Comparaison des performances des NN-FETs de silicium avec la littérature

D’après notre étude bibliographique présentée dans le chapitre I, aucun transistor à canal long n’a été

élaboré avec des nanonets de silicium ce qui rend difficile une comparaison rigoureuse des performances

des dispositifs élaborés au cours de ce travail avec l’état de l’art. Toutefois, au regard de l’objectif final qui

est la réalisation de biocapteurs à effet de champ sur un circuit intégré, nous avons mené une étude

bibliographie, non-exhaustive, sur des transistors fabriqués avec une technologie ascendante et avec une

configuration de grille en face arrière. Pour cela, nous nous sommes concentrés sur des FETs à nanofil

unique de silicium qui peuvent servir de point de référence pour ce travail car ils ont déjà prouvé leur

potentiel comme transistor (Cui et al., 2003) mais aussi comme biocapteur à ADN (Hahm and Lieber, 2004).

Nous pourrons réaliser ainsi une comparaison des performances de dispositifs qui sont composés de

nanostructures similaires mais dont les procédés de fabrication diffèrent amplement. A l’inverse, nous

nous sommes aussi focalisés sur les NN-FETs de CNTs pour lesquels les procédés de fabrication peuvent

s’apparenter aux nôtres mais qui impliquent cette fois-ci d’autre type de nanostructures. De plus, nous

pourrons également comparer les performances entre réseaux percolants. Pour réaliser ce travail, nous

avons reporté, sur la Figure III-31, le rapport du courant à l’état On sur Off (a) et la pente sous le seuil (b)

en fonction de la longueur du canal.

Figure III-31 : Comparaison des performances électriques des transistors à nanonets de silicium passivés (8 𝑛𝑚

d’alumine) avec des dispositifs à NF unique de Si (Byon et al., 2007; Cui et al., 2003; Hayden et al., 2007; Rosaz et

al., 2011b; Weber et al., 2006; Zheng et al., 2004) et des NN-FETs de CNTs (Aguirre, 2007; Fujii et al., 2009;

Hongo et al., 2010; Lee et al., 2014; Sangwan et al., 2010; Snow et al., 2005, 2003; Wang et al., 2009) obtenus

dans la littérature. Pour cela, (a) et (b) représentent le rapport du courant à l’état On sur Off et la pente sous le

seuil en fonction de la longueur du canal, respectivement. Tous ces transistors ont été élaborés avec une

approche ascendante et présentent une configuration de grille en face arrière qui est une caractéristique

indispensable pour la réalisation de biocapteurs.

1 10 100

10

⁰

10

1

10

²

10

3

10

⁴

10

⁵

10

6

10

⁷

10

8 Ce travail NF unique de Si Nanonet de CNT

I

On

/I

^Of f

L

_c

(m)

1 10 100

0,01

0,1

1

10

Ce travail NF unique de Si Nanonet de CNT

SS (V.de

c

-1

)

L

_c

(m)

Limite théorique

(a) (b)

147

En se référant au rapport On sur Off et à la pente sous le seuil (Figure III-31(a) et (b)), nous constatons que

les NN-FETs atteignent des performances comparables à celles des transistors à NF unique de Si avec une

configuration de grille en face arrière. Tandis que les transistors à NF unique ont déjà prouvé leur potentiel

comme biocapteur ultrasensible (Hahm and Lieber, 2004), nous pouvons donc en déduire que les

performances obtenues pour les transistors à nanonet de Si sont tout à fait prometteuses pour la détection

de l’hybridation de l’ADN. Par ailleurs, de telles performances atteintes avec un procédé d’intégration

industrialisable et jusqu’à une longueur de canal de 100 𝜇𝑚 constituent aussi deux avantages

technologiques majeurs pour la réalisation des biocapteurs. Contrairement aux transistors à NF unique qui

ne mesurent que quelques micromètres, ces longs transistors à nanonet faciliteront grandement la

réalisation ultérieure de canaux micro-fluidiques nécessaires à la bio-détection en temps réel. De plus,

nous constatons que le rapport On sur Off et la pente sous le seuil des NN-FETs de Si semblent être

comparables aux meilleurs transistors à nanonet de CNTs (Figure III-31(a) et (b)). A la différence des

transistors à nanonets de CNTs qui souffrent souvent d’un manque de reproductibilité en raison des CNTs

métalliques présents parmi les CNTs semi-conducteurs (partie III.2.3.2.1 page 97), les NN-FETs de Si

présentent aussi une faible dispersion de leurs propriétés électriques. En effet, même si le dopage peut

fluctuer d’un NF à l’autre, ces variations ne sont pas suffisantes pour dégrader le fonctionnement des

dispositifs qui est garanti aussi par la limitation de la conduction par les jonctions entre NFs.

Nous pouvons donc conclure que ces premiers transistors à nanonet de Si peuvent aussi bien concurrencer

les transistors à NF unique de Si que les nanonets de CNTs tout en bénéficiant d’un procédé d’intégration

industrialisable et des propriétés électriques reproductibles. Ces avantages majeurs ouvrent d’autres

champs d’applications possibles telles que l’électronique flexible. En effet, en tirant profit de tout le

potentiel des nanonets et notamment de leur flexibilité et transparence optique, les NN-FETs de Si peuvent

aussi être envisagés comme transistor flexible. Nous nous sommes donc également penchés sur cette

question et pour cela nous avons comparé, sur la Figure III-32, les NN-FETs de Si avec les transistors

constitués d’un canal organique, toujours en configuration de grille en face arrière.

Figure III-32 : Comparaison des performances électriques des transistors à nanonet de silicium avec des dispositifs

constitués d’un canal organique (Chang et al., 2009, 2008; Feng et al., 2013; Halik et al., 2004, 2003; Han et al.,

2015; Kim et al., 2009, 2015, Klauk et al., 2007, 2002; Lei et al., 2012; Okamoto et al., 2015; Wang et al., 2013).

Pour cela, (a) et (b) représentent le rapport du courant à l’état On sur Off et la pente sous le seuil en fonction de

la longueur du canal, respectivement. Tous ces transistors présentent une configuration de grille en face arrière.

10 100 1000

10

2

10

³

10

⁴

10

5

10

⁶

10

⁷

10

8

Ce travail

Organique

I

On

/I

^Of f

L

_c

(m) ^{10 100 1000}

0,01

0,1

1

10

Ce travail

Organique

SS (V.de

c

-1

)

L

_c

(m)

Limite théorique

(a) (b)

148

Au regard de la Figure III-32(a) et (b), nous remarquons que les performances des NN-FETs sont

comparables mais restent toutefois en deçà des meilleurs transistors à canal organique pour lesquels le

rapport On sur Off et la pente sous le seuil peuvent être meilleurs que 10⁶ et 0,1 𝑉. 𝑑𝑒𝑐⁻¹, respectivement

(Halik et al., 2004). Bien que ces transistors organiques présentent de nombreux avantages au niveau de

leur élaboration (procédé basse température et bas coût, dépôt des matériaux organiques par

impression…), ces dispositifs sont relativement peu stables sous air et sont aussi sensibles aux ultraviolets

ce qui implique un vieillissement prématuré. De plus, à l’exception des transistors à base de pentacène qui

font partie des transistors organiques les plus performants (Klauk, 2010), de nombreux transistors

organiques requièrent des tensions de fonctionnement relativement importantes qui s’étalent entre 20

et 100 𝑉. Pour conclure, nous pouvons en déduire que les transistors à nanonet de Si présentent toutes

les caractéristiques nécessaires pour des dispositifs flexibles, transparents, insensibles aux ultra-violets et

à l’oxygène et pourront ainsi faire l’objet de futures recherches.

A titre de bilan sur cette étude bibliographique, nous avons rassemblé sur la Figure III-33 le rapport On sur

Off (de la Figure III-31(a) et Figure III-32(a)) en fonction de la conductance à l’état On normalisée par

rapport à la géométrie du canal (longueur sur largeur). Pour les dispositifs à NF unique, nous avons

considéré le diamètre des NFs pour la largeur du canal tandis que pour les transistors à nanonet de Si et

CNTs nous avons utilisé la largeur physique des contacts. Cette conductance normalisée pour les

transistors à nanonets constitue alors une limite basse puisque la largeur du canal est surestimée d’un à

deux ordres de grandeur pour les nanonets de Si. Pour se rapprocher au plus près de la réalité, la largeur

effective (qui est le produit entre le nombre de chemins de percolation et le diamètre des NFs) devrait

être estimée mais cette valeur n’a pas pu être utilisée ici par manque d’informations pour les nanonets de

CNTs dont les données sont issues de la littérature.

La conductance plus importante pour les transistors à nanonet de CNTs par rapport aux dispositifs à

nanonet de Si pourrait s’expliquer par la mobilité nettement plus importante des porteurs dans les CNTs

(100 000 𝑐𝑚⁻². 𝑉⁻¹. 𝑠⁻¹ (Dürkop et al., 2004)) que dans les NFs de Si (560 𝑐𝑚⁻². 𝑉⁻¹. 𝑠⁻¹ (Cui et al.,

2003)). Les transistors à canal organique semblent quant à eux présenter une conductance d’environ deux

ordres de grandeur plus élevée que celle des NN-FETs de Si (Figure III-33). Toutefois, en tenant compte de

la largeur effective du canal pour les NN-FETs de Si, cette conductance serait en réalité comparable. Enfin,

nous remarquons que les transistors à NF unique possèdent une conductance nettement plus élevée que

celle des NN-FETs. Ce résultat confirme notre modèle selon lequel la conduction est limitée par les

jonctions qui sont plus résistives que les NFs. Toutefois, même si les jonctions réduisent la conductance

des NN-FETs de Si, elles permettent de diminuer considérablement le courant Off et d’améliorer

simultanément la pente sous le seuil ce qui permet, aux NN-FETs de Si, d’offrir un rapport On sur Off

comparable aux différents types de transistors.

149

Figure III-33 : Rapport On sur Off en fonction de la conductance à l’état On normalisée par rapport à la géométrie

des transistors (longueur sur largeur du canal). Cette figure a été réalisée à partir des précédentes Figure III-31(a)

et Figure III-32(a). Pour les dispositifs à NF unique, le diamètre des NFs a été considéré pour la largeur du canal

tandis que, pour les transistors à nanonet de Si et CNTs, la largeur physique des contacts a été utilisée.

Dans le document Conception, étude et modélisation d’une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs (Page 161-164)