Abstract :
[en] The piezotronic effect relies on the creation of piezoelectric polarization charges mechanically induced within a piezoelectric semiconductor to modulate the carrier dynamics across electronic contact interfaces. The field of piezotronics is a relatively new area of study, based on a mechanical signal triggering, which is one of the most common kind of interactions between the environment and electronic systems. It started to draw a considerable attention in the early 2010’s, by reaching higher electromechanical sensitivities when compared to conventional methods of sensing.
The rapidly spreading Internet-of-Things is accelerating Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS) industry to deliver highly sensitive and miniaturized self-sensing sensors with low power consumption and cost-effective production process. Within this context, strain sensors based on the piezotronic effect appear as promising candidates to address these needs. However, several crucial questions remain unanswered or need to be refined, concerning the design and integration of piezotronic junctions with its fabrication process into microsystems or MEMS, the optimal configuration for strain sensing as well as noise studies for such systems.
This PhD thesis proposes to rationalize the piezotronic effect for strain sensors and presents a novel microfabrication process integrating for the first time piezotronic strain sensors in millimetre-sized cantilevers on flexible polymeric substrates by means of maskless laser lithography. The atomic layer deposition (ALD) technique was used for the deposition of ZnO polycrystalline thin films on high work function metals to obtain Schottky junctions. However, such ZnO-based Schottky junctions by ALD have never been post-processed and integrated into a strain sensor. We propose to rationalize the ALD processing to obtain wurtzite polycrystalline zinc oxide thin films with a privileged (002) orientation and to make it compatible with microfabrication processing on polymer.
The difficulties linked with the integration of inorganic thin films onto a polymeric substrate within the developed microfabrication process will be highlighted. We propose appropriate adjustments of the sensor’s design and the process flow. Pt/ZnO/Pt back-to-back Schottky diode junctions have been shaped in interdigitated microelectrodes to get piezotronic strain sensing on the clamp area of the cantilever structure. The conduction mechanisms occurring within the piezotronic strain microsensors have been thoroughly studied, based on the thermionic emission model. The developed electrical model will be detailed, emphasizing the presence of interface trap states and their prominent impact on the electrical characteristics. The piezotronic strain sensors’ transducing properties will be detailed as well by the mean of force spectroscopy, leading to the expected Schottky barrier height modulation by the piezotronic effect. Furthermore, we investigated for the first time the noise figure of within strain sensors based on the piezotronic effect. These new insights about noise amplitudes and origins are promising matter of optimization to improve the signal-to-noise ratio of the sensor.
Within the last section of this work, we will detail the piezotronic strain sensors size miniaturization for integration in microcantilevers in a full-SU8 body. The miniaturization of our strain sensors makes them more prone for AFM (Atomic Force Microscopy) scanning probe operations on commercial machines, with the aim of greatly improving the sensitivity to small mechanical deformations. The approach taken for the microfabrication of these miniaturized sensors is based on a reversed processing by the mean of a sacrificial layer. This raised new difficulties in terms of metal adhesion and electrical contact continuity, which will be reported.
The results obtained are highly promising and pave the way towards the processing of ultrasensitive strain microsensors on MEMS structures, as well as their great potential for AFM scanning probe operations.
[fr] L’effet piézotronique repose sur la création de charges de polarisation piézoélectriques d’origine mécanique induites au sein d’un semiconducteur piézoélectrique, afin de moduler la dynamique des porteurs de charges au travers d’interfaces de contact électroniques. Le domaine des dispositifs piézotroniques est un champ d’études relativement nouveau, basé sur un signal de déclenchement mécanique, représentant l’une des interactions les plus fréquentes entre l’environnement et les systèmes électroniques. Ce domaine d’études a commencé à attirer une attention considérable au début des années 2010, en atteignant des sensibilités électromécaniques supérieures en comparaison aux méthodes de détection conventionnelles.
La propagation rapide de l’Internet-of-Things a accéléré l’industrie des Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS) à délivrer des capteurs ultra-sensibles, miniaturisés, à détection intégrée, présentant une faible consommation énergétique ainsi qu’un procédé rentable de production. Dans ce contexte, les capteurs de déformation basés sur l’effet piézotronique apparaissent comme des candidats prometteurs afin de répondre à ces besoins. Cependant, de nombreuses questions cruciales demeurent sans réponse ou doivent être affinées, concernant le design et l’intégration de jonctions piézotroniques avec leurs procédés de fabrication au sein de microsystèmes ou de MEMS, la configuration optimale pour la détection de déformation ainsi que les études de bruit pour de tels systèmes.
Ce projet de thèse propose de rationnaliser l’effet piézotronique appliqué aux capteurs de déformation et présente un nouveau procédé de microfabrication intégrant pour la première fois des capteurs de déformation piézotroniques dans des leviers millimétriques sur des substrats flexibles polymériques, au moyen de lithographie laser sans masque. Le procédé d’atomic layer deposition (ALD) a été utilisé pour la déposition de couches minces polycristallines de ZnO sur des métaux à haut travail de sortie afin d’obtenir des jonctions de Schottky. Cependant, de telles jonctions de Schottky basées sur de l’oxide de zinc déposé par ALD n’ont jamais été post-traitées et intégrées au sein d’un capteur de déformation. Nous proposons de rationnaliser le procédé ALD dans l’optique d’obtenir des couches minces polycristallines de ZnO présentant une structure de type wurtzite avec une orientation cristalline préférentielle (002), en rendant leur déposition compatible avec des procédés de microfabrication sur substrats polymériques.
Les difficultés associées à l’intégration de couches minces inorganiques sur un substrat polymérique au sein du procédé de microfabrication développé seront mises en évidence. Nous proposons dans ce sens des ajustements appropriés vis-à-vis du design et du procédé de microfabrication des capteurs de déformation. Des jonctions de diode Schottky Pt/ZnO/Pt montées en opposition ont été structurées en microélectrodes interdigitées afin d’obtenir une détection de déformation via l’effet piézotronique à l’encastrement de la structure en levier. Les mécanismes de conduction existants au sein des micro-capteurs de déformation piézotroniques ont fait l’objet d’une étude approfondie sur la base du modèle d’émission thermoionique. Le modèle électrique développé sera détaillé, soulignant la présence d’états d’interface ainsi que leur impact prédominant sur les caractéristiques électriques. Les propriétés de transduction des capteurs de déformation piézotroniques seront également détaillées par le biais de mesures de spectroscopie de force, menant à la modulation de la hauteur de la barrière de Schottky attendue par l’effet piézotronique. En outre, nous avons mesuré pour la première fois le facteur de bruit au sein de capteurs de déformation basés sur l’effet piézotronique. Ces nouveaux éclairages concernant l’amplitude et l’origine du bruit dans de tels systèmes sont prometteurs afin d’améliorer le rapport signal sur bruit des capteurs développés.
La dernière section de ce projet de thèse détaillera la miniaturisation des capteurs de déformation piézotroniques pour leur intégration au sein de microleviers dans un corps consistant entièrement de résine SU8. La miniaturisation des capteurs de déformation les rend plus enclins aux mesures AFM (Atomic Force Microscopy) en tant que sondes de balayage sur des machines commerciales, dans l’optique d’améliorer considérablement la sensibilité aux faibles déformations mécaniques. L’approche adoptée pour la microfabrication de ces capteurs miniaturisés est basée sur un processus inversé par le biais d’une couche sacrificielle. Cette méthode inversée a soulevé de nouvelles difficultés en termes d’adhésion des contacts métalliques ainsi qu’au niveau de la continuité des contacts électriques, qui seront reportées.
Les résultats obtenus sont très prometteurs et ouvrent la voie vers la fabrication de micro-capteurs ultra-sensibles intégrés à des structures MEMS, et démontrent leur fort potentiel en tant que sondes de balayage par microscopie à force atomique.
