CNT à l'UMI CINTRA - Conférences Télécom Bretagne

Des nanotechnologies 

aux applications 

hyperfréquences ? 

Prof D. BAILLARGEAT 

CINTRA UMI CNRS/NTU/THALES 3288 

Conférence invitée 18 Mai 2011 


Research Techno Plaza 

50 Nanyang Drive, Border X Block, Level 6, Singapore 637 553 

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Introduction 

Nanotechnologies : domaines d’activités 

Nanotechnologies pour la Nanoélectronique 

• Cas des Nanotubes de Carbone 

o Applications aux hautes fréquences 

Ø Divers exemples 

Ø A CINTRA 

Quelques mots sur CINTRA 

Conclusion 

Plan 




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Nanotechnologies : quelques indicateurs clés 

- Forts investissements et activités au cours des 10 dernières années 

- Poursuite et intensification au cours des prochaines années 

Extrait de : “Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020” 

Dr Mike Roco (NSF and NNI) December 1, 2010 

1/2 




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capabilities and resources of a nation's engine for nanotech innovation 

Nanotechnologies : quelques indicateurs clés 

2/2 

This factor measures the ability of a country to grow its economy through 

technological innovation 

"Dominant” : 

- both high Nanotech Activity 

- and the Technology Development Strength 

needed to commercialize it; 

"Ivory tower” : 

- have high Nanotech Activity 

- but are less likely to develop their 

economies based on it 

"Niche” : 

- technology development powerhouses 

- without the scale to support internationally 

competitive levels of Nanotech Activity. 

- focus on developing centers of competence 

in specific domains like electronics or 

coatings. 

"Minor league” 

Extrait de : “Ranking the nations on 

nanotech” by David Hwang, Lux 

Research, August 2010 




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Introduction 








Conclusion 

Plan 




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Nano 

Technologies 

- Fabrication 

- Optimisation des procédés 

- Innovation des méthodes 

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Besoins : 

- approches théoriques/pluridisciplinaires (recherche et enseignement) 

- capacités de simulation 

- outils de modélisation 

Compréhension & 

Conception maitrisée 


1/1 

Nano 

Technologies 




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Besoins : 

- en instrumentation 

- métrologie dédiée/adaptée 

Compréhension & 

Conception maitrisée 


1/1 

Nano 

Technologies 




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NTIC 

nanophotonique, 

électronique organique, 

nanoélectronique, 

… 

Procédés & 

dispositifs amont 

NEMS, 

électronique moléculaire, 

tech. de synthèse, 

d'assemblage, 

de croissance, 

… 


1/1 

Nano 

Technologies 

Energie 

photovoltaïque, 

thermoélectricité, 

batteries, 

supercondensateurs, 

… 

Sciences du vivant 

micro et nanosystèmes 

pour la biologie, 

nanomédecine, 

… 

Thématiques retenues par l’OMNT, www.omnt.fr 




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NTIC 



… 

Nanoélectronique 


Procédés & 

Dispositifs 

amont 

Nano 

Technologies 

Energie 

Sciences 

du vivant 

1/1 




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NTIC 



… 

Nanoélectronique 

Focus sur : 

Composants à base de 

nanostructures de carbone 

(CNT, graphène,…) 

Modélisation/Conception 

Expérimentation 


1/1 

Procédés & 

Dispositifs 

amont 

En particulier les composants à base de nanotubes 

de carbone dédiés à des applications hautes 

fréquences 

Nano 

Technologies 

Energie 

Sciences 

du vivant 




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Introduction 








Conclusion 

Plan 




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21 C 

1960~ 

1947~ 

? 

• Technologies carbone : 

Nanostructures de carbone - Motivation 

Intel CPU 

Premier transistor 

o domaine émergent qui n’a pas atteint sa maturité 

o peut étendre le domaine d’applications des semi-conducteurs au-delà de ce 

que permet le Si 

• Propriétés remarquables des nanostructures de carbone : CNT, graphène, diamant 

• Possibilité de synthétiser de nouveau matériaux avec des propriétés particulières 

1/1 




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Nanotubes de carbone 

1991 : Sumio Iijima (NEC-Tsukuba-Japon) 

Nanostructures de carbone – CNT 

NTU/CINTRA 




1/1 




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CNT/graphène: 

• Atomes de carbone en structure hexagonale 

Single Wall CNT: 

• Feuille de graphène enroulée: cylindre 

Multi Wall CNT: 

• Feuilles de graphène enroulées autour d’un même axe 

Graphène 

SWCNT MWCNT 

CNT : Structure 

1/2 




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Single Wall CNT 

• Ø : 0.7 – 5 nm 

• L : jusqu’au mm, classiquement qqs 

10zaines de µm 

• 2/3 semi-conducteur & 1/3 métallique 

n=m 

n=0 n≠m≠0 

métallique semi-conducteur ou métallique 

Multi Wall CNT 

• Ø : 10 – 100 nm 

CNT : Structure 

2/2 

• Au moins une couche métallique 




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module de Young /GPa 

Cu 

Gold 

dimensions /nm 0.7 – 5 

libre parcours moyen /nm 40 38 

densité de courant max /A.cm 2 

conductivité thermique /W.mK 

conductivité électrique /Ω -1 .cm -1 

10 5 10 12 

400 318 

6.10 5 

128 78 

• longueur d’onde (SWCNT) ≈ λ 0 /100 

• effet photoconducteur 

• non-linéarités optiques 

• Forte impédance 

(caractéristique + contact) > 10 KΩ 

4.10 5 

SWCNT 

1 000 

6 000 

MWCNTs 

10 – 100 

10 9 

> 25 000 

10 6 ~ 10 8 

1500 

3 000 

CNT : Propriétés 

• forte liaison covalente (C = C) et flexibilité 

Nanotube coudé 

1/1 




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Quelles applications aux hautes fréquences ? 

• Packaging : gestion thermique 

CNT : Applications 

non exhaustif 

Différentes approches : 

o CNT + Thermal Interface Material 

o Structure 3D : CNT+ graphène 

En cours de développement à NTU/ 

CINTRA 

o CNT haute densité 

o Microchannel cooling 

Various configurations of 3D nanostructures (developed by Tay BK group) CINTRA 

1/8 




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• Packaging : gestion thermique 

FP7 NANOPACK – Nano Packaging Technology for 

Interconnect and Heat Dissipation 

Différentes approches : 

o CNT + Thermal Interface Material 

o Structure 3D : CNT+ graphène 

o CNT haute densité 

o Microchannel cooling 


non exhaustif 2/8 

augmentation des 

performances > 10% 




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• Packaging : connectique 

o CNT conducteurs à l’intérieur de vias 

T. Wang & al. “Through silicon vias filled with planarized 

carbon nanotube bundles,” Nanotechnology, vol. 20, 2009 



o Faisabilité technologique validée 

o Performances RF à caractériser 




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• Packaging : connectique 

o bumps « on chip » : validation DC oui, RF à venir 

Ikuo Soga & al. , « Carbon Nanotube Bumps for LSI Interconnect », 

2008 Electronic Components and Technology Conference 



Matchstick-like structures of parylenecoated 

CNT pillars after densification 

Zhengchun Liu & al. “Fabrication and Electrical Characterization of 

Densified Carbon Nanotube Micropillars for IC Interconnection” 

IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, VOL. 8, NO. 2, MARCH 2009 




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• Composants : switch RF ? 



S. Demoustier, E. Minoux, M. Le Baillif, M. Charles, and A. Ziaei, "Review of two microwave applications of 

carbon nanotubes: nano-antennas and nano-switches," Comptes Rendus Physique, vol. 9, pp. 53-66, 2008. 




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• Composants : switch RF ? 



Donatello Acquaviva, Dimitrios Tsamados, Adrian M. Ionescu, “CNT Array Capacitive MEM 

Switches for Reconfigurable Interconnects”, EUMW 2010 




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• Composants : CNTFET 

Cut Off frequency 



80 GHz field-effect transistors produced using high purity semiconducting single-walled carbon nanotubes 

L. Nougaret, H. Happy, G. Dambrine, V. Derycke, J. -P. Bourgoin,A. A. Green, and M. C. Hersam 

APPLIED PHYSICS LETTERS 94, 243505 (2009) 




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• Composants : résonateurs, antennes ? 

o des études préliminaires 

o difficultés à adapter les nano-objets à un environnement RF classique 

o domaine qui reste à « défricher » 

M. Dragoman, D. Neculoiu, A. Cismaru, D. Dragoman, K. Grenier, S. Pacchini, L. Mazenq, and 

R. Plana, "High quality nanoelectromechanical microwave resonator based on a carbon 

nanotube array," Applied Physics Letters, vol. 92, p. 063118, 2008. 




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Introduction 








Conclusion 

Plan 




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CNT à l'UMI CINTRA 

Objectifs : Nanostructures de carbone dédiées aux applications RF 

• techniques de croissance 

• nanosimulations et nanocaractérisations 

• nanocomposants, gestion thermique, interconnexions,… 

Caractérisations 

RF 

& 

thermiques 

Plateforme : 

du matériau aux composants 

Techniques de 

croissance de 

nanostructures 

de carbone 

Fabrication de 

composants 

Modélisations 

RF 

& 

électro- 

thermiques 

1/1 




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Filtered Cathodic Vacuum Arc 

(FCVA) Technology 

CNT à l'UMI CINTRA : Techniques de fabrication 

1/1 

Plasma Enhanced Chemical Vapour 

Deposition (PECVD) system 




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CNT à l'UMI CINTRA : Modélisations & Caractérisations 

• Besoins de modèles aux hautes fréquences : validation théorique/expérimentation 

• Développer des méthodologies pluridisciplinaires 

• Développer des moyens de caractérisations adaptés aux nano-objets (dimensions, 

impédances, …) 

• Proposer aux concepteurs de composants, circuits,… des modèles adaptés aux 

outils de CAO classiques 

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• Modélisations thermiques 

o approche pluridisciplinaire, modélisation multi-échelle 

o du matériau au composant 

non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) – Fourier’s Law 

equilibrium molecular dynamics (EMD) – Green-Kubo 

flux-Mediated Diffuse Mismatch Model 

o modèle électro-thermique : FET 

projet en collaboration avec 

• Caractérisations thermiques 

three-Omega method 

transient thermal Grating method (TTG) 

pulsed Photothermal Reflectance (PPR) method 

Measurement of thermal conductivity and thermal resistivity of the CNT/graphene hybrid material by PPR technique 

2/4 




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3/4 

• Modélisation haute fréquence 

o approche pluridisciplinaire (mécanique quantique et électromagnétisme) 

o modélisation multi-échelle 

o résistances de contact CNT-support, couplage entre parois (MWCNT), couplage 

entre CNT (bundle), comportement haute fréquence (transmission, rayonnement) 

Approches P. Burke & G. Hanson : validation par simulation EM 3D 

Projet en collaboration avec 

? « Forêt » de CNT: modèle EM ? 




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• Caractérisations DC et hautes fréquences 

o développer des structures tests et des procédures de test dédiées à la mesure 

de nano-objets 

Measurement of the electrical conductivity 

of individual CNT 

CNT loaded with two tungsten tips of about 

500 nm in diameter (DC measurements) 

(From CINTRA) 

Projet en collaboration avec 

CNT bundle between RF electrodes: test structure for RF 

Characterization (DC up to 20 GHz) 

(From CINTRA) 

4/4 




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CNT à l'UMI CINTRA : quelques projets en cours 

• CNTs sur métallisation (appliqué aux hautes fréquences) : 

o croissance de CNTs par PECVD sur des métallisations Au 

o étude des effets du procédé de croissance sur les performances RF des lignes 

CPW Au line with CNT bump. 

RF measurements before and after PECVD growth process (from CINTRA) 

1/3 




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• CNT pour packaging RF : Connectique 

o CNT flip-chip 


2/3 

Validation en DC 

SEM image of CNT flip-chip 

Validation aux hautes fréquences en cours 

Thèse en co-encadrement avec 




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• CNT pour packaging RF : Thermique / CEM 

o Réseau 3D de CNTs 

- fabrication 

- étude des propriétés thermiques 

- étude des propriétés électromagnétiques (CEM) 

SEM image of 3D CNT network 


3/3 




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Introduction 








Conclusion 

Plan 




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L'UMI CINTRA : en quelques mots 

CNRS International NTU THALES Research Alliance 

o Unité Mixte Internationale (7 Octobre 2009) 

o CNRS-INSIS / NTU / THALES 

o Campus de Nanyang Technological University (Singapore) 

• 33 000 Etudiants 

• classement mondial 

10 800 km 

CINTRA 

1/3 




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Research thrusts based on Technologies & Applications 

NanoTechnologies for NanoElectronics & NanoPhotonics 

CarTech: Carbon based 

nanoTechnologies 

-Carbon Nano Tube 

-Graphene 

-Growth : PECVD 

-Characterization (AC/DC, 

photoluminescence, optical 

control, field emission, …) 

-Devices & Applications : 

RF : antenna, resonators, switch, 

transistor, …, nanopackaging 

(connecting, thermal 

management) 

Sensors : photodetectors, gaz, … 


2/3 

NWTech: NanoWire based 

nanoTechnologies 

-Si based NW (Si/SiGe) 

-Compound semicond. based 

NW (GaAs, InAs, ZnO2,…) 

-Growth (MOCVD, CVD, ...) 

-Top down approach (ebeam 

lithography, optical lithography, …) 

-Characterization (AC/DC, 

photoluminescence, optical control, 

…) 


High speed photodetector, 

photoswitch,… 

High speed transistor (RF, CMOS) 

Photovoltaic 

Expertise : Modeling/Design Fabrication Characterization 

PI2M: nanoPhotonics, 

Integration and Innovative 

materials 

-Advanced III-V materials 

-Sol Gel 

-Photonic crystal 

-3D integration 

-wafer to wafer bonding 

-Characterization (optical 

and electrical) 


Heterogeneous integration 

(III-V on Si, MEMS or 

photonics on CMOS, …) 

Nanowaveguide 

Photodiode 




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• 45 People with 11 people from France 

• 25 Full Time Equivalent 

Etudiants français en stage MR2/Ecole ingénieur 

o ParisTech, Centrale Paris, Insa-Lyon, 

Phelma, Univ. Orsay, Univ. Lille, 

Univ. Limoges, UTT, … 

Thèses en co-encadrement , co-tutelle 

o ParisTech, UTT, Univ. Limoges (XLIM) 

Post-doc 


3/3 

Collaborations en France: 

o IEMN, XLIM, IEF, LNIO, L2E 

o TRT, TAS 

Accueil de permanents 

o délégation CNRS 

o en séjours moyenne & longue durée 

Expérience unique 

o à l’étranger 

o dans un laboratoire CNRS 

o 3 partenaires : 2 académiques – 1 industriel 




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Conclusion 

• Procédés technologiques : progrès importants au cours des dernières 

années, maitrise des procédés (?) 

• Les nano-objets (CNT, graphène, nanofils, …) 

Applications RF (FET, nanopackaging, …) : démontrées ou à valider 

• Importants besoins aux hautes fréquences : 

o Modélisation 

o Caractérisation 

o Vers une conception maitrisée 

• Nouveaux champs d’investigations pour les années futures 




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Research staff 

• Prof Tay Beng Kang, SEEE/CINTRA 

• A/Prof Zhang Qing, SEEE/CINTRA 

• A/Prof Wang Hong, SEEE/CINTRA 

• Dr Wei Jun, A*STAR SIMTECH 

• Dr Edwin Teo, TL 

Research Fellows/Associates/PO 

• Dr Li Hong 

• Dr Narjes 

• Tan Dunlin 

• Maziar Shakerzadeh 

PhD Students 

• Ray Yap CC 

• Chow Wai Leong 

• Lu Congxiang 

• Pierre Franck 

• Wang Jianbo 

• Christophe Brun 

• Jarvis Loh 

Merci 




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CNT à l'UMI CINTRA - Conférences Télécom Bretagne

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