IV. Etude de la détection fine de charges à l’aide d’un nanofils de silicium et impact sur
IV.2. Détection dans un système réel complexe
IV.2.1. Description du modèle
Pour modéliser le signal sur bruit généré par notre dispositif de détection nous avons construit un macro-modèle SPICE basé sur un modèle BSIM3v3 de transistor incluant le bruit thermique et le bruit de Flicker. On associe à ce modèle de transistor des résistances pour modéliser les accès aux transistors. Elles sont couplées à des sources de bruits permettant de modéliser le bruit thermique. L’effet de la charge est traduit par une variation de la tension de grille. Cette variation de tension de grille est calibrée à l’aide des simulations statiques présentées dans la partie précédente. La figure IV.16 présente une vue schématique du modèle dans lequel des éléments permettent de simuler : le fonctionnement du nanofils, l’effet de la solution, l’effet de la charge et les différents bruits [CAR16].
FIGURE IV.16 VUE SCHEMATIQUE DU MODELE PERMETTANT D’APPREHENDER LE FONCTIONNEMENT DU NANOFILS, L’EFFET DE LA SOLUTION, L’EFFET DE LA CHARGE ET LES DIFFERENTS BRUITS [CAR16].
Pour calibrer le modèle nous utilisons donc la simulation TCAD pour le comportement de pente sous le seuil et des données expérimentales pour le modèle de la mobilité. La figure IV.17 montre les données et le résultat du modèle pour ces deux données.
FIGURE IV.17SIMULATION TCAD ET MODELISATION PERMETTANT LE CALIBRAGE DE LA PENTE SOUS LE SEUIL DES NANOFILS EN FONCTION DE LA LONGUEUR DU CANAL (A) ET MESURE PERMETTANT LE CALIBRAGE DE LA MOBILITE EN FONCTION DE LA LONGUEUR DU CANAL (B)[CAR16].
FIGURE IV.18 SIMULATION TCAD ET MODELISATION ANALYTIQUE PERMETTANT LE CALIBRAGE DE L’IMPACT D’UNE CHARGE SUR LE RATIO EN FONCTION DE LA TENSION DE GRILLE. LE MODELE PERMET DE TRANSFORMER L’IMPACT D’UNE CHARGE EN VARIATION DE TENSION DE GRILLE PLUS FACILE A METTRE EN ŒUVRE DANS NOTRE MODELE [CAR16,HAS06].
La modélisation de la sensitivité à une charge est basée sur la description des capacités de couplage qui existent entre le nanofils et la charge mais aussi entre le nanofils et l’électrode de grille comme le montre la figure IV.18 [CAR16]. Le bruit est lui calibré en supposant l’utilisation d’un oxyde de grille en SiO2 et en supposant une densité spectrale du bruit égale à SId/Id2 = 10-10/((WNW+2HNW) x LNW), à 10Hz.
IV.2.2. Résultats
La figure IV.19 montre le résultat d’une simulation transitoire effectuée à l’aide du macro-modèle décrit précédemment.
FIGURE IV.19SIMULATION TRANSITOIRE DE LA DETECTION D’UNE MOLECULE CHARGEE DANS UN ENVIRONNEMENT BRUITEE [CAR16].
En regardant la figure IV. 19, on peut dire l’échelon de courant imitant la génération d’une molécule chargée est traduit dans notre modèle par une variation de tension de grille n’est pas détectable lorsque l’on travaille avec un environnement bruité. Pourtant avec un simple traitement du signal comme un moyennage des valeurs acquises, l’échelon serait détectable. Reste maintenant à savoir comment nous pourrions améliorer la détectabilité de cet échelon et donc favoriser la détection d’une molécule chargée.
La figure IV.20 montre schématiquement l’impact qu’auraient quatre modifications des paramètres de la structure sur la détectabilité. Pour optimiser/maximiser la détectabilité on peut modifier l’intégration : soit en jouant sur les paramètres géométriques comme la réduction de la longueur du nanofils pour augmenter l’impact intrinsèque de la charge (1) soit en construisant une architecture particulière et en utilisant des matériaux permettant de réduire le bruit (2). Nous pourrions aussi travailler à l’optimisation des problématiques liées aux objets biologiques soit en augmentant la magnitude de la charge à détecter soit en réduisant la concentration molaire de l’électrolyte (3). Enfin, travailler à des fréquences plus élevées permettrait de réduire le bruit de flicker (4).
FIGURE IV.20 SIMULATION TRANSITOIRE DE LA DETECTION D’UNE MOLECULE CHARGEE DANS UN ENVIRONNEMENT BRUITE.IMPACT D’UN CHANGEMENT SUR L’OPTIMISATION DE LA DETECTABILITE [CAR16].
IV.3.
Conclusion et perspectives
A travers notre travail de simulation nous avons pu répondre à la question de la détectabilité d’une molécule chargée de manière précise et rapide. Nous avons identifié les paramètres morphologiques et biologiques permettant d’augmenter la détectabilité d’une molécule chargée. Tout d’abord nous avons pu voir que les structures à base de transistors NFET et PFET peuvent toutes les deux détecter des charges positives et négatives. Il est cependant apparu qu’il y avait une dissymétrie dans l’impact d’une charge positive ou négative sur chacune des structures. Nous avons aussi pu voir qu’à encombrement équivalent les structures à base de transistor NFET étaient plus efficaces pour la détection de molécules chargées.
D’un point de vue géométrique nous avons vu que la réduction longueur du nanofils est l’élément le plus influant sur la détectabilité d’une molécule chargée. L’autre paramètre géométrique à prendre en compte est l’épaisseur de l’isolant présent entre le canal et l’électrolyte. En diminuant l’épaisseur il est possible d’augmenter la détectabilité d’une molécule chargée. Il faut cependant trouver un compromis permettant d’avoir assez de matière pour réaliser le greffage de l’objet biologique. Il faut aussi prendre en considération le matériau constituant cet isolant, il doit être compatible avec le greffage mais aussi être d’assez bonne qualité pour permettre l’isolation nécessaire au bon fonctionnement de la structure de détection. Nous avons aussi mis en évidence que plus la charge est proche de l’interface
isolant/électrolyte plus la détectabilité augmente. Il appartiendra donc au biologiste de créer des objets biologiques favorisant la création de charge le plus proche possible de la surface de greffage. Au-delà de ces considérations électrostatiques classiques, nous avons remarqué que la concentration saline de l’électrolyte joue un rôle primordial dans la détectabilité d’une molécule chargée. Les biologistes devront donc travailler à réduire la concentration saline de l’électrolyte et à augmenter la magnitude de la molécule chargée généré par l’objet biologique afin de maximiser sa détectabilité. Nous avons ensuite réintroduit ces résultats « classiques » de simulation dans un modèle plus complexe prenant en compte différentes sources de bruits comme le bruit blanc le bruit thermique et le bruit en 1/f. A travers ce modèle nous avons pu mettre en évidence que la géométrie et les matériaux utilisés peuvent avoir des effets importants sur le bruit et notamment le bruit en 1/f lorsque l’on travaille avec des transistors aux dimensions réduites. Nous avons pu aussi constater que le circuit de mise en forme et de lecture du courant sortant du nanofils doit par son design et son fonctionnement permettre de maximiser la détection. La simulation permet de prédire le niveau de courant attendu mais aussi les tensions auquel le transistor doit être utilisé afin de maximiser la détection d’une molécule chargée.
-Conclusion générale -
Dans ces travaux de thèse nous avons étudié la fabrication de dispositifs hybrides électroniques/biologiques afin de pallier à certains challenges de l’électronique moderne. Nos travaux traitent de problématiques liées (i) à l’utilisation d’objets biologiques filiformes pour la fabrication d’interconnexions nanométriques et (ii) à la détection de charges électriques de faibles intensités par l’intermédiaire d’un capteur à base de nanofils de silicium fonctionnalisés.
Le comportement électrique des objets biologiques n’étant que peu souvent étudié, nous avons décidé de concevoir un dispositif de test électrique pour les objets biologiques nanométriques. Nous avons dessiné les masques de lithographie et le flot de fabrication en respectant les contraintes biologiques et électroniques. Ces masques permettent de fabriquer toutes une série d’électrodes permettant d’accéder aux caractéristiques électriques des objets biologiques telles que la résistivité linéique, la résistance de contact ou encore le type de transport électrique mis en jeu. Ces travaux originaux ont fait l’objet d’un brevet intitulé : « Dispositif électronique de mesure d'au moins une caractéristique électrique d'un objet » déposé le 20/04/2015 (EP3086112B1). Nous avons ensuite mis au point un flot de fabrication permettant de fabriquer des électrodes nanométriques en or, en platine ou avec une bicouche or/ruthénium. Des tests de caractérisations morphologiques et électriques ont permis de montrer que la fabrication avait été réussie. Cependant, le flot de fabrication devait être optimisé afin de prendre en compte les effets de la diffusion de l’or. Pour résoudre ce problème, la fabrication d’électrodes en platine et l’utilisation du couche barrière en nitrure de tungstène ou en nitrure de titane ont été proposées. Une fois la fabrication des puces terminée nous avons développé un packaging permettant une connectique facile et une utilisation simple de nos dispositifs de test dans des équipements telles que les enceintes climatiques ou les boites sous vides.
Dans un second temps nous avons fabriqué une structure à base de nanofils de silicium, servant d’ISFETS, pilotée par un circuit CMOS. Pour réaliser ce capteur nous avons développé un flot de fabrication par collage direct de deux plaques tout en respectant un certain nombre de contraintes dûs à une fabrication multi-projet. Nous avons réalisé un circuit CMOS d’adressage sur la plaque BOTTOM et après collage une matrice de nanofils sur la plaque TOP. Les connexions électriques entre les deux plaques sont réalisées à l’aide de via. Pour permettre les mesures en voie liquide des cavités ont étés fabriquées à l’aplomb de nanofils. Des tests de caractérisations morphologiques et électriques ont prouvé la fonctionnalité des dispositifs. Nous avons mis en évidence la fonctionnalité (i) des nanofils de la plaque TOP, (ii) du circuit d’adressage et (iii) des via 2µmx2µm permettant de connecter les deux plaques. Cependant le flot de fabrication doit être optimisé afin de prendre en compte l’importance de la qualité de l’isolant présent entre les nanofils et l’électrolyte. Nous avons aussi mis en évidence plusieurs défauts de fabrication qui devront être réglés pour obtenir des dispositifs de meilleure qualité. Nous avons aussi développé une mise en boitier des puces comprenant un support en PCB, une cavité en polymère permettant les mesures en voie liquide et une connectique permettant de passer de l’échelle micrométrique à des fils électriques classiques.
Nous avons ensuite étudié par simulation numérique la détection d’une charge unique par un capteur hybride à base de nanofils de silicium. Cette étude met en évidence l’influence de plusieurs paramètres morphologiques du nanofil et sur l’environnement de mesure et sur la détectabilité d’une charge. Nous avons ensuite utilisé un modèle complexe de simulation pour appréhender la détectabilité d’une charge dans un cas d’utilisation réel avec notamment la présence du bruit blanc et
du bruit de flicker. Nous avons explicité les méthodes d’optimisation de notre dispositif en nous appuyant sur des mesures afin de réduire le bruit et de faire le meilleur traitement du signal possible. Pour aller plus loin il faudrait concevoir un circuit CMOS de traitement du signal pour des nanofils morphologiquement optimisés et réaliser des mesures dans des conditions plus propices notamment en intégrant un module fluidique permettant l’apport et le retrait de fluide dans les cavités à l’aplomb des nanofils.
Plusieurs perspectives de ce travail sont envisageables. Pour la fabrication de capteurs hybrides biologiques/électroniques plusieurs points mériteraient des recherches approfondies. D’un point de vue biologique, des travaux sur la réduction de la concentration saline des électrolytes et sur la réduction de la distance entre l’objet biologique et le nanofil doivent être mis en place car ce sont les paramètres les plus influents sur la détectabilité.
Sur l’architecture, la fabrication de nanofils plus fins et une optimisation de la couche isolante devraient permettre une meilleure détectabilité. Enfin un important travail sur la conduite de mesures électriques en voie humide doit être mené pour que les capteurs hybrides 3D puissent détecter une charge unique à proximité du nanofils de silicium.
Une des principales contributions de ce travail reste la réalisation d’un procédé d’ISFET à nanofils sur CMOS. Ce procédé permet de matricer des capteurs biologiques de manière très dense et pourra être utilisé pour de l’imagerie biochimique ou de séquençage d’ADN (sur le modèle ION Torrent).
Figure Conclusion.1 Illustration d’une utilisation de matrice dense d’ISFET pour de la reconnaissance d’ADN [GUI13]
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