA, pp. 323326, 2002.
7B23 D. Robbes, C. Dolabdjian, Y. Monfort, "Performances and place of magnetometers based on amorphous wires compared to conventional magnetometers", IWMW (International Workshop on Magnetic Wires) 2022 juin 2001, San Sebastian, Proc. Journal of magnetism and magnetic materials, à paraître, 4 p., 2002.
7B24 D. Robbes, C. Dolabdjian, Y. Monfort, P. Ciureanu, "Feasibility of an intracardiac magnetic probe", 5th european conference of applied superconductivity, août 2001, Physica C 372376, pp. 249253, 2002.
7B25 E. Sassier, Y. Monfort, C. Gunther, D. Robbes, "A directly coupled Josephson Fraunhofer Meissner Gaussmeter", European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'99), 1417 septembre, Sitge, Espagne,) Inst. Phys. Conf., Ser. n° 167, pp.165168, 1999.
7B26 G. Waysand, D. Bloyet, J.P. Bongiraud, J.L. Collar, C. Dolabdjian, Ph. Le Thiec, "First characterization of the ultra shielded chamber in the low noise underground laboratory (LSBB) of Rustrel Pays d'Apt", communication à Workshop on low temperature detectors (LTD 8), août 1999, Nuclear Instruments and methods, 444, pp. 336339, 2000.
Conférences invitées 7I1 L. Pichon, A. Mercha, O. Bonnaud, R. Carin, "Conduction and lowfrequency noise : diagnostic tools for lowtemperature (<600°C) polysilicon thin film transistor technology", 202nd Meeting of the Electrochemical Society, 2025 octobre 2002, Salt Lake City, USA, Proc. Journal of the Electrochemical Society, à paraître, 2003.
7I2 D. Robbes, C. Dolabdjian, S. Saez, Y. Monfort, G. Kaiser, P. Ciereanu, "Highly sensitive uncooled magnetometers : state of the art superconducting magnetic hybrid magnetometers, an 7–45
alternative to SQUIDs ?", Applied Superconductivity Conference (ASC 2000), sept. 2000, Virginia Beach, IEEE Trans. on Applied Supercond., 11 (1), pp. 629634, 2001.
Conférences nationales avec comité de lecture et actes
7E1# C. Dolabdjian, J. Fadili, E.H. Leyva, "Comparaison d'un filtrage numérique à l'aide de la transformée d'ondelettes discrète, mis en œuvre en temps réel sur un DSP, à un filtrage classique de type PB", C2I 2001, 31 janvier1 février, Paris, éd. Hermés, pp. 397404, 2001.
7E2 H. Gilles, J. Hamel, Y. Montfort, Magnétométrie à hélium par pompage laser : le bilan", COLOQ 7, 57 septembre 2001, Rennes, actes in J. Phys. IV, France 12, Pr. 5, pp. 139141, 2002.
7E3 Guillet, L. Méchin, D. Robbes, N. Chéenne, "Mesures de bruit excédentaire de films minces supraconducteurs YBCO", 8èmes Journées de la Matière Condensée, 2730 août, Marseille, p. 1211, 2002.
7E4 I. Lartigau, J.M. Routoure, D. Bloyet, R. Carin, "Mesures de bruit excédentaire basse fréquence sur des MOS / SOI", Vèmes Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique (JNRDM 2002), 2325 avril, Grenoble, pp. 164165, 2002.
7E5 A. Mercha, L. Pichon, R. Carin, "Analyse du bruit en 1/f dans les transistors en couches minces de silicium polycristallin (TFT)", IIIe Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique (JNRDM 2000), 45 mai, Montpellier, pp. 3839, 2000.
7E6 M. Mikou, R. Carin, "Contact entre divers métaux et le germanium monocristallin : caractérisation électrique", SICEO'99, 1516 avril, Fès, Maroc, pp. 248255, 1999.
7E7 L. Pichon, A. Mercha, J.M. Routoure, R. Carin, O. Bonnaud, T. MohammedBrahim, "Meyer
Neldel parameter as a figure of merit for quality of thinfilmtransistor active layer ?", EMRS 2002 (European Materials Research Society), Strasbourg, 1821 juin, France, à paraître, 2002.
7E8 J.M. Reboul, A. Chérifi, R. Carin, "Nouvelles variantes de la méthode de l’onde thermique pour la détermination des charges d’espace dans les films diélectriques. Congrès de la Société Française d’Electrostatique", SFE 1999, 46 juillet, Poitiers, pp. 183190, 1999.
7E9 J.M. Reboul, A. Chérifi, R. Carin, "Mesures des charges d’espace dans les films diélectriques par des méthodes thermiques. Etude des performances de nouveaux dispositifs expérimentaux", 2 ème Conférence sur l’Electrostatique (SFE 2000), 1011 juillet, Montpellier, pp. 5156, 2000.
7E10 J.M. Reboul, A. Chérifi, R. Carin, "Mesures des charges d’espace dans les films diélectriques par des méthodes thermiques. Mise au point de nouveaux protocoles de mesure à partir de modélisations et de simulations", 2ème Conférence sur l’Electrostatique (SFE 2000), 1011 juillet, Montpellier, pp. 6166, 2000.
7E11 J.M. Reboul, M. Rouff, R. Carin, "Mesures des charges d’espace dans les films diélectriques pour condensateurs par la méthode de l’onde thermique alternative", Conférence sur l’Electrostatique (SFE 2002), 34 juillet, Toulouse, Proc. CDROM, 2002.
7E12 X. Ridereau, M. Lam, D. Bloyet, 'Conception et performances d'une canne à température variable à chauffage optique pour l'étude du bruit magnétique basse fréquence dans les supraconducteurs à haute Tc", 6èmes Journées d'Aussois, 1619 mai, pp. 907910, 2000.
7E13 X. Ridereau, M. Lam Chok Sing, D. Bloyet, "Conception et performances d'une canne à température variable à chauffage optique pour l'étude du bruit magnétique basse fréquence dans les supraconducteurs à haute Tc", C2I 2001, 31 janvier1 février, Paris, éd. Hermés, pp. 327334, 2001.
7E14 N. Valdaperez, J.M. Routoure, D. Bloyet, R. Carin, "Caractérisation statique et en bruit de transistors bipolaires double polysilicium", Vèmes Journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique (JNRDM 2002), 2325 avril, Grenoble, pp. 196197, 2002.
7–46
7E15 Warsito, S. Flament, L. Méchin, D. Bloyet, "Contrôle non destructif d'un film mince supraconducteur à haute temperature critique à l'aide d'un film magnéto optique", C2I 2001, 31 janvier1 février, Paris, éd. Hermés, pp. 261268, 2001.
7E16 F. Yang, L. Méchin, J.M. Routoure, D. Robbes, "Mesures de bruit en 1/f dans des couches minces de La0,7Sr0,3MnO3 sur SrTiO3 ", 8èmes Journées de la Matière Condensée, 2730 août, Marseille, p. 1206, 2002.
Autres conférences
7F1 A. Gaugue, A. de Luca, A. Kreisler, D. Robbes, C. Gunther, J. Gierak, C. Vieu, A. Sentz, M. Fourrier, "Microbolomètres supraconducteurs HTC en ondes submillimétriques : première étape vers les nanobolomètres à électrons chauds", JNM'99, Arcachon, 1999.
7F2 B. Guillet, D. Robbes, "Thermométrie à haute résolution à température ambiante", C2I 2001, 31 janvier1 février, Paris, 2001.
7F3 S. Kerdiles, L. Pichon, O. Bonnaud, R. Rizk, "Low temperature crystallization of silicon carbide : fabrication and properties of nanocrystalline SiC/Si heterostructures device", Polycrystalline Semiconductors 2000, 37 septembre, St Malo, Solid State Phenomena, 2000.
7F4 L. Pichon, R. Carin, D. Robbes, "Caractérisation en température de semiconducteurs et mise en œuvre d’un thermomètre analogique", 3ème Colloque sur l’Enseignement des Technologies, des Sciences de l’Information et des Systèmes (CETSISEEA 2001), 2930 octobre, ClermontFerrand, France, pp. 273276, 2001.
7F5 J.M. Reboul, A. Chérifi, R. Carin, "Space charge measurement in polymer films by the alternative thermal wave method. International Conference (SCI/IEEE) on Polymers in the third Millenium (P3M)", 26 septembre, Montpellier, Polymer International, 2001.
7F6 D. Robbes, L. Dendura, I. Robbes, O. Hervieu, Y. Monfort, S. Marinel, "Le DEUG STPI à Caen : initialisation d’innovations pédagogiques", 3ème Colloque sur l’Enseignement des Technologies, des Sciences de l’Information et des Systèmes (CETSISEEA 2001), 2930 octobre, ClermontFerrand, France, pp. 313316, 2001.
7F7 D. Robbes, Y. Monfort, "Manipulation de cours en EEA et nouveaux supports de communication : un exemple d’initiation attractive en option découverte de DEUG", 2 ème Colloque sur l’Enseignement des Technologies et des Sciences de l’Information et des Systèmes (CETSISEEA 1999), 45 novembre, Montpellier, France, pp. 273277, 1999.
7F8 J.M. Routoure, "Simulation de circuits analogiques en microélectronique à l’aide d’outils libres", 3ème Colloque sur l’Enseignement des Technologies, des Sciences de l’Information et des Systèmes (CETSISEEA 2001), 2930 octobre, ClermontFerrand, France, pp. 321324, 2001.
Articles soumis
7S1 J.M. Janik, D. Bloyet, "Behavioural study of timing uncertainties related to A/D converters : Theory and experiments", IEEE Trans. on Instrumentation, 5 p., 2002.
7S2 L. Pichon, A. Mercha, J.M. Routoure, R. Carin, O. Bonnaud, T. MohammedBrahim, "Meyer
Neldel parameter as a figure of merit for quality of thinfilmtransistor active layer ?", Thin Solid Films, 4 p., juin 2002.
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7 – Equipe Instrumentation

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