Capteurs piézoélectriques souples à base de microfils de GaN en structure capacitive

GaN nanowires based flexible Piezoelectric transducers

• Auteur / Autrice : Amine El kacimi
• Direction : Joël Eymery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 10/11/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble) - Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble ; 2008-2018)
• Jury : Président / Présidente : Jumana Boussey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noëlle Gogneau, Guylaine Poulin-Vittrant, Emmanuelle Pauliac-Vaujour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Thomas, Marc Lethiecq

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Modules multipuces (microélectronique)

Nitrure de gallium

Capteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Capteurs

Nanofil

GaN

Piézoélectrique

Croissance

Modélisation

Transducer

Nanowire

GaN

Piezoelectric

Growth

Modelling

Résumé

Les études et recherches portant sur les nanomatériaux tels que les nanofils, nanoparticules ou les nano-fibres ont connu un progrès significatif. Le développement de ces structures fut soutenu par les avancées réalisées dans le domaine des technologies de micro fabrication qui permettent de nos jours, l’intégration des nanostructures sur les puces électroniques par le biais des procédés CMOS conventionnels. Ces travaux de thèse portent sur l’étude et le développement de capteurs piézoélectriques souples à base de nanofils de Nitrure de Gallium (GaN) assemblés selon deux architectures. Ces deux géométries furent étudiées dans le cadre d’une approche globale qui traite à la fois de la croissance des fils, la fabrication des capteurs et la caractérisation électrique. En se basant sur des calculs en éléments finis, nous nous sommes d’abord penchés sur la compréhension des mécanismes de fonctionnement des dispositifs dans les deux cas de figures. Nous avons également utilisé cet outil pour établir des règles de design. Les effets des paramètres géométriques des fils et des dimensions des capteurs ont été étudiés d’un point de vue théorique afin de déduire les adaptations qu’il fallait apporter sur nos procédés de fabrication pour cibler les grandeurs optimales. Finalement, des caractérisations électriques ont été réalisées sur les capteurs fabriqués? Dans le but d’approuver les règles de design d’un point de vue expérimental. Dans ce contexte, une électronique appropriée a été développée pour la lecture des signaux piézoélectriques issus des capteurs sollicités en compression sur un banc de test automatisé.

Nanomaterials sush as nanowires, nanoparticles and nanofibers have araised in past few years as a novel solution for next generation electronics thanks to their outstanding physical properties sustained by the capability of being integrated into microchips using conventional CMOS processes. Within the frame of this thematic, piezoelectric wires are one of subjects that has been studied the most recently. They have been used as an active material for electromechanical energy harvesting or sensing applications.This work studies GaN wire-based flexible piezoelectric sensors developped into two different architec-tures. We present a complete overview of the device fabrication and design starting from wire growth by MOVPE to the final electrical characterization of the sensors. Using Finite Element Modelling, we have explored the working principles of both architectures in order to understand deeply the potential genera-tion mechanisms occuring at the wire level. This method was also used to help us establish the main de-sign rules which provided guideness for the fabrication: The effects of wire geometrical parameters and device dimensions on the electrical performances of the devices were studied from a theoritical point of view to figure out the optimal geometry to be targeted by the process and adapt it accordingly. Finally, electrical characterization has been carried out on several devices in order to approve the design rules experimentally. An appropriate automated mechanical bench has been used and a proper readout circuit was developed to be able to correctly detect the actual piezoelectric signal provided by the sensors.