Principales caractéristiques des transistors à base de nanofils de silicium

II.3.4.1 Nanofil avec ou sans jonctions ?

Une grande partie des travaux dans la littérature présente des transistors à base de nanofils sans jonction, autrement dit, les zones source et drain du transistor sont dopées avec le même type de dopant que le canal (figure 25 [77]). Le fonctionnement de ces transistors en accumulation et non en inversion, engendre des caractéristiques ID(VGS) différentes des MOSFET planaires. Le transistor conduit aussi bien, que la tension de grille soit négative ou positive [78], [58]. Un avantage de ne pas réaliser de jonctions est la simplification de la fabrication en éliminant une étape d’implantation et un recuit d’activation, ce qui diminue le coût de fabrication selon Solankia et Parmar [79]. Dans la configuration sans jonction, les courants de fuite lorsque le transistor est en mode bloqué ne sont limités que par la résistance du nanofil, ce qui peut être problématique pour les nanofils dont la section est grande. Les transistors sans jonction ont aussi le désavantage d’avoir une tension de seuil moins reproductible, dépendante des dimensions du nanofil [77], ce qui peut être problématique pour la fabrication d’ISFET, dont le fonctionnement est basé sur les variations de tensions de seuil en fonction du pH. Le choix de réaliser un transistor avec ou sans jonctions est un paramètre d’étude supplémentaire à prendre en compte. Il n’y a pas de comparatif dans la littérature sur l’intérêt de créer ou non des jonctions, pour la réalisation de transistors destinés à la détection en phase liquide.

II.3.4.2 Isolant de grille et couche de passivation

L’isolant de grille, qui est aussi la couche de passivation, est un point clé pour la réalisation de capteurs en phase liquide de type ISFET. Cette couche ne doit pas être poreuse, et doit parfaitement isoler le composant électronique de la phase liquide. La biocompatibilité est un plus qui permet des applications biologiques. Cette couche est très importante pour la réalisation de capteurs durables, fiables, reproductibles et précis. Le diélectrique utilisé sur les premiers ISFET était l’oxyde de

Figure 25 : schéma représentant deux transistors à base de nanofil de silicium, a) avec joncions, b) sans jonction.

II. Etat de l’art

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silicium SiO2 [33], [80]. Les désavantages de ce matériau sont : la faible sensibilité au pH, la forte sensibilité aux ions interférents Na+ _{et K}+_{, et la perméabilité en phase liquide qui entraîne de fortes} dérives et une durée de vie limitée du capteur. D’autres matériaux ont été introduits depuis, comme par exemple le nitrure de silicium Si3N4 [9], [81], [82] et les oxydes d’aluminium Al2O3 [81], [83]– [85], d’hafnium HfO2 [81], [83], [86], de zirconium ZrO2 [87] et de tantale Ta2O5 [87], [88]. Ces derniers permettent d’obtenir des réponses quasi nernstiennes avec la variation de pH, tout en étant plus sélectifs vis à vis des ions interférents. Ils sont aussi plus étanches et n’introduisent que de faibles hystérésis, les réponses sont ainsi plus précises et les durées de vie supérieures. Leur principal défaut à ce jour, en comparaison avec l’oxyde de silicium, est l’interface de piètre qualité qu’ils offrent avec le silicium [19]. Afin de tirer bénéfice des avantages de l’oxyde de silicium pour son excellente interface avec le silicium et des oxydes métalliques précédemment cités, des empilements ont été réalisés [81], [83]. Bae et al ont réalisé un comparatif des principaux matériaux utilisés pour la réalisation d’ISFET (tableau 2 [83]). D’après ces données, l’alumine semble présenter le meilleur compromis entre sensibilité au pH, linéarité, hystérésis, dérive et constante diélectrique. Le fait que sa constante diélectrique soit sensiblement en-dessous de celle du HfO2 et celle du Ta2O5, n’a pas d’influence en termes de sensibilité au pH [68]. Au passage, d’autres matériaux ont également une sensibilité au pH mais ont été peu ou pas utilisés pour la fabrication d’ISFET [89]–[91], il est néanmoins intéressant de connaître leur existence : SnO2, PtO2, IrO2, RuO2, OsO2, PbTiO3 et TiO2.

En ce qui concerne les techniques de dépôt, ce sont les méthodes « couches minces » classiques qui étaient utilisées pour la réalisation des ISFET planaires, et pour les premières générations d’ISFET à base de nanofils [19] : chimique en phase vapeur (CVD) [92], CVD organométallique (MOCVD) [93], CVD assisté par plasma (PECVD) [94], laser pulsé (PLD) [95], pulvérisation cathodique [96], évaporation par faisceau d’électron [97]. Ces dernières années ont vu l’essor du dépôt successif de couches atomiques (ALD), du fait des nombreux avantages qu’il apporte. Cette

technique assure notamment d’obtenir des épaisseurs reproductibles, extrêmement uniformes et conformes [98]–[100]. De plus, dans le cas de notre étude, L’ALD permet d’avoir une épaisseur homogène tout autour des nanofils, contribuant à la réalisation de capteurs ayant des réponses plus fiables et reproductibles.

II.3.4.3 Influence de la forme du nanofil, forme de la grille et de la diminu-

tion des dimensions

Pour les ISFET planaires, les principaux paramètres étaient limités : longueur et largeur de grille, épaisseur et type de diélectrique de grille.

Le passage de deux à trois dimensions, avec l’utilisation de nanofils, est très intéressant car il augmente considérablement le nombre de paramètres influant sur la conduction du transistor :

 La forme de la section du nanofil peut être ronde rectangulaire, carré, triangulaire ou autres.  Les angles des nanofils à section polygonale peuvent être plus ou moins aigus/obtus.  La surface de la section peut être plus ou moins grande.

 Les nanofils peuvent être avec ou sans jonctions.

 La commande de grille peut entourer totalement ou partiellement le nanofil.

Tous ces paramètres ont une influence sur le comportement des capteurs et multiplient le champ des recherches possibles.