Soutenance mémoire
Durant les dernières décennies, la réduction incessante des dimensions caractéristiques des circuits intégrés a permis à l’industrie microélectronique de connaître un formidable essor technologique et une réelle réussite économique qui, progressivement, ont transformé nos modes de vie et de production vers le ”tout électronique”.
L’industrie de la microélectronique, et ses nombreux débouchés – informatique, téléphonie mobile, etc – reposent sur un élément de base : le transistor, dont la miniaturisation, continue au cours de ces dernières décennies, a permis une augmentation exponentionnelle de la densité d’intégration, avec comme corollaire, une meilleure performance des dispositifs produits. En effet, ceci a permis d’accroître considérablement les performances en terme de rapidité et de complexité des fonctions réalisées. C’est ainsi que des microdispositifs incorporés de nos jours dans les produits électroniques grand public ont des potentialités de plus en plus remarquables ayant une performance compatible avec les « microsources » d’énergie (batterie) et une capacité à communiquer avec divers périphériques et accessoires (image, son, vidéo) qui ont littéralement envahi notre quotidien. Par ailleurs, les techniques de l’information et de la communication ne sont plus les seuls champs d’applications des circuits intégrés. Nous assistons en effet, depuis une quinzaine d’années, à de nombreuses avancées technologiques dans le domaine des biotechnologies, de la photonique, de l’énergie solaire, de l’industrie automobile, etc…
A l’heure actuelle, l’industrie de la microélectronique parvient à une double limite, technologique et financière. Technologique parce que, d’une part, la miniaturisation est aujourd’hui telle que les dispositifs deviennent sensibles à des phénomènes qui en dégradent les performances (effet canal court, diminution de rapport ION/IOFF, … pour les technologies MOS); mais aussi, d’autre part, parce que la poursuite de la miniaturisation nécessite le perfectionnement des méthodes de fabrication utilisées, notamment au niveau de la lithographie, comme en témoignent les développements de la lithographie optique en UV profond ou en immersion, ou par faisceau d’électrons. Ces techniques très onéreuses s’opposent au principe du faible coût de fabrication des circuits intégrés.
Nanofils de silicium : état de l’art et applications potentielles
L’électronique intégrée ne cesse de se développer suite à une demande de réalisation de circuits de plus en plus performants. Plus précisément en termes de miniaturisation de circuits et leurs applications associées. Ces dernières décennies, la technologie microélectronique connait un passage spectaculaire au domaine des nanotechnologies. En effet, cet axe de recherche apporte de nouvelles approches et richesses pour l’électronique intégrée de plusieurs points de vue, notamment la création de nouvelles structures dites nanométriques qui sont destinées pour une grande part aux matériaux semi-conducteurs.
En effet, les matériaux semi-conducteurs à l’échelle nanométrique, ou nanostructures, présentent des propriétés intéressantes en termes de conduction électrique, structure géométrique et chimique (réseaux cristallins des atomes à une échelle nanométrique, phénomènes quantiques). Ces propriétés ont permis à ces nanostructures de prendre de plus en plus place dans les technologies modernes, notamment dans leurs applications. Les nanostructures font référence à plusieurs formes géométriques comme les nanoparticules, les nano-rubans, les nanotubes et les nanofils.
En particulier, les nanofils (fils de taille nanométrique) sont considérés comme des éléments unidimensionnels dont la largeur ne dépasse pas quelques dizaines de nanomètres et qui ont un rapport longueur sur largeur supérieur à 10. Les applications potentielles des nanofils sont nombreuses vis-à-vis de leurs méthodes de fabrication et leurs dimensions. Comme pour les dispositifs microélectroniques classiques, les nanofils peuvent être utilisés pour des applications dans l’électronique, les capteurs et l’optronique. Citons par exemple les transistors à nanofils, les diodes PIN et les capteurs biologiques. Les nanofils employés comme éléments dans les dispositifs sont utilisés comme contacts électriques ou comme partie active du composant s’ils possèdent des propriétés semiconductrices adéquates.
Quelles que soient ses applications, le nanofil n’est pas à l’heure actuelle un «produit » industriel car malgré la diversité des méthodes d’élaboration, ces dernières ne sont pas optimisées pour une production en masse. Aujourd’hui, les études sur les nanofils relèvent encore du domaine des nanosciences et des nanotechnologies. L’ensemble des phénomènes physiques observés ne sont pas tous expliqués ou parfaitement assimilés comme par exemple les phénomènes quantiques, la conduction électrique, les effets thermiques, les propriétés mécaniques, optiques… De même les méthodes d’élaboration font toujours l’objet de nombreuses études. Les enjeux sont réellement importants et la maîtrise de la faisabilité du nano-objet, et du nanofil en particulier, est capitale en vue d’un développement futur de la nanoélectronique.
Choix du silicium comme matériau pour les nanofils
Propriétés générales du silicium
Le silicium est l’élément chimique le plus abondant de notre planète après l’oxygène avec un taux de 25,7% de sa masse. Il fait partie de la quatrième colonne du classement périodique des éléments chimiques. Il se caractérise par sa forte affinité chimique avec l’oxygène à haute température et il cristallise dans une structure zinc-blende .
La structure de maille élémentaire est similaire à celle du diamant avec une distance interatomique légèrement élevée (2,352Å). Ceci engendre un potentiel périodique dans le cristal créant une différence d’énergie représentée par deux bandes : bande de valence et bande de conduction. Cette différence de bande d’énergie, aussi appelée « gap », détermine l’échange des porteurs entre les bandes en fonction des différentes excitations extérieures (température, polarisation, dopage, etc…). Le passage d’une bande à une autre se fait par processus d’absorption ou dégagement d’énergie par les électrons associant le plus souvent des photons ou des phonons.
Dans le cas du silicium, le passage d’une bande à autre ne se fait pas directement. C’est pour cela qu’on parle de gap indirect. Cette propriété rend le silicium inadapté comme semi-conducteur pour les applications optoélectroniques. Cependant la valeur de son gap le rend intéressant pour des composants électroniques classiques. De plus, le silicium présente l’avantage d’être le matériau le moins cher car ses sources d’extraction sont nombreuses et facilement accessibles (sable, zircon, jade, mica, quartz, etc…). D’une manière générale, le silicium y est sous forme d’oxyde de silicium SiO2 et son obtention nécessite des traitements particuliers (réduction, purification). Dans la technologie microélectronique, le silicium n’est pas seulement utilisé sous la forme cristallisée précédente. Il peut être aussi utilisé en couches minces sous forme amorphe, poly, micro ou nanocristalline suivant les applications visées. D’une manière générale, sous ces formes cristallines, le silicium est caractérisé par une structure volumique constituée de grains monocristallins de différentes tailles séparés par des joints de grains.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Nanofils de silicium : état de l’art et applications potentielles
I. Introduction
II. Choix du silicium comme matériau pour les nanofils
II.1 Propriétés générales du silicium
II.2 Propriétés électroniques du silicium à l’échelle nanométrique
III. Techniques d’élaboration des nanofils
III.1 L’approche top-down
III.1.1 Elaboration par les lithographies par nano-impression
III.1.2 Elaboration par lithographie par microscopie en champ proche
III.1.3 Elaboration par la méthode des espaceurs en lithographie optique
III.2 Approche bottom-up
III.2.1 Synthèse VLS
III.2.2 Synthèse SLS
III.2.3 Matrices poreuses
IV. Applications utilisant les nanofils de silicium
IV.1 Transistor à base de nanofil de silicium
IV.2 électronique numérique – portes logiques
IV.3 Capteurs : détection biologique et chimique
IV.4 Cellules solaires
V. Conclusion
Chapitre II Techniques de fabrication des nanofils de silicium
I. Introduction
II. Silicium polycristallin
II.1 Structure
II.2 Silicium polycristallin déposé par procédé LPCVD
II.3 Mécanisme de dépôt LPCVD
II.4 Paramètres pondérant le dépôt de silicium dans un réacteur LPCVD
II.4.1 température
II.4.2 Pression
II.4.3 Diagramme pression, température
II.4.4 Recuit de cristallisation
II.5 Dopage in-situ du silicium polycristallin
II.5.1 Dopage de type N au phosphore
II.5.2 Dopage de type P au bore
III. Gravure sèche RIE (Reactive Ion Etching)
IV. Oxyde déposé par procédé APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)
V. Nitrure de silicium
VI. Synthèse de nanofils de silicium par lithographie optique UV : méthode des espaceurs
VI.1 Etalonnage de la gravure du silicium polycristallin
VI.1.1 Effet de la puissance du plasma
VI.1.2 Effet de la pression du plasma
VI.2 Etapes technologiques de réalisation des nanofils
VI.2.1 Réalisation de la marche
VI.2.2 Réalisation des nanofils à partir des espaceurs
VII. Dispositifs à base de nanofils de silicium
VII.1 Résistances à base de nanofils de silicium
VII.2 Transistors couches minces à base de nanofils de silicium
VIII. Conclusion
Chapitre III Propriétés électriques des nanofils de silicium
I. Introduction
II. Propriétés électriques du silicium polycristallin
II.1 Introduction
II.2 Distribution du dopant
II.3 Joints de grains
II.3.1 Modèle de piégeage des porteurs aux joins de grains
II.3.2 modèle de conduction par Sauts
III. Caractérisation électrique des nanofils de silicium
III.1 Caractéristique courant – tension
III.2 Résistance globale en fonction de la longueur des nanofils
IV. Etude de l’effet du dopage in-situ des nanofils de silicium
IV.1 Cas des nanofils de silicium avec un rayon de courbure de 100nm
IV.2 Cas des nanofils de silicium avec un rayon de courbure 50 nm
V. Caractérisation électrique des transistors à base de nanofils de silicium
VI. Conclusion
Chapitre IV Evolutions technologiques et applications aux capteurs de gaz
I. Introduction
II. Réalisation des nanofils de silicium par la méthode des espaceurs – marche sacrificielle
II.1 Procédé de fabrication
II.2 Caractérisation électrique
III. Réalisation des nanofils de silicium à partir de résidus de silicium polycristallin déposé dans une micro-cavité en forme « V »
III.1 Procédé de réalisation
III.2 Caractérisation électrique
IV. Capteurs de gaz à base de nanofils de silicium
IV.1 Structure du capteur
IV.2 Sensibilité du capteur aux espèces chimiques (gaz)
V. Conclusion
Conclusion générale
