Intérêt des nanols pour l'électronique

Les nouvelles propriétés des nanomatériaux et en particulier les propriétés électroniques ont permis aux nanomatériaux de devenir des candidats de choix en tant qu'éléments des systèmes dits nanoélectroniques. Comme mentionné en introduction, les eets de taille sont un aspect es- sentiel des nanomatériaux. Une des conséquences est l'apparition de nouvelles caractéristiques des structures électroniques. Par exemple, les structures électroniques de nanocristaux métalliques ou semiconducteurs dièrent de celle du matériau massif et des atomes isolés [36]. Quand la taille d'un nanocristal est plus petite que la longueur d'onde de Broglie, les électrons et les trous sont connés spatialement, des dipôles électriques sont formés et un niveau d'énergie électronique discret sera créé quel que soit le matériau, c'est-à-dire que les états d'énergie disponibles sont moins nombreux. De même qu'une particule dans une boîte, la séparation entre deux niveaux d'énergie adjacents augmente lorsque les dimensions diminuent. La gure 1.9 illustre schéma- tiquement les congurations électroniques discrètes dans les couches minces, les nanols et les nanocristaux [35]. Le connement des porteurs lorsque les dimensions de la structure diminuent est évident.

L'eet de connement quantique est plus prononcé pour les nanoparticules semiconductrices. La gure 1.10 montre l'écart de bande de nanols de silicium en fonction de leurs diamètres en se basant sur des données expérimentales et théoriques [35]. Quand la taille diminue, un dé- calage entre les bandes vers des fréquences plus hautes apparaît, alors l'écart de bande augmente.

Figure 1.9  Congurations électroniques discrètes illustrées schématiquement dans les nanocris- taux, les nanols, les couches minces et élargissement des écarts de bande [35].

Depuis l'invention de la modulation du dopage et de transistors à plus haute mobilité électro- nique [37], le contrôle de la composition dans les semiconducteurs est un paramètre critique des systèmes en électronique 2D et en photonique. Un premier avantage de la réduction de taille est la réduction des taux de diusion des porteurs de charge en raison de la diminution des points de l'espace réciproque accessible aux porteurs. En général, la mobilité électronique est aectée par la diusion des porteurs de nombreuses façons : diusion par les autres porteurs, par les surfaces, par la rugosité de surface, par les phonons acoustiques, par les phonons optiques, par les impuretés [36].

Les nanols forment un lien important entre le matériau massif et moléculaire. Un contrôle systématique du diamètre du nanol permet une étude systématique des eets de la dimensio- nalité sur le transport. En général, le diamètre, à partir duquel les propriétés de transport sont modiées, est lié au degré de connement des porteurs et des excitons, de la longueur d'onde de Fermi et des interactions de Coulomb. Les nanols de diamètres supérieurs peuvent cepen- dant aecter le transport électronique grâce à la diusion de surface en raison de leur ratio surface/volume [36].

Parmi les nombreuses applications des nanols, celles en électronique ont intéressé beaucoup de chercheurs. C'est ainsi que les éléments de base que sont les nanols semiconducteurs ont été utilisés en tant qu'éléments de dispositif ou forêt d'éléments [8]. En eet, la nanoélectronique

Figure 1.10  Données expérimentales et théoriques concernant l'écart de bande de nanols de silicium en fonction du diamètre du nanol [35].

est le domaine d'applications le plus attractif des nanotechnologies, en particulier du fait que les techniques de la microélectronique classique (approche top-down) ont quasiment atteint leur li- mite. Pour poursuivre la miniaturisation des éléments des circuits jusqu'à l'échelle nanométrique, peut-être même jusqu'au niveau moléculaire, des nouveaux systèmes électroniques de taille na- nométrique devront être fabriqués. Cependant, à l'inverse des transistors actuels qui opèrent sur la base de mouvements de masses d'électrons dans la matière, les nouveaux systèmes tireront prot du phénomène de mécanique quantique, incluant l'eet de connement quantique, de dis- crétisation des électrons, de connement de charge, de blocage de Coulomb, etc. Des systèmes à un nanol, à un nanoplot ou à un électron deviennent possibles. Ces systèmes nanoélectroniques, en comprenant les systèmes à un électron et les systèmes électroniques moléculaires, ont donné lieu à de nombreuses publications dans la littérature [1].

Récemment, des nanols de silicium ont été utilisés pour réaliser des dispositifs nanoélectroni- ques dont des transistors à eet de champ [38, 39, 4149], des portes logiques [50], des interrup- teurs [51,52]. Plusieurs prototypes de transistors à eet de champ à nanol de silicium sont pré- sentés en gure 1.11. Il a été montré qu'un dispositif à nanol qu'il soit dopé p au bore [38,48] ou dopé n au phosphore [45] peut se comporter comme un excellent transistor à eet de champ et, de plus, les mobilités de charges sont comparables voir excèdent les meilleurs résultats obtenus pour du silicium planaire. Des transistors à grille coaxiale ont été développés avec des structures composées d'un coeur de silicium de type p avec des couches radiales successives de germanium

intrinsèque, de SiOx et de germanium de type p [40]. Des résonateurs à base de nanols de sili-

cium et de rhodium ont également été réalisés [53]. L'alignement et l'intégration de nanols dans des circuits planaires à densité élevée de transistors engendrent un surcoût de temps et d'énergie.

Figure 1.11  (a-b) Schéma d'interconnexions parallèles de nanols de Si sans tri. (c-f) Images du système complet et des interconnexions nanols-électrodes. Barres d'échelle : (c) 1 mm, (d) 40 µm, (d') 3 µm, (e-f) 300 mm [38]. (g-h) Schéma d'un SiNF FET [39]. (h) Barre d'échelle : 500 nm. (i-j) Transistor à nanol ponté radialement. (j) Barre d'échelle : 500 nm. [40]

Figure 1.12  Éléments de transistors à eet de champ avec nanols intégrés. (a) Vue en coupe de nanols de Si sur un substrat Si(111), barre d'échelle de 1 µm. (b) Image MET d'un nanol de Si

entouré de SiO2après oxydation, barre d'échelle de 75 nm. (c) Image HR-MET d'un nanol dont

le diamètre a été réduit à ∼4.5 nm, barre d'échelle de 4 nm. (d) Images MEB en surface et en coupe de nanols de Si localisés grâce à un lithographie douce du catalyseur d'or, barre d'échelle de 2 µm. (e) Schéma du système. (f) Image MEB du système, barre d'échelle de 500 nm [54].

Pour dépasser cela, la croissance bottom-up de nanols localisés a été combinée avec le procédé d'intégration top-down à grande échelle, comme le montre la gure 1.12, permettant d'éliminer les étapes d'assemblage d'après croissance [54].

Des transistors en couches minces (Thin-Film Transistor, TFT) ont également été réalisés in- tégrant des nanols de silicium à des lms organiques. La gure 1.13 illustre le procédé de fabrication des transistors en couches minces avec des nanols (NF-TFT). Les nanols sont as- semblés selon une couche mince de nanols orientés grâce à une technique microuidique. Ce substrat subit ensuite les étapes qui permettent d'obtenir des NF-TFTs avec des canaux conduc- teurs constitués des multiples chemins de conduction crées par des nanols de silicium. Dans de tels systèmes, les charges passent de la source au drain par les monocristaux ce qui assure une mobilité de charge élevée. Ces TFTs aux performances élevées peuvent être réalisés sur des substrats variés dont le plastique en utilisant un procédé d'assemblage à basse température. L'électronique souple est ainsi rendue possible [1, 55,56].

Intérêt du silicium et du silicium-germanium : Le silicium et le germanium sont tous les deux des semiconducteurs à gap indirect. Ils ont des paramètres de maille voisins, de 5,43 pour

Figure 1.13  Diagramme illustrant le procédé de fabrication du TFT à nanols [55].

Si et de 5,65 pour Ge, ce qui rend possible la formation du composé SiGe. De plus, ils possèdent tous les deux une valeur d'écart de bande (ou largeur de bande interdite) relativement faible, de 1,11 eV pour Si et 0,67 eV pour Ge à 300 K, ce qui permet d'obtenir une conduction avec un faible dopage.

Les propriétés semiconductrices du silicium ont permis la création de la deuxième génération de transistors et des circuits intégrés.

Les nanols de silicium sont importants en nanotechnologie car les systèmes nanoélectroniques en silicium sont compatibles avec la microélectronique, elle aussi à base de silicium. Les nanols de silicium, grâce à leurs eets de connement quantique, joueront probablement un rôle clé en tant qu'interconnection ou que composant fonctionnel dans les futurs dispositifs nanométriques électroniques et optiques. Il a été suggéré que des ls semiconducteurs plus ns que 100 nm en diamètre pourront être utilisés pour développer des transistors à eet de champ à nanol et des émetteurs de lumière avec une consommation énergétique extrêmement faible [1].