La détection fine de charges à l’aide de nanofils de silicium

IV.1.1. Intérêt de la détection fine de charge

Les biologistes et les biochimistes identifient et développent quotidiennement de nouveaux récepteurs biologiques afin de développer et d’améliorer le diagnostic médical et la sécurité par la détection d’agents pathogènes, infectieux ou dangereux. La plupart du temps ces récepteurs spécifiques sont utilisés en coopération avec des capteurs pour détecter des changements macroscopiques. La détection d’agents biologiques est généralement réalisée dans un milieu liquide mais il arrive que l’on travaille en milieu gazeux. On peut citer comme exemple les ISFET qui détectent les variations de concentration ionique [BER03] ou des structures détectant l’hybridation de l’ADN [BAR06]. Il reste que certaines applications de détections nécessitent une sensibilité à une petite quantité de molécule. Il existe de nombreux cas ou la détection d’une molécule cible spécifique revienne à la détection d’une particule chargée produite par une réaction chimique, biologique ou physique par l’intermédiaire d’un objet biologique ou d’une couche de matériau sensible spécifique. La détection d’objets biologiques ou de réactions peut donc être réalisée via la détection de charges. C’est le cas pour une protéine de polymérase qui émet une particule chargée à chaque base raccrochée lors de la duplication de l’ADN (explication plus loin dans le chapitre) [HAL16]. Nous cherchons donc à savoir si une structure à base de nanofils de silicium fonctionnalisés peut détecter une faible quantité de charge et idéalement une charge unique. De plus, les nombreux travaux menés sur la fonctionnalisation de surface sensible par des objets biologiques permettent d’entrevoir la possibilité de concevoir de nouveaux capteurs pour une gamme étendue d’espèces biologiques et chimiques à partir de la détection d’une ou plusieurs charges reflétant une réaction d’intérêt ou la présence d’un élément cible. Dans le domaine de la santé et du médical on pourrait par exemple détecter des marqueurs spécifiques de maladie contagieuse et ainsi faciliter le diagnostic. Pour la sécurité et le militaire nous pourrions détecter ou mesurer la présence d’éléments spécifiques comme les traces d’explosifs ou des polluants. La figure IV.1 montre un schéma expliquant le fonctionnement par détection de charge que l’on souhaite étudier.

Fig IV.1 SCHEMA DE LA STRUCTURE DE BASE PERMETTANT LA CONCEPTION DE CAPTEUR A PARTIR DE LA DETECTION DE CHARGE.

Reste le questionnement sur le transducteur. Pourquoi choisir le nanofils de silicium ? Les besoins actuels résident dans la conception de structures permettant une détection rapide et simple à mettre en œuvre. En effet de nos jours les techniques de détection, de captation et de mesures sont tellement efficaces que chaque échantillon peut être décomposé quasiment à l’atome près, le challenge ne réside donc pas dans la détection mais bien dans la miniaturisation, le gain d’autonomie, la facilité d’utilisation et la portabilité des appareils d’analyses. Pour la sécurité et le médical par exemple lorsqu’une épidémie survient il est difficile de contrôler rapidement les populations en des lieux stratégiques (aéroports, gares, hôpitaux, lieux excentrés dépourvus d’électricité…). Ces difficultés persistent car il faut souvent des moyens importants pour préparer les échantillons et mettre en œuvre des machines complexes autant d’un point de vue humain et infrastructurel que d’un point de vue des savoir-faire. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons donc à fabriquer des appareils permettant d’utiliser des techniques de détection simples et rapides à utiliser au sein de dispositifs miniaturisés. Beaucoup d’études portent sur la conception de capteurs innovants utilisant (i) des nanotubes de carbones [LI08, SIN06, TAN17, ZAP16] ou (ii) les nanofils de silicium comme médian de captation [PAT05, SHE16, WAN16]. Bien que les nanotubes de carbone aient des propriétés très intéressantes au niveau de la fonctionnalisation et des propriétés de conduction très prometteuses il reste néanmoins de nombreuses recherches à conduire pour augmenter le niveau de connaissance leurs fonctionnements électriques, le niveau de maitrise de leurs fabrications et de leurs intégrabilités au sein de systèmes électroniques complets. Le nanofils de silicium, bien qu’ayant des propriétés de conduction moins bonnes que les nanotubes de carbones, sont des objets nanométriques dont la fabrication est bien mieux maitrisée. La fabrication de dispositifs de 15nm de diamètre est possible et l’intégration de structures à base de nanofils de silicium et de circuits électroniques dans des structures compactes est maitrisée [NAT14]. De plus les nanofils de silicium étant des structures nécessitant une faible puissance électrique nous pourrions utiliser des systèmes d’alimentation et de communication nomades déjà développés. Tout cela pourrait permettre d’utiliser des nanofils de silicium au sein d’une structure de détection simple, de taille réduite et autonome en énergie pour être utilisée à tout moment et en tous lieux. L’intérêt est donc de comprendre si une structure à base de nanofils de silicium fonctionnalisée avec un élément biologique est assez performante pour capter un phénomène impliquant peu de particules chargées et idéalement n’impliquant qu’une charge unique. Comment les nanofils de silicium peuvent détecter des charges ? Comment savoir quel type de nanofils de

IV.1.2. Principe de base permettant la détection de charges à l’aide de nanofils de

silicium

Un transistor MOSFET est composé de deux zones dopées (introduction de charges) que l’on appelle source et drain et d’un canal de conduction le plus souvent dopé à l’inverse des sources et drain de sorte à former des jonctions PN entre le canal et les zones source/drain. A l’aplomb du canal de conduction on place une grille séparée du silicium par un isolant de grille (souvent un oxyde ou un matériau à haute permittivité).

La section du canal conduction dépend de la quantité de charges accumulées et de la géométrie de la grille et de l’isolant de grille. Plus la tension de grille est grande plus le courant circulant dans le transistor sera important. Le courant traversant un transistor MOSFET est dépendant de la tension de grille mais pas de manière linéaire. Il existe une tension minimale à partir duquel on constate la circulation d’un courant dans le transistor. Cette tension appelée tension de seuil représente la tension à partir de laquelle le canal se forme puis s’agrandit. A partir de cette tension le courant augmente quasi linéairement puis atteint une valeur maximale.

Nous voulons utiliser ce type de dispositif dans notre structure de détection. Idéalement nous pourrons détecter la ou les charges générées par la réponse de l’objet biologique car cela devrait induire une différence de courant dans le nanofils a une tension de grille identique. En réalisant une caractérisation électrique (Id=f(Vg)) sans les charges induites par la détection et une caractéristique avec la ou les charges reflétant la détection on obtient des courants de conduction différents. Le but est de pouvoir mesurer cette différence de courant le plus finement possible. On veut ensuite savoir quel type de nanofils permet la meilleure détection mais aussi quantifier l’écart de performance de détection introduite par le changement d’un paramètre physique dans la structure. Pour analyser le plus finement possible l’impact de différents paramètres sur la détectabilité nous avons réalisé une étude par simulation. Dans la partie suivante nous expliquerons pourquoi nous avons choisi cette méthode.

IV.1.3. Intérêt de la simulation

A l’aide de notre étude nous voulons identifier l’impact des différents paramètres de fabrication du nanofils de silicium et des caractéristiques liées de l’objet biologique (dimensions, salinité de l’électrolyte) sur la sensibilité du dispositif globale à la détection de différents types de charges. Nous souhaitons par exemple comprendre et chiffrer l’impact de la géométrie du nanofils, du matériau constituant la grille mais aussi de la valeur de la charge. La figure IV.2 montre une représentation schématique du très grand nombre de variantes technologiques pouvant être testé.

Fig IV.2 SCHEMA DE L’ARBRE DE SIMULATION.LE NOMBRE FINAL DE COMBINAISONS DE PARAMETRES A SIMULER EST TRES IMPORTANT.

La simulation doit permettre d’appréhender et de prédire l’impact des différents paramètres technologiques et d’éliminer les options technologiques non concluantes afin de limiter le nombre d’options pour la réalisation de dispositifs.

Dans notre étude nous allons dans un premier temps réaliser une simulation TCAD permettant de connaitre l’impact des paramètres de fabrication et de fonctionnement sur la détectabilité dans le cas idéal, ensuite les résultats de cette simulation seront introduits dans une simulation SPICE prenant en compte différentes sources de bruits inhérentes au fonctionnement réel pour avoir une idée plus précise du signal à traiter pour détecter une charge unique.

IV.2.

Simulation de la détection de particules chargées

IV.2.1. Méthodologie

Comme pour l’exemple de la polymérase lors de la duplication de l’ADN [HAL16] les réactions permettant la libération de molécules chargées en réponse à un événement biologique ou chimique interviennent souvent dans un environnement liquide. Le fait de travailler dans des milieux aux propriétés différentes (solides, liquides) avec des matériaux différents et des interfaces hétérogènes ajoute une complexité importante dans la simulation du processus de détection. Dans notre étude nous nous plaçons dans le cas particulier de la détection de molécules chargées par effet de champ. Nous allons par ailleurs simuler un événement statique et non dynamique. Un modèle équivalant de