Contexte

Les nanofils peuvent être employés dans de nombreux domaines comme nous l’avons vu dans le chapitre I. Grâce à leur compatibilité avec la technologie silicium actuelle et leur intégration possible dans de futurs dispositifs électroniques ces fils sont l’objet de nombreuses attentions. Les nanofils de silicium étudiés dans ce chapitre visent des applications de transistor à effet tunnel (NW-T-FET) ou encore de diode à effet tunnel (diode Esaki).

- Transistor à effet tunnel

Pour réduire la dissipation énergétique augmentant à chaque génération de nouveaux transistors, il est nécessaire de rechercher de nouvelles architectures et matériaux possédant des pentes sous le seuil très faibles permettant des utilisations à basse tension. Grâce à sa barrière de potentiel, le transistor à effet tunnel ne souffre pas d’effets de canaux courts, et ne possède pas de pente sous le seuil (caractéristique courant tension d’un MOSFET) limitée à 60 mV/dec ce qui en fait un bon candidat [247]. De plus cette technologie permet la création d’architectures 3D et de par sa synthèse de créer des structures dopées in situ et/ou possédant des architectures cœur coquille. Une pente sous le seuil réduite permet d’opérer les transistors à plus basse tension (VDD) et d’améliorer les performances du circuit sans augmenter la puissance consommée au repos et donc diminuer la consommation générale.

Le T-FET repose sur une architecture p-i-n+ _{[248], ce transistor repose sur l’effet tunnel pour}

l’injection des porteurs dans le canal. Le diagramme de bandes pour cette structure sous polarisation inverse est schématisé sur la Figure V-1 a) dans l’état « off » et l’état « on » avec une tension négative appliquée sur la partie non dopée. La grille module la probabilité d’effet tunnel des électrons dans le canal permettant la réalisation d’une pente sous le seuil plus abrupte. Suivant cette architecture Björk et al. ont ainsi réalisé des transistors à effet tunnel possédant une pente sous le seuil de 800 mV/dec pour une épaisseur d’oxyde de 20 nm. [247]

Figure V-1 : a) Structure schématique d’un transistor à nanofil à effet tunnel, en dessous son diagramme de bande pour deux tensions de grille différentes. La deuxième tension de grille (gris) permet le transfert par effet tunnel de la zone n+ au canal i. b) Image MEB d’un nanofil servant de base à la réalisation d’une diode Esaki et schéma simplifié de la structure réalisée avec l’isolant (Al2O3) en orange et le contact en bleu (Ti/Au) [249].

- Diode à effet tunnel

La diode Esaki est basée, de la même manière, sur l’effet tunnel pour l’établissement du courant. [249] Ces diodes servent de commutateur à haute fréquence. L’émergence de l’épitaxie par jet moléculaire a permis de fabriquer des diodes à effet tunnel avec des caractéristiques électriques meilleures que les diodes Esaki classiques qui étaient jusque-là de taille macroscopique. La qualité d’un dopant de type p convenable pouvant être incorporé au cœur du fil était jusque-là le principal frein au développement de cette technologie. Schmid et al. [249] ont ainsi réussi à réaliser des diodes à effet tunnel possédant une caractéristique électrique égale voire supérieure à celle d’une diode classique reposant sur un nanofil de 60 nm de diamètre.

Dans la perspective de réaliser ces dispositifs, il est nécessaire de synthétiser des nanofils possédant des jonctions de dopages abruptes p-n (diode) ou p-i-n (TFET). C’est dans cette optique que nous nous sommes intéressés aux propriétés de surface de nanofils de silicium dopé en XPEEM et en SCM/KFM.

V.1.2 Collaboration

Cette étude a été conduite en collaboration avec Franck Bassani et Priyanka Periwal du Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (CNRS) pour la fourniture des échantillons (croissance et report) ainsi que les analyses en champ proche SCM et KFM présentées dans ce chapitre.

Le LTM a développé une grande expérience de la croissance de nanofils de silicium par CVD- VLS. [250-252] Ces nanofils qui ont par la suite été intégrés dans des dispositifs de transistors à effet tunnel montrent des résultats prometteurs [251, 253]. Ils ont ainsi réalisé des dispositifs à nanofils de silicium présentant un canal semi-conducteur de type n possédant une pente sous le seuil de 145 meV/dec.

Ces technologies requièrent cependant la connaissance précise des taux de dopage effectifs, de la position de la jonction, de la largeur de la jonction, etc… . Une technique unique n’est pas à

- Difficultés liées à la caractérisation de nanofils

Les nanofils possèdent une particularité morphologique les distinguant des microfils. Le diamètre des nanofils est un ordre de grandeur inférieur à celui des microfils. Ceci nécessite des outils de caractérisation possédant une résolution spatiale adaptée.

L’avantage de ces fils réside dans la hauteur du relief crée par le fil sur le substrat. A 100 nm de diamètre, le fil présente moins de difficultés pour les analyses en champ proche, la hauteur de marche étant grandement réduite. En photoémission ce diamètre proche de la résolution latérale du NanoESCA demande le durcissement des conditions de mesures et limite très fortement l’utilisation des sources de laboratoire.

- Corrélation technique/échantillons

L’observation de si petites structures est courante en champ proche cependant certaines précautions sont à prendre. Comme nous l’avons vu pour des structures de tailles plus importantes, l’utilisation du mode contact a pour effet de déplacer le fil lors du balayage. De la même manière, il est nécessaire de fixer le fil de Si à ses deux extrémités. Ceci est obtenu par évaporation de contacts métalliques.

La photoémission avec une résolution de 40 nm est adaptée au niveau de sa résolution latérale. La nature semi-conductrice des fils et du substrat correspond aux exigences de la mesure par photoémission mais aussi de la mesure SCM (présence d’oxyde natif) et KFM (substrat conducteur).

Dans le cadre de cette collaboration, nous nous sommes focalisés sur les nanofils à jonction p-n avec comme objectifs de localiser spatialement la jonction et, d’autre part, de mesurer la différence des travaux de sortie entre les parties dopées p et n.

V.2 Les nanofils de silicium