III. Caractérisation électrique des nanocircuits
III.1. Introduction - transistor à effet de champ
Avant de développer les mesures faites sur les nanofils, nous présentons d’abord une brève description du transistor à effet de champ et son principe de fonctionnement.
Un transistor à effet de champ est un dispositif de source de courant commandée en tension. Il est l’association de deux réservoirs de porteurs (ici des électrons), appelés zones de "source" et de "drain". Ces zones sont séparées d’un semiconducteur de type différent et isolé de la "grille" par un oxyde. La grille est conductrice (métallique ou semiconductrice très dopée se comportant comme un conducteur). Quand on applique une tension sur la grille, on forme le "canal" entre le
drain et la source et on module la conductivité. Le courant IDS passe à cause de la différence de
potentiel entre la source et le drain.
La conduction dans un transistor MOS s’établit selon le type de canal. Dans le cas d’un MOSFET standard, le canal d’inversion se forme entre le drain et la source avec les porteurs minoritaires du substrat (voir fig. 23(a)). Dans ce cas, il faut appliquer sur la grille une tension suffisamment élevée pour les attirer vers le canal, sans quoi le transistor reste à l’état bloqué.
La technologie SOI permet d’élaborer un autre type de transistors à effet de champ, qui commence à être intégré dans la technologie MOS : le canal est fait d’une couche mince dopée du même type que le source et drain (voir fig. 23(b)). Il se comporte alors comme une résistance
n+/n/n+ et l’application d’une différence de potentiel entre le drain et la source permet le passage
du courant dans le volume du canal. Le transistor est à l’état passant. L’application d’une tension sur la grille permet d’augmenter la conduction dans le canal en attirant les électrons de la source et drain ou de bloquer le canal en repoussant les électrons vers la source et le drain. Le substrat massif sert uniquement de support mécanique pour le transistor.
(a) (b)
Fig.23. Vues en coupe de transistors MOS à canal N. (a) en technologie Si-bulk (canal d’inversion), (b) en technologie SOI (canal d’accumulation).
Dans le cas d’un transistor SOI idéal, la jonction N+/N/N+ présente un diagramme énergétique
comme le montre la figure 24. Dans la zone N+, le niveau de Fermi est situé pratiquement au
niveau de la bande de conduction, la différence de dopage entre les deux types de régions se
traduit par la création d’une barrière de potentiel égale à kBT.ln(N+/ND) = 150 meV (fig. 24(a)).
L’application d’un potentiel négatif sur la source fait baisser les bandes d’énergie côté drain (fig. 24(b)), l’existence de la barrière entre la source et le canal empêche toutefois le passage d’électrons. Pour diminuer la hauteur de cette barrière, il faut appliquer une tension positive sur la grille (fig. 24(c)). Dans ce cas, les électrons se déplacent favorablement de la source vers le drain.
(a) (b) (c)
Fig.24. Diagramme de bandes de la jonction N+/N/N+ dans le cas idéal (en absence de défauts) pour différentes polarisations VDS et VBG : (a) à VDS= VBG = 0V, (b) à VDS>0V et VBG = 0V, (c) à VDS>0V et VBG > 0V.
Dans notre cas, la structure est analogue au MOS du deuxième type (voir fig. 25). Un nanofil en
silicium (dopé N) est connecté à deux plots de contacts (N++), l’un jouant le rôle de la source et
l’autre celui du drain. La source est toujours connectée à la masse et la polarisation est directement appliquée sur le drain. Le substrat massif des échantillons que nous avions est en silicium type P (NA=5.1014 cm-3), sa face arrière est métallisée et il nous sert de grille (grille arrière) ou "Backgate" indexé BG dans la suite du document.
Fig.25. Structure du dispositif que nous avons utilisée, analogique à un transistor à effet de champ.
La conductance (inverse de la résistance) G dans le canal dépend de Q, la charge totale par unité
de surface dans le canal. Q est la somme de deux composantes, l’une résistive (Q0 due au dopage)
et l’autre "capacitive" (Qi induite par la polarisation de la grille à VG) : ) . . . ( . ) ( . 0 i n C OX G OX n eNh V h L W Q Q L W G = µ + = µ +ε où
- µn est la mobilité des porteurs.
- W, L et hC sont respectivement la largeur, la longueur et l’épaisseur du canal.
- e est la charge de l’électron.
- N est la densité des porteurs dans le canal.
- εOX et hOX représentent respectivement la permittivité et l’épaisseur de l’isolant.
Afin de contrôler la conductance par la tension de grille, il faut que le deuxième terme soit prépondérant (Qi>>Q0), c’est à dire : VG >>e.N.hC.hOX εOX .
L’application de la tension de grille agit sur le potentiel de surface du semiconduteur (ΨS) à
l’interface avec l’oxyde de grille et le dispositif à canal N fonctionne selon l’un des régimes :
- Accumulation pour VG>0 soit ΨS>0 : à l’interface canal/oxyde, la tension de grille induit une
courbure des bandes vers le bas, ce qui entraîne une augmentation locale de la concentration des électrons.
- Déplétion (ou désertion) pour VG<0 soit ΨS<06 : une zone désertée positive (ND), de largeur proportionnelle à ΨS1/2, se forme à l’interface canal/oxyde.
Dans notre cas, le canal N est dopé 2.1017 cm-3, et l’oxyde de grille est épais (hOX =400 nm). A
titre indicatif, pour observer un effet de champ dans un canal mince d’épaisseur 15 nm, il faut que VG >> 5.6 V.
Le montage utilisé pour les mesures est illustré dans la figure 26.
6 Quand ΨS <<0 (de l’ordre de -1V dans le silicium), le dispositif entre dans le régime d’inversion, la concentration des trous devient localement supérieure à celle des porteurs majoritaires à l’interface canal/oxyde. Le régime
Fig.26. Montage expérimental pour les mesures électriques.
Les mesures électriques effectuées sur les nanofils ont été réalisées, avec un pico-ampèremètre HP4140B, à température ambiante ou à très basses températures, dans l’obscurité ou sous illumination. Afin de diminuer le bruit de mesure dans les courbes I(V), les mesures ont été effectuées avec des temps d’intégration longs, adaptés au niveau du courant (266ms dans la
gamme 10-2 à 10-10 A, 1066ms dans la gamme 10-11 A et 2133ms dans la gamme 10-12 A).
Nous présenterons dans un premier temps des mesures sur les nanofils d’épaisseur 15 nm où nous évoquerons le comportement du nanofil sous excitation optique. Par la suite nous présenterons les résultats des mesures pour des nanofils d’épaisseur 8 nm.
III.2. Mesures électriques sur les nanofils de 15 nm.