Application transistor

De nombreux problèmes liés aux structures nous ont empêché de mettre en évidence de façon

claire un effet de champ. De plus, même si l’effet de champ est théoriquement assez élevé pour

que les nanotubes puissent le ressentir, il reste relativement faible comparé aux effets de champ

de dispositifs montrés dans la littérature (annexe B). Néanmoins il a été montré par 2 fois sur 2

structures différentes : la première fois sur une structure de type A1 (pas d’électrodes de grille

latérales), et la deuxième fois sur une structure de type A3 (2 électrodes de grille latérales), le

substrat jouant le rôle de grille dans les deux cas. La figure 4.13 montre les résultats obtenus pour

Fig. ^{4.12 – Image MEB de la structure A4 sur laquelle ont été enregistrés les spectres des raies}

Si2p, Fe 2p et Ti2p.

chacune des structures testées. Pour la structure A1, la tension entre E1 et E2 est fixée à 3 V, et la

tension de grille varie entre 20 V et -40 V (nécessaire pour ressentir un potentiel électrostatique

au niveau des nanotubes, à cause de l’écrantage lié aux électrodes). Sur la structure de type

A3, la tension est appliquée entre E1 et E2 et varie entre 0 et 0,5 V pour 3 tensions de grille

différentes : -50 V, 0 V et +50 V.

On observe un effet de champ de type P dans le premier cas, comme il a été généralement

constaté dans la littérature lorsque les nanotubes sont exposés à l’air. Le ratio I

_ON

/I

_{OF F}

est

très faible (de l’ordre de 5), et la courbe présente un phénomène d’hystérésis. La tension entre

drain et source appliquée est relativement élevée, mais en-dessous de cette valeur le courant

est difficilement détectable. Dans le deuxième cas un effet de champ de type N est observé :

la conductance est plus élevée lorsque la tension de grille tend vers les valeurs positives. Les

courants particulièrement élevés peuvent s’expliquer par la présence de nanotubes métalliques

dans la structure. Ces deux résultats sont en contradiction, alors que les systèmes semblent plus

ou moins être les mêmes, et caractérisés dans les mêmes conditions.

Nous avons vu que le nanotube de carbone n’est pas sensible aux MIGS, donc la présence

d’états d’interface (très probable ici de par la présence du fer) ne peut expliquer cette différence

de comportement. De même les dispositifs étant testés dans les deux cas à l’air, l’observation

des deux types d’effet de champ ne peut s’expliquer par l’environnement gazeux (présence de

molécules d’oxygène jouant le rôle de dopant électrostatique local au niveau des contacts et

expliquant l’effet de champ de type P observé dans la littérature). Deux paramètres peuvent

expliquer cette différence de comportement entre les deux cas observés : la largeur de bande

interdite et le travail de sortie du nanotube.

4.2. Caractérisation des structures transistor 119

Fig. ^{4.13 – Images MEB et caractéristiques I-V associées illustrant l’effet de champ observé sur}

la structure. Le premier cas (haut) illustre un effet de champ de typeP, la mesure est réalisée en

fixant V

_ds

=3 V et en balayant V

_G

entre +20 V et -40 V (courbe de transfert). Le deuxième cas

(bas) illustre un effet de champ de typeN, en balayant V

_ds

entre 0 et 0,45 V, pour 3 tensions de

grille différentes.

4.2.5.1 Largeur de bande interdite

Nous avons vu dans le chapitre I que la largeur de bande interdite du nanotube

semiconduc-teur dépendait du diamètre selon la relation :

E

_g

= ^0,83

d

_t

(en nm) ^(4.3)

Le diamètre des nanotubes se situe globalement entre 0,7 et 1,8 nm (chapitre II), ce qui fait

que la valeur de la largeur de bande interdite E

g

vérifie :

0,46eV < E

_g

<1,19eV (4.4)

En supposant que le niveau de Fermi du nanotube se situe au milieu de sa bande interdite,

eV

_n

(défini dans le chapitre I) varie entre 0,23 et 0,60 eV, ce qui donne au final une variation

du travail de sortie du nanotube ∆Φ

s

=0,37 eV. Le travail de sortie peut donc varier de façon

relativement significative d’un nanotube à l’autre en fonction de son diamètre. Cela peut donc

résulter en un positionnement du niveau de Fermi du nanotube par rapport à celui du métal

d’électrode différent selon les cas, donnant dans un cas une courbure de bande favorable au

passage des électrons (type N), et dans l’autre cas favorable au passage des trous (typeP).

4.2.5.2 Travail de sortie

Les travaux de sortie du Si (dans notre cas dégénéré de type n par dopage au phosphore)

et du TiN sont respectivement d’environ 4 eV et 4,5 eV. Pour le nanotube de carbone, s’il est

généralement admis que son travail de sortie se situe entre 4,5 eV et 5 eV, on trouve dans la

littérature des publications rapportant la variation de celui-ci en fonction de différents facteurs.

Ainsi, il semble que les nanotubes organisés sous forme de faisceau voit leurs travaux de

sortie varier. Su et al. [136] ont calculé les valeurs des travaux de sortie théoriques de nanotubes

de carbone mono-paroi organisés en faisceau et il semble que l’interaction entre nanotubes joue

un rôle sur la valeur du travail de sortie, qui diminue avec la distance inter-tubes. Il semble

également que la terminaison du nanotube (terminé par des atomes d’hydrogène ou par des

atomes de carbone) impacte fortement le travail de sortie : un nanotube se terminant par des

liaisons hydrogène a un travail de sortie bien inférieur à celui se terminant par des liaisons carbone

(figure 4.14).

Nous avons également trouvé une publication concluant sur la variation de la valeur deΦ

CN T

au sein d’un même nanotube. En effet, le travail de sortie ne semble pas prendre la même valeur

selon la position où l’on se situe sur le nanotube. Liu et al. [137] ont montré, à partir de mesures

expérimentales faites en émission thermoïonique, que le travail de sortie variait localement au

sein d’un nanotube. Ainsi, ils ont déterminé que le travail de sortie d’un nanotube en son centre

valait autour de 4,8 – 4,9 eV (en bon accord avec les autres publications de la littérature) et

prenait des valeurs inférieures au niveau des extrémités du nanotube (valeur non déterminée).

Dans le cas de nos dispositifs, nous semblons entrer dans ces cas particuliers, à savoir que

nos nanotubes peuvent s’assembler en faisceau entre les électrodes comme ils peuvent ponter

individuellement, et aussi bien contacter les électrodes par les sommets (extrémités) ou par les

parois. Le travail de sortie du nanotube peut soit être supérieur à celui de l’électrode, ce qui

Dans le document Fabrication et étude physique de dispositifs électroniques à nanotubes de carbone (Page 119-123)