Dans la filière technologique classique, qui repose sur les composés silicium, la réduction des dimensions caractéristiques des circuits électroniques atteint progressivement une limite en performances, et en avantages économiques, ce qui s’oppose à la célèbre loi de Moore qui prédit sur une progression régulière des avancées technologiques. Ceci constitue la motivation principale pour la quête de solutions de rupture, par le développement de procédés de fabrication novateurs et d’architectures originales impliquant des NTC42,55.
I. 3. 1. 1. Dispositifs nanoélectroniques
Les premiers travaux de recherche portant sur la réalisation d’élément actif de type transistor à effet de champ basé sur un NTC (NTC-FET) visaient à remplacer la structure du canal source-drain par un NTC. En 1998, Tans et al.56 rapportent pour la première fois la fabrication d’un NTC-FET à haut gain réalisé en déposant aléatoirement des NTC monoparois semiconducteurs sur un substrat de silicium muni d’électrodes métalliques (source et drain) reposant sur une grille SiO2 (Figure I.4).
a) b)
Figure I.4 : a) Image AFM d’un NTC semiconducteur individuel à la surface de trois électrodes de platine. b) Schéma : vue de profil d’un transistor à effet de champ à base d’un NTC 56.
Par ailleurs, la même équipe57 a mis en évidence la nature de fil quantique et observé le transport avec blocage de Coulomb à température ambiante au sein d’un NTC-FET. La problématique majeure dans la fabrication de dispositifs nanoélectronique est essentiellement due aux phénomènes de résistance de contact entre les NTC et les canaux électriques.58
L’intérêt des NTC pour le secteur de la nanoélectronique dépend du niveau de complexité accessible aux architectures basées sur les NTC. Dans ce cadre, les résultats suivants apparaissent de bonne augure : la réalisation d’un dispositif intégré impliquant deux NTC-FET59 ; l’élaboration des dispositifs électroniques à plusieurs terminaux, impliquant des intersections de NTC60 ; la fabrication de mémoires non-volatiles reposant sur le principe d’un interrupteur électromécanique61.
L’une des exigences majeures de la nanoélectronique réside dans la fabrication parallèle et fiable de dispositifs : les premiers résultats obtenus dans ce sens sont dûs aux performances de la croissance localisée62,63 (Figure I.5).
Des approches nouvelles sont envisagées afin d’atteindre des densités de circuit supérieures à celles des dispositifs de silicium classiques :
− des circuits électroniques à partir de NTC interconnectés ou à multiples branches. Il est en effet possible de réaliser des connexions de segments d’hélicité différente au moyen de défauts topologiques pentagone-heptagone64,65. La conception de blocs de base pour la nanoélectronique, de type métal-semiconducteur ou métal-isolant-métal66, justifie l’intérêt pour ces jonctions.
− La seconde voie concerne la réalisation de transistors verticaux67 dont les dimensions latérales peuvent être limitées à 10 nm : cette caractéristique répondrait aux exigences fixées par l’industrie des semiconducteurs pour le futur68.
a) b)
c) d)
Figure I.5 : a) Schéma d’un NTC-FET avec une grille enterrée. b) Image optique d’un réseau de NTC-FET réalisés par croissance localisée avec insertion d’une image d’un NTC-FET individuel. c) Image MEB d’un NTC-FET : la grille de tungstène, plus claire apparaît partiellement superposée aux électrodes S et D ; d) NTC monoparoi connectant les électrodes S et D (agrandissement de la zone indiquée en (c)). (cf. Réf. 62)
I. 3. 1. 2. Nanoconnectique
En raisons de leurs exceptionnelles propriétés électroniques (fil quantique69 1D, conductivité balistique à température ambiante70, densité de courant élevée71 109 A/cm²), mécaniques et morphologiques, les NTC métalliques apparaissent comme des candidats idéaux pour les connections nanométriques. Par ailleurs, ils sont pressentis pour assurer le lien entre la nanoélectronique et l’électronique moléculaire comme l’illustrent les travaux de Dekker72 ou de Dai73.
Comparativement aux nanofils composés d’éléments métalliques, les NTC possèdent des atouts spécifiques :
−
Stabilité vis-à-vis de la distorsion de Peierls1 jusqu’à basse température69.−
Ecrantage des fluctuations de potentiel des forces exercées par son environnement.Néanmoins on prédit l’apparition d’un pseudo-gap (inférieur à 0,1 eV) par rupture de symétrie issue de l’interaction NTC-substrat74,75 : celle-ci tend à réduire la conductance
1 La distorsion de Peierls consiste en une tendance d’un système 1D à déformer ses bandes de valence et de conduction, avec l’apparition de nouvelles divergences dans les DOS aux bords du gap ouvert. Ce mécanisme s’accompagne de la diminution de l’énergie globale du système, supérieure à l’augmentation de l’énergie élastique, ce qui signifie que ce phénomène est favorisé à basse température.
du NTC métallique.
−
Absence du phénomène d’électromigration (déplacement de matière dans les zones à forte densité de courant).I. 3. 1. 3. Dispositifs à émission de champ
Les activités de recherche aboutissent au développement des sources d’électrons à base de NTC monoparois pour des écrans plats76 (Figure I.6), des tubes à décharge générateurs de rayons X77,78 ou de micro-ondes79.
a) b)
Figure I.6 : a) Image MEB plots émetteurs à effet de champ, de type triode, à base de NTC; d) NTC émergeant à la surface d’un émetteurs 81.
L’émission d’électrons nécessite l’application d’un potentiel entre un NTC et une borne anodique : ceci génère un champ électrique d’intensité locale élevé au niveau du sommet du NTC en raison de sa dimension nanométrique. Ce champ local favorise l’émission d’électrons par effet tunnel dans le vide. L’émission d’électrons s’effectue à partir des niveaux d’énergie discrets des NTC : leur structure électronique influence donc le comportement à l’émission80. Il est possible d’envisager de diriger les électrons afin qu’ils bombardent une cible : l’interaction des électrons avec la matière produit des ondes électromagnétiques, dont la nature dépend des conditions opératoires.
Les prototypes d’écrans plats produits par Samsung témoignent d’un développement important76,81, néanmoins la mise sur la marché exige une plus grande compétitivité comparativement aux écrans plats des premières générations (cristaux liquides, à diodes organiques).