Une station de mesures pour tester l'électronique à ultra-haute température

Les propriétés des dispositifs électroniques à base de silicium se dégradent quand ils sont soumis à des températures ultra-hautes– au-delà de 900 K, et leur fiabilité n'est plus assurée. Dans de nombreux secteurs (spatial, nucléaire, électronique automobile, exploration pétrolière...), les conditions de fonctionnement imposées à l'électronique conduisent à utiliser d'autres semiconducteurs, comme le diamant, le carbure de silicium ou le nitrure de gallium, qui permettent de réaliser des circuits et des microsystèmes résistants aux températures extrêmes. Mesurer les propriétés de ces dispositifs dans des conditions proches de leur future utilisation est un défi, en particulier si l'on veut effectuer des tests au niveau d'un wafer, afin de sélectionner les meilleurs circuits avant de réaliser le ''packaging'' des composants.

La station de mesure développée par le Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems (LIMMS, CNRS/Université de Tokyo) et l'Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo, répond à cette demande. Elle permet pour la première fois d'effectuer en continu pendant plusieurs jours des mesures électriques sous vide jusqu'à des températures au-delà de 1150K.
Au départ, le dispositif était conçu pour relever un défi de physique fondamentale : étudier des polaritons de phonon de surface (surface phonon polaritons), dans le cadre d’un projet JST-CREST porté par Pr Nomura (UTokyo) et Dr. S. Volz (CNRS). Mais ce nouveau testeur innovant a montré son efficacité pour un usage bien plus large.

Au cœur de l’appareil, un élément chauffant en carbure de silicium, isolé électriquement, chauffe par rayonnement un porte-échantillon séparé, tandis qu’un circuit de refroidissement breveté maintient les parties sensibles (pointes, traversées électriques, instrumentation) dans une gamme de température acceptable. Ce compromis permet de porter la zone de mesure à très haute température tout en préservant les contacts électriques des fuites de courant et de la dégradation des isolants céramiques. Avec le nouvel instrument, les caractéristiques thermiques d'un substrat de saphir ont été déterminées par des mesures électriques qui, associées à un modèle thermique dédié, ont permis d’extraire simultanément la conductivité thermique et la diffusivité thermique du substrat de saphir dans une gamme de températures comprises entre 300 et 1150K, ce qui n’était pas possible avec les instruments de mesure électrique sous vide disponibles commercialement. 

La nouvelle station de mesure ouvre la voie à des tests accélérés de durée de vie des composants sur wafer (transistor, MEMS, …) bien au-delà de la gamme de 125–300 °C des protocoles industriels actuels. Plus largement, elle peut servir à caractériser les propriétés électriques et thermiques de matériaux massifs ou en film mince, des matériaux 2D ou des nanostructures. L'équipe recherche des partenaires qui pourraient envoyer des dispositifs de type transistors et MEMS, afin de les caractériser à ces températures extrêmes.
Par ailleurs, d'autres thèmes de recherche sont possibles, car le dispositif permet d’injecter des gaz au-dessus de l’échantillon, afin d’étudier la corrosion, ou bien la croissance de films minces in-situ tout en réalisant des mesures électriques pendant la croissance. La station de mesure, commercialisée par une entreprise japonaise, a suscité l'intérêt d'entreprises de renom de la zone Asie.

Références
Ultra-High-temperature vacuum prober for electrical and thermal measurements.
L. Jalabert, J. Ordonez-Miranda, Y. Wu, B. Kim, R. Anufriev, M. Nomura, and S. Volz.
Review of Scientific Instruments, 96,8, (2025).
https://doi.org/10.1063/5.0272551
Article consultable sur les bases d’archives ouvertes Arxiv et HAL