Département D'Électronique
Mémoire
Présenté en vue de l’obtention du diplôme
Master en électronique
Option : microélectronique
Modélisation du transport électronique quasi-balistique pour le graphene
Par :
BOUDJENIBA Yassine TCHALABI Nabil
Travail proposé et dirigé par : Mr.FATES Rachid Mr.REMMOUCHE Riad
Promotion 2020
Université Mohamed Seddik Ben Yahia - Jijel
PB 98, Ouled Aissa. 18000. Algérie. Tél : +213 34 50 11 89
Thème
Louange à ALLAH qui lui seul nous a guidé dans le bon sens durant notre vie et qui nous aidé à réaliser ce modeste travail.
Nous remercions vivement Notre encadreurs : Dr R. FATES et Dr R. RAMOUCHE qui ont en l'amabilité de nous encadrer, avec leurs orientation, leurs conseils judicieux, et les encouragements
Nous souhaitons aussi exprimer nous plus sincères remerciements à chacun des membres du jury qui, malgré leurs responsabilités, ont bien voulu nous consacrer du temps :
1-Mr H.BOURIDAH 2- Dr R. RAMOUCHE 3- Mr T.BENKDIDEH
Un grand Merci A tous les enseignants de la faculté sciences et de technologie de L’université de Jijel.
Un grand merci a toute notre famille et plus particulièrement nous parents, pour n’avoir soutenue et aidée tout au long de nos études.
Enfin nous remercions toute personne de prés ou de loin qui a participe pour rendre ce travail réalisable et présentable
Djamel Samir ET ma sœur
Amina
À Toutes mes collègues de la promotion option Mécroélectriques 2020
À tous mes amis
À toutes ma famille et les personnes qui participent a L’élaboration de ce travail.
À tous ceux que j’ai Omis de citer.
Nabil
Je dédie ce modeste travail Aux être qui me sont les plus chers.
À mes chers parents qui m’ont toujours encouragé Symbole de tendresse pour leur sacrifice estimable
~que dieu garde ~.
À mes chers ET ADORABLE frères.
Hemza Fares
Said ET ma sœur
dounia
À Toutes mes collègues de la promotion option Mécroélectriques 2020 En particule Nabil
À tous mes amis Rachid ,Hemza ,Mohamed tout particulièrement Abdallah khellouf nabil .
À toutes les personnes qui participent a L’élaboration de ce travail.
À tous ceux que j’ai Omis de citer.
SiO2
CVD PMMA P3HT
PEDOT : PSS MOSFET LOP LSTP HP MEMS GNR CNT GNRFET HSQ Fox-12 TMAH BTM MFT DOS
Di oxyde de silicium
Dépôt chimique en phase vapeur le polyméthacrylate de méthyle Poly(3-hexylthiophène)
Poly(3,4-éthylène dioxythiophène)- poly(styrène sulfonate)
transistor Métal/Oxyde/Semiconducteur à effet de Champ
Low Operation Power Low Standby Power High Performance
systèmes microélectromécaniques nanoribbon de graphène
nanotubes de carbone
transistor à effet de champ à base de nanoribbon de graphène
Hydrogen Silses Quioxane
TetraMethl-Ammonium-Hydroxide transport quasi-balistique
la théorie des flux de McKelvey la théorie de la densité d'états
TABLE DES PARAMETRES
Symbole Description
VCH la chute de tension aux bornes de la capacité quantique (Volt)
KB Constante de Boltzman ( J.K-1 )
T Température (Kelvin)
ID courant de drain (Ampére)
VDS Tension drain – source (Volt)
Vd Le potentiel du contact de drain (Volt)
Vg La tension de grille supérieure (Volt) Vb La tension de grille arrière (Volt)
ħ la constante de Planck réduite
vF la vitesse de Fermi (m /s)
Épaisseurs de la couche du graphene (nm)
vz la vitesse moyenne des porteurs injectés
longueur de diffusion critique
λ la longueur de relaxation de l'impulsion de champ faible
r le coefficient de rétrodiffusion
CTox
CBox
la capacité d’oxyde supérieur par unité de surface la capacité d’oxyde arrière par unité de surface
Figure I.7. Structure d'une feuille de graphène obtenu à partir dugraphite ………8
Figure I.8.Structure de base des nanocarbones : graphite,fullerène,nanotube de carbone …….9
Figure I.9.Réseau direct et réciproque du graphène. Les vecteurs a1 et a2 et les atomes A et B définissent le réseau de Bravais. Les vecteur b1 et b2 définissent la première zone de Brillouin ………...10
Figure I.10.Vues en perspective des orbitales selon les différentes valeurs de m : (A) forme sphérique,(B) forme en8 ………..11
Figure I.11. illustration de différentes formes d’orbitale d’électrons pour n=2 ………...11
Figure I.12. (A) état de remplissage d’électron dans l’orbitale S. Les flèches correspondent aux spins.(B) état de remplissage d’électrons de l’orbitale P.(C)illustration de l’hybridation de l’orbitale S avec les orbitales et ……….12
Figure I.13.Représentation schématique des liaisons σ et les liaisons π ………..12
Figure I.14.Illustration de la formation de la liaison ϭ. L’orbitale d’un atome de carbone se recouvre axialement avec celle de son atome voisin. L’axe de symétrie (Px) del’orbitale ne change pas avant et après la formation de la liaison ………13
Figure I.15.Illustration de la formation de la liaison ᴨ.(A), (B) et(C) formation entre deux atomesde carbone. (D) et(E) formationdans une structure hexagonale de graphène ………...14
Figure I.16. Structure de bande du graphène ………...15
Figure 1.17. Schéma du système CVD pour la croissance de films de graphène ………18
Figure I.18.Processus Top-Down pour la préparation du graphène ou le graphène à partir du graphite naturel ………19
Figure I.19. Photographie du microscope MEB ………..20
Figure I.20. Agrandissement de la pointe d'un microscope à force atomique ……….21
Figure I.21. Spectre Raman typique de graphène ………22
Figure I.22. Illustration Des Propriétés Du Graphène, Des Applications Qui En Découlent, Ainsi Que Les Grands Secteurs Pouvant Etre Impactés Par Ce Nouveau Matériau …………25
Figure II.1. Structure de GFET à grille inferieure ………...27 Figure II.2. Structure d'un transistor MOS canal N : (a) vue en perspective, (b) coupe
transversale ………...29 Figure II.3. Principe de fonctionnement du MOSFET à canal N ……….30 Figure II.4. Illustration d’un circuit d’un capteur à transistor à effet de champ en graphène ..31 Figure II.5.Structure d’un GFET ………..32 Figure II.6.Caractéristiques de sortie IDS(VDS) d’un transistor modélisé pour U0 =0 V: a) pour UGS> U0 , b) pour UGS ≤ U0 ………...34
Figure II.7. Caractéristiques de transfert IDS(UGS) d’un GFET modélisé pour U0= 0 V, UDS =
0.5 V et UDS = 1.5 V ………34
Figure II.8. Comparaison des grains en courant pour du graphene exfolié et du
grapheneepitaxié. (a) Gain en courant d’un transistor en graphène obtenu à partir de graphène exfolié. La fréquence de coupure mesurée est de 50 GHz pour une longueur de grille de 350 nm. (b) Gain en courant d’un transistor en graphène obtenu à partir de graphèneépitaxié. La fréquence de coupure mesurée est de 170 GHz pour une longueur de grille de 90 nm. Cette fréquence est la fréquence record mesurée sur des transistors en graphène ………36 Figure II.9.(a) Photographie SEM du transistor RF avec canal en graphène obtenu sur cuivre par dépôt et transféré sur diamant. La longueur de grille du transistor est de 40 nm et une distance de 20 nm est assurée entre la grille et les contacts permettant des résistances séries faibles. (b) Performance du transistor RF, une fréquence de coupure de 155 GHz est
mesurée……….37 Figure II.10.Vue de dessus de la structure,canal et contact du GNRFET ………39 Figure II.11.Schéma de la structure d’un GNRFET et sonfonctionnement ……….40 Figure II.12. Comparaison entre les techniques de lithographie (A)optique et (B)
électronique………...41 Figure II.13.Illustration dumécanisme de polymérisation de la HSQ par oxydation. (A) Forme chimique de HSQ monomère ; (B) Forme chimique de HSQ après polymérisation ; (C) Etapes de polymérisation par l’oxydation ………...42 Figure II.14.Illustration de l’effet de proximité : (A) la dose réelle appliquée à la résine et son effet sur les motifs ; (B) Le cas de (A) mais avec la correction de proximité ……….44 Figure II.15.Illustration de l’impact du pas d’insolation sur la fluctuation d’une ligne de 10 nm de largeur : (A) Avant révélation ; (B) Après la révélation ……….………..45 Figure II.16.Séparation de zones hautes résolutions et basses résolutions ………..46 Figure II.17.Séchage de la HSQ par deux méthodes différentes. (A)Rubans de HSQ de largeur 20nm, espacés de 80nm, séchés par souffle N2 ; (B) Même ruban que (A), réalisé par séchage critique ; (C) Rubans de HSQ de largeur 20nm espacé 40nm, réalisés par séchage
critique……….….48
simulations à l’équilibre, nmin = cm-2. Pour les simulations hors équilibres un dopage allant de cm-2 à cm-2.(à droite) caractéristique Ids(Vgs) pour plusieurs valeurs de Vds avec nmin = cm-2………....59 Figures III.4 (à gauche) caractéristique Ids(Vds) pour plusieurs valeurs de Vgs. Pour les
simulations à l’équilibre (ligne continue), nmin = cm-2. Pour les simulations hors équilibres (lignes discontinues) un dopage allant de cm-2 cm-2. (à droite) caractéristique Ids(Vgs) pour plusieurs valeurs de Vds ………..60 Figures III.5 (à gauche) caractéristique Ids(Vds) pour plusieurs valeurs de Vgs. Pour les
simulations à l’équilibre (ligne continue), nmin = cm-2. Pour les simulations hors équilibres (lignes discontinues) un dopage allant de cm-2 à cm-2. (à droite) caractéristique Ids(Vgs) pour plusieurs valeurs de Vds ………..61
SOMMAIRE
Introduction générale ………..1
Chapitre I :Généralités sur le graphene
I.1. Introduction ...……….…….…….………3I.2. L’élément carbone ...………….……….……….……..3
I.3. Formes allotropiques du carbone ……….……….…4
I.3.1. Formes allotropiques classiques du carbone ……….…5
I.3.1.1. Graphite……….…..5
I.3.1.2. Diamant ……….……….…6
I.3.2. Nouvelles formes du carbone ……….…6
I.3.2.1. Fullerènes……….…...6
I.3.2.2. Nanotubes de carbone…….………7
I.3.2.3. Graphène……….8
I.4. Description du graphène………...9
I.4.1. Structure cristallographique ...….………...9
I.4.2. Configuration électronique ...……….………...10
I.4.3. Structure de bande d'énergie ………….………...14
I.5. Transport dans le graphène ……….15
I.6. Techniques de préparation du graphène ………..16
I.6.1. Techniques « Bottom-Up » de bas en haut ……….16
I.6.1.1. Synthèse du graphène par exfoliiation ……….16
I.6.1.2. Synthèse du graphène par épitaxie ………..17
I.6.1.3. Graphène chimique ………..17
I.6.1.4. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ……….18
I.6.2. Techniques « Top-Down » de haut en bas ………...19
I.7. Méthodes de caractérisations du graphene ……….19
I.7.1. Microscopie électronique à balayage………19
I.7.2. Microscopie à force atomique ………..20
I.7.3. Microscopie électronique à transmission ……….21
I.7.4. Spectroscopie Raman ………...21
I.8. Propriétés du graphéne ………...23
I.8.1. Propriétés électroniques ……….………..23
I.8.2. Propriétés mécaniques …….……….23
I.8.3. Propriétés thermiques ………...23
I.8.4. Propriétés optiques ………...23
I.9. Applications ………24
I.10. Conclusion ………25
Chapitre II :Transistors à base de graphene
II.1 Introduction ………26II.2. GFET ……….26
II.3.Fonctionnement ………..27
II.3.1. Transistor MOS ……….27
II.8.2.4. La révélation de la HSQ ………..43
II.8.2.5. Le contraste de la HSQ ………43
II.8.2.6. La réalisation de masque du GNR ………...43
II.8.2.6.1. L’origine de l’effet de proximité ………..44
II.8.2.6.2. La correction de l’effet de proximité ………44
II.8.2.6.3. L’optimisation des paramètres de lithographie électronique….45 II.8.2.7. La validation du processus sur le substrat de graphène ………...46
II.8.2.7.1. La contrainte de la surface ………46
II.8.2.7.2. Réalisation du réseau dense de GNR ………47
II.8.2.8. La gravure du graphène par plasma O₂ ………48
II.8.2.9. L'élimination de HSQ ………..48
II.8.2.10. Le dépôt de la couche d’oxyde de grille ………49
II.9. Conclusion ……….51
Chapitre III : Description d’un modéle de transistor quasi- balistique
III.1.Introduction ………...52III.2.Structure du dispositif ………...53
III.3. Modélisation du dispositif ………...54
III.4.Résultats et discussion ………..58
III.5.Conclusion ………61
Conclusion générale ………..62
Bibliographie ………....63
Introduction générale
L’émergence de la microélectronique pour surmonter les défis physique auxquelles est soumise la technologie d’aujourd’hui a conduit à l’étude de nouveaux matériaux et donc création d’un nouveau champ de recherche pouvant surmonter les limites qui peuvent survenir dans les composants électroniques.
Les matériaux carbonés sont connus par l’Homme depuis des siècles sous leurs formes les plus courantes comme le graphite, le diamant ou encore le charbon. Vers la fin du XXe siècle, avec les avancées technologiques concernant notamment les moyens d’observation des matériaux à l’échelle nanométrique de nouvelles formes de carbone ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique : les fullerènes, les nanotubes de carbone et enfin le graphène.
Avec la découverte des nanotubes de carbone en 1991, de nouveaux types de transistors très prometteurs à base de ce composé carboné ont vu le jour. Et l'idée de remplacer le silicium par le carbone est née. Pourtant la difficulté à manipuler et à intégrer de tels objets de taille
nanométrique dans les systèmes existants, a limité l'utilisation des nanotubes dans la microélectronique.
Le graphène a été découvert en 2004 par Geim, présenté sous forme des feuillets de carbone à deux dimensions (2D) en une structure en nid d’abeilles. Les études théoriques et expérimentales montrent que le graphène possède des propriétés thermomécaniques, électriques et optiques intéressantes.
En effet le graphène est un nouveau matériau qui présente des structures chimiques intéressantes , faisant de lui un matériau d’intérêt comme électrode photoactive dans les cellules
photovoltaïques , dans les transistors MOSFET (dans des parties sensibles) et d’autres composants électroniques.
Les matériaux se classe selon leurs propriétés en trois catégories : les conducteurs dont la bande de conduction et de valence se chevauche ; les isolants qui ont une énergie de gap très grande entre les deux bandes d’énergies et le dernier qui sont les semi-conducteurs.
Ce mémoire est organisé en trois chapitres.
Le premier chapitre consiste en une étude bibliographique qui commence par décrire de façon générale les matériaux carbonés et plus spécifiquement le graphène, en particulier ses
descriptions, ses méthodes de caractérisations, ses propriétés, ses techniques d’élaboration
CHAPITRE I
GENERALITES SUR LE GRAPHENE
1. Introduction
Les matériaux font partie de notre quotidien, à tel point qu’on y prête plus attention. Cependant dans les laboratoires, de nombreux chercheurs les auscultent et les manipulent dans l’espoir de découvrir et d’exploiter des propriétés qui permettront d’améliorer les produits que fabrique l’industrie pour notre usage et nos besoins.
Le graphène qui fut le premier système à deux dimensions jamais synthétisé, figure dans la liste de ces matériaux tant étudiés, ce dernier suscite le désir des chercheurs du monde entier.
Ce premier chapitre présent le graphéne de manière générale, nous verrons les différentes formes de carbone, ainsi que la structure cristallographie du graphène, sa structure électronique puis quelque propriété qui font de ce matériau un élément remarquable, et on terminera par quelque application.
I.2. L’élément carbone
Le carbone est un élément chimique de la famille des non-métaux, appartenant à la colonne IV de la classification périodique, La configuration électronique du carbone, de numéro atomique Z
= 6, dans son état fondamental s’écrit : 1s² 2s² 2p². Il possède quatre électrons de valence, ce qui lui permet de former des liaisons de trois hybridations différentes : sp1, sp² et sp³, dont les géométries sont représentées sur la figure I.1. [1]
I.3.Formes allotropiques du carbone
Depuis plus de 100 ans, les chimistes s'efforcent à synthétiser des molécules à base de carbone ayant différentes formes et propriétés physico-chimiques. Parmi les plus connues, on retrouve le carbone amorphe, le graphite, le graphène, les fullerènes, les nanotubes de carbone et le diamant, un aperçu de ces structures est illustré sur la figure I.2.
Figure I.2. Représentation de l'atome de carbone et de ses principaux allotropes.[2]
Par ailleurs, des formes plus sophistiquées comme les nanorubans de graphène, les nanocomes, les nanocônes et les nanofibres de carbone ont été développées. En général, ces structures sont reconnues pour leurs propriétés électriques, leur dureté et leur résistance mécanique élevée, ainsi que pour leur stabilité chimique et thermique. [2]
I.3.1.Formes allotropiques classiques du carbone I.3.1.1. Graphite
Le graphite présente une structure lamellaire constituée d'un empilement de feuillets. Chaque feuillet, ou plan de graphène, est constitué d'atomes de carbone en état d'hybridation sp², formant un réseau hexagonal de paramètre de maille de 0,243 nm, la longueur de la liaison C-C étant de 0,142 nm. Il existe deux façons d'empiler les plans de graphène sur eux-mêmes, donnants deux formes cristallines différentes de graphite, comme le montre la figure I.3.
L'autre forme cristalline possible est le graphite rhomboédrique, phase métastable du graphite hexagonal. Les plans de graphène sont également empilés, mais chaque plan est décalé d'une longueur de liaison par rapport au plan précédent. La distance inter-feuillets est de 0,335 nm. Le graphite se trouve rarement sous la forme d'un monocristal, bien que la croissance des monocristaux macroscopiques soit possible. Le graphite courant, celui des mines de crayon, est un polycristal, constitué de cristallites de graphite hexagonal orientées aléatoirement.[3]
Figure I.3. Structure du graphite.[3]
Figure I.4.Structure du diamant cubique. [4]
I.3.2.Nouvelles formes du carbone I.3.2.1.Fullerènes
Le premier fullerène découvert s’appelle le buckminster-fullerène (C60) a été découvert en 1985 par Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley qui ont vuleurs travaux titrés du prix nobel de chimie en 1996.Les fullerènes sont des structures ayant généralement la forme de sphères, ils possèdent une structure similaire à celle du graphite, soit un enchainement hexagonal d’atome de carbone hybridés sp², mais aussi de pentagones ou heptagones.
La première synthèse des fullerènes a été réalisée par évaporation du graphite soumis à une irradiation laser en présence d’un flux d’hélium. Le carbone du graphite est transformé en un plasma chaud qui se refroidit et s’ionise pour donner naissance à des clusters , dont la majorité sont des , dont la structure est représentée sur la figure I.5.
Le C60 est un icosaèdre tronque composé de 20 hexagone et de 12 pentagones pouvant être comparé à un ballon de football. Pour qu’il soit stable chaque pentagone est entouré de 5 hexagones. Le fullerène est symétrique et tous les atomes sont équivalents, il existe donc deux type de liaisons, entre hexagones dit [6, 6] qui sont de doubles liaisons d’une longueur de 1.38 A et les hexagones dits [5, 6] qui sont de liaisons de 1.45A°.[5]
Figure I.5.Fullerène comportant 20 hexagones et 12 pentagones. [5]
I.3.2.2. Nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone ont été découverts dans le début des années 1990par ljima et al., Ils se composent d’une seule couche graphitique enroulée sur elle-même, en se terminant par des demi sphères de fullerènes de chaque côté. Possédant un caractère monodimensionnel (1D) et un arrangement hexagonal des atomes de carbone, les nanotubes de carbones peuvent être à mono ou à plusieurs parois, comme le montre la figure I.6
Le facteur commun entre les variétés allotropiques de carbone (graphite, nanotube et fullerène) est un arrangement hexagonal des atomes de carbone, d'où une monocouche de carbone peut être obtenue sous plusieurs formes, un empilement de feuillets 2D (figure I.7), en cylindre afin de former des nanotubes de carbone et la forme de ballon qui caractérise les fullerènes. Récemment une autre forme allotropique a été rajoutée à la famille des nano carbone, cette dernière est nommée le graphène. Depuis sa découverte en 2004, il est devenu un sujet très discuté dans le domaine de la recherche des sciences des matériaux.[6]
Figure I.7. Structure d'une feuille de graphène obtenu à partir du graphite.
I.3.2.3. Graphène
Le graphène est un cristal de carbone bidimensionnel en hybridation sp², il est composé de mailles hexagonales en forme de nid d'abeilles. La liaison C-C qui forme cette structure mesure 0.142 nm. Attirant par ses propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles, le graphène est un matériau prometteur pour de nombreuses applications technologiques et scientifiques.
L'une d'elles porte sur la nanoélectronique .
Avant son découverte en 2004, le graphène était connu comme un matériau de base des formes de nanocarbone : graphite, fullerène et nanotube de carbone, comme le montre la figure I.8.
Le graphène a été isolé par l'exfoliation d'une monocouche de carbone d'un matériau tridimensionnel (graphite) par clivage micromécanique «micromechanical cleavage », par Andre Geim et Konstantin Novoselov (Novoselov et al., 2004). Ces deux chercheurs du département de physique à l' université de Manchester furent les premiers à isoler le graphène à partir du graphite. Cette découverte leur valu le prix noble de physique en 2010.[7]
Figure I.8.Structure de base des nanocarbones : graphite, fullerène,nanotube de carbone. [7]
I.4.Description du graphène
I.4.1.Structure cristallographique
Le graphène, du point de vue théorique, est un système électronique bidimensionnel parfait. En effet, n'étant composé que d'une seule couche atomique, la dynamique des porteurs de charge est donc nécessairement confinée dans un système ultimement fin. Les liaisons entre atomes de carbone sont des liaisons covalentes, la distance inter atomique est a = 1.42Å. La structure cristallographique du graphène se compose d'une maille élémentaire triangulaire avec deux atomes par maille, comme le montre la figureI.9.
Les vecteurs de base dans l'espace réel sont définis comme suit :
Figure I.9.Réseau direct et réciproque du graphène. Les vecteurs a1 et a2 et les atomes A et B définissent le réseau de Bravais. Les vecteur b1 et b2 définissent la première zone de Brillouin.
Dans l'espace réciproque, on définit les vecteurs de base b1 et b2 comme suit :
La présence de deux atomes par maille élémentaire, entraîne l'existence de deux points non équivalents K et K' situés aux extrémités de la zone de Brillouin. Leurs coordonnées dans l'espace réciproque sont :[8]
I.4.2.Configuration électronique Hybridation SP
2Six électrons tournent autour du noyau de chaque atome de carbone ; ces électrons occupent les orbitales1S² 2S² 2P². Les deux électrons qui occupent l’orbitale1Ssont plus liés au noyau que les 4 autres, ces derniers interviennent plus dans le cas de liaisons chimiques et autre. Les orbitales S et P sont représentés comme le montre la figure I.10.
Figure I.10.Vues en perspective des orbitales selon les différentes valeurs de m : (A) forme sphérique,(B) forme en8.[9]
L’orientation de l’électron dans l’orbital « p » n’est pas unique dans l’espace, en fonction du nombre quantique « m » qui peut prendre trois valeurs :m=[-1, 0, 1]. On note que l’axe de ces trois orientations , , dans l’espace, comme l’illustre la figure I.11.
Figure I.11. illustration de différentes formes d’orbitale d’électrons pour n=2.
Lorsqu’un atome de carbone est lié à un autre atome identique, il en résulte des orbitales hybrides, qui sont des combinaisons linéaires des fonctions d’onde initiales.
L’hybridation des orbitales de deux atomes conduisent à la formation de quatre autre orbitales SP2. Trois de ces orbitales sont disposés de façon trigonale dans le plan , formant entre elles un angle de 120ᵒ, la quatrième est orientée dans la direction de perpendiculairement au plan . C’est avec ces nouvelles orbitales que les atomes de carbone forment des liaisons chimiques entre eux pour construire différents matériaux tels que les nanotubes de carbones, les fullerènes. La figure I.12 résume les différentes liaisons qui forment les matériaux du carbone.
Figure I.12. (A) état de remplissage d’électron dans l’orbitale S. Les flèches correspondent aux spins.(B) état de remplissage d’électrons de l’orbitale P.(C)illustration de l’hybridation de
l’orbitale S avec les orbitales et .
Lorsque deux atomes mettent en commun une paire d’électrons, pour former une liaison chimique, alors une liaison covalente est créée, on y distingue deux types :les liaisons σ et les liaisons π, comme le montre la figure I.13.
Figure I.13.Représentation schématique des liaisons σ et les liaisons π.[9]
Liaison ϭ
Une combinaison linéaire des trois orbitale de valence 2S, 2 et 2 va donner trois orbitales hybrides notées SP² pointant dans les trois directions du triangle équilatéral.Ces trois orbitales hybrides vont ensuite former les trois liaisons ϭ par recouvrement axial avec les orbitales atomiques des trois atomes voisins, comme le montre la figure I.14.Ces liaisons sont fortes ce qui signifie une bonne stabilité mécanique du graphéne dans le plan. La liaison former par le recouvrement axial d’orbitale est très énergétique (> 348KJ /mol), de ce faite, il est difficile de la dissocier, ce qui implique que le graphène est chimiquement inerte.
Figure I.14.Illustration de la formation de la liaison ϭ. L’orbitale d’un atome de carbone se recouvre axialement avec celle de son atome voisin. L’axe de symétrie (Px) de l’orbitale ne
change pas avant et après la formation de la liaison. [9]
Liaison ᴨ
L’orbitale 2 non impliquée dans la formation les orbitales SP² assure la formation de la liaison ᴨsupplémentaire. Cette liaison est perpendiculaire au plans des trois orbitale SP² (figure I.15) et responsable de la conduction électrique dans le plan et des liaisons faible. Pour chaque atome de carbone présent dans la feuille de graphene il ya un électron libre impliqué dans la conduction.
Le faible recouvrement de ces orbitale impliquent que la liaison formée est moins énergétique (250 KJ/mol), de ce fait, elle est plus facile à casser. C’est grâce à ce phénomène que les électrons de cette orbitale sont quasiment libres de se déplacer. C’est pourquoi le graphène est un matériau de type gaz d’électron 2D naturel, qui offre la possibilité de fabriquer des transistors fonctionnant à haute fréquence.
Figure I.15.Illustration de la formation de la liaison ᴨ.(A), (B) et(C) formation entre deux atomes de carbone. (D) et(E) formation dans une structure hexagonale de graphène.[9]
I.4.3.Structure de bande d'énergie
Dans le modèle des liaisons fortes, le calcul de l'Hamiltonien donne la formule suivante pour l'énergie des électrons π:
Avec :
t : l'énergie de saut vers un site de plus proche voisin (d'un site A vers un site B ou inversement) ; t' : énergie de saut vers un site de second plus proche voisin (d'un site A vers un autre site A ou d'un site B vers un autre site B) ;
a : distance entre deux atomes de carbone ( , , ) : vecteur d'onde ;
La structure de bande d'énergie du graphène est présentée sur la figure I.16. Aux points K et K', les bandes de valence et de conduction sont tangentes (gap nul), ce qui confère au graphène sa nature semi-métallique.
Figure I.16. Structure de bande du graphène. [10]
En développant cette expression autour des points K et K', on trouve une expression de l'énergie linéaire avec le module du vecteur d'onde :
Avec la vitesse de Fermi.
Dans cette structure de bande en cône que l'on trouve autour des points K et K', le comportement des électrons est décrit par l'équation de Dirac. C'est pourquoi K et K' sont appelés points de Dirac.[10]
I.5.Transport dans le graphène
On dénombre deux régimes de transport dans le graphène :
Le transport balistique : lorsque le libre parcours moyen (l) des électrons est supérieur à la longueur du canal L du graphène (l > L).
Le transport diffusif : lorsque l < L, des collisions élastiques et inélastiques gênent le parcours des porteurs. Le transport est alors décrit par la formule de Drude- Boltzmann.[11]
Dans les processus « Bottom-Up », le graphène peut être préparé selon plusieurs techniques expérimentales telles que la technique de dépôt de vapeur chimique (DVC), décharge d'arc, croissance épitaxiale sur un substrat de SiC, conversion chimique, ouverture de nanotube de carbone. Les techniques DVC et croissance épitaxiale permettent la préparation des faibles quantités de feuillets de graphène et de larges tailles latérales. Elles sont plus attractives que le clivage micromécanique pour la production de graphène destiné aux études fondamentales et les applications électroniques. Toutefois, elles ne sont pas des sources priviligiées pour la production des nanofeuilles de graphène pour les nanocomposites polymères qui nécessitent une grande quantité de poudre de graphène.[12]
I.6.1.1. Synthèse du graphène par exfoliiation
Cette technique a été découverte par hasard, en 2004 par André Geim et ses collaborateurs. Son principe est simple, il consiste à extraire une feuille de graphène à partir d’un empilement de couches de graphite pur. Ceci est réalisé généralement à partir d’un ruban adhésif, en disposant du graphite ainsi le replier sur lui-même et le redécoller pour obtenir du graphite sur les deux côtés. Cette technique est renouvelée à plusieurs reprises afin de disperser le graphite sur le ruban et ceci soit le plus fin possible. À la fin on dispose la bande adhésive sur un substrat (SiO2), en effet la majorité du graphène déposé sur le substrat forme des multicouches, et seule une petite proportion qui représente des monocouches de graphène.[13][14]
Par ailleurs,1'identification d’un film monocouche de graphène est rendu possible via le microscope optique. [15]
I.6.1.2.Synthèse dugraphène par épitaxie
Le graphène épitaxie a été développé par le groupe de recherche de Claire Berger, Walt de Heer et leurs collaborateurs à Georgia Tech et Grenoble[16].Cette méthode consiste à faire la croissance de graphène à partir de carbure de silicium. Un chauffage sous vide est effectué à haute température 1300°C, afin de réduire le carbure de silicium et permettre aux atomes de silicium des couches externes de s’évaporer (décomposition thermique).[17][18]
Cependant, après un temps bien défini, les atomes de carbone restants se réorganisent entre elles en donnant une feuille de graphène. La technique d’épitaxie permet la croissance du graphène de haute qualité. Les limites de cette méthode résultent dans l'obtention des petites surfaces de graphène, sans la possibilité de contrôler le nombre de couches résultantes.[19]
I.6.1.3. Graphène chimique
Cette technique est aussi appelée la méthode de Hummer modifiée, elle consiste en la création de suspensions colloïdales à partir du graphite. Cette dernière est réalisée en plusieurs étapes (oxydation, purification, extraction, filtration, réduction).
L’étape de l’oxydation permet de produire l'oxyde de graphène à partir du graphite, D’oxydants et d'acides. Ces derniers vo nt créer des fonctions d’hydroxyde, d'époxyde, des groupes carbonyle et carboxylique dans le matériau de base (graphite). La purification de l'oxyde du graphite pour obtenir l’oxyde de graphène est effectuée à l'aide des étapes de centrifugation (3000 rpm) et une solution d'acide (mélange piranha). Après cette étape, l’extraction et la filtration d'oxyde de graphène (GO) est réalisée en utilisant un filtre en cellulose. L'oxyde de graphène est suspendu et mis dans un bain d'eau nana pure afin d'obtenir une solution d’oxyde de graphène (GO).
Cette solution est filtrée et exposée à l’hydrazine pour obtenir l'oxyde de graphène réduit (GR ou RGO). Le film obtenu est ensuite transféré sur un substrat (lamelle de verre ou SiO2).
L’étape suivante consiste à éliminer la cellulose de l'échantillon. Le nombre de feuilles de carbone, plus précisément l'épaisseur du fi lm de graphène obtenu dépend de la concentration de la solution d'oxyde de graphène.
La méthode de Hummer modifiée est très utilisée dans les laboratoires de recherche, en raison de son coût accessible. [6]
température est de 500°C, 1'hydrogène est introduit comme réducteur et de 1'argon comme gaz évacuateur.
Figure 1.17. Schéma du système CVD pour la croissance de films de graphène. [6]
Après que la température a atteint 1000°C, la source de carbone utilisée est généralement le méthane (CH4) qui est injectée avec une pression d’environ de 1 Torr. L'avantage de cette méthode est 1' obtention d’un film de graphène avec une bonne qualité et une bonne mobilité des électrons. Cependant, cette méthode présente des faiblesses liées au transfert du graphène vers des substrats. En effet, le dépôt du graphène sur un substrat de verre ou de silicium s’avère compliqué. Donc il faut passer par l’intermédiaire d’un polymère, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et par la dissolution de ce dernier par de l'acétone afin de réussir un tel transfert Cette dernière technique est évolutive et pourrait permettre la production à grande échelle de graphène. Celle-ci sera développée dans la partie expérimentale de ce travai1.[19]
I.6.2. Techniques « Top-Down » de haut en bas
Dans les processus « Top-Down », les nanofeuillets de graphène ou graphène modifié peuvent être produits par exfoliation de graphite ou d’oxydes de graphite. En général, les techniques top- down, à l’exception du clivage micromécanique, sont souhaitables pour produire de larges domaines de graphene mono-couche. Les techniques « Top-Down » offrent plusieurs avantages économiques par rapport aux techniques «Bottom-Up». La figure I.18 schématise les processus « Top-Down» dans où est utilisé le graphite ou l’oxyde de graphite comme matériaux de départ pour la production des nanofeuillets de graphène de bonne quantité.
Figure I.18.Processus Top-Down pour la préparation du graphène ou le graphène à partir du graphite naturel.[20]
I.7. Méthodes de caractérisations du graphene I.7.1.Microscopie électronique à balayage
Le principe du MEB fait intervenir un balayage d'un échantillon à l'aide d'un faisceau d'électrons et la détection de manière synchrone des électrons émis point par point pour reconstituer une
Figure I.19. Photographie du microscope MEB.[10]
I.7.2. Microscopie à force atomique (AFM)
Le microscope à force atomique (AFM) est une technique commune en Nanotechnologies pour l'étude des matériaux à l'échelle du nanomètre. Elle est très utilisée pour l'imagerie topographique des surfaces. Le microscope peut être adapté à différentes conditions physiques et les analyses peuvent être effectuées sous vide, sur des fluides, pendant un processus chimique, biologique ou pendant un changement important de température par exemple. Son principe est basé sur la détection des forces interatomiques causées par les forces répulsives et attractives entre les atomes de la pointe et ceux de la surface (force Van der Waals, force capillaire, force magnétique et électrostatique).
La pointe de l’AFM (figureI.20) est fixée à 1'extrémité d'un levier et placée à une distance de quelques nanomètres de la surface étudiée. La position de la pointe est ajustée par un piézo- électrique. Lorsque la pointe interagit avec les atomes de la surface à étudier, une déflexion est provoquée et le changement de positionnement est mesuré à l'aide d'un laser focalisé à l'extrémité du levier. Les faisceaux laser sont réfléchis sur un miroir et sont enregistrés sur un photo-détecteur qui capte le signal lumineux et les déplacements tridimensionnels en x, y et z.
Figure I.20. Agrandissement de la pointe d'un microscope à force atomique.[2]
I.7.3. Microscopie électronique à transmission
En mode transmission, il existe deux types de microscopes électroniques. Le premier étant le Microscope Electronique en Transmission (MET), celui-ci fournit une image globale d’un objet mince traversé par des électrons rapides et le mode en balayage, ou une petite sonde explore l’objet (STEM-Scanning Transmission Electron Microscope). Les microscopes modernes ont de plus en plus tendance à permettre ces deux modes d’utilisation. Pour pouvoir être examiné, l’échantillon doit être stable sous vide et suffisamment mince pour transmettre les électrons.
Quelques types d’échantillons (poudres, fibres de carbone….) peuvent être examinés immédiatement, mais la plupart nécessite une série d’étapes de préparation.[12]
I.7.4. Spectroscopie Raman
La spectroscopie Raman est une technique de caractérisation non-destructive, ce qui constitue un avantage pour l'analyse d'un matériau comme le graphène. De plus, c'est une méthode assez rapide à utiliser et qui ne nécessite aucune préparation au préalable pour l'échantillon.[10]
Son principe est basé sur le phénomène de diffusion inélastique d'un faisceau lumineux monochromatique. Cette technique consiste essentiellement à observer les modes vibrationnels et rotationnels dans un matériel. Ce type de spectroscopie permet d'acquérir des informations sur les vibrations moléculaires pouvant mener à l'identification des structures chimiques de composés tant organiques qu'inorganiques, ainsi qu'à leur quantification.[2]
Pour le graphene, le spectre Raman présente 3 pics importants quisont : le pic G, le pic 2D et le pic D, comme le montre la figure I.21.
Figure I.21. Spectre Raman typique de graphène. [10]
1. Pic G (1590 cm-1) : il est caractéristique du signal du graphène et est associé à des vibrations planaires des atomes de carbone sp2. Il correspond à un processus Raman du 1er ordre. Il fait intervenir des phonons de symétrie E2G qui correspond à un déplacement de cisaillement dans le plan de la maille.
2. Pic 2D ou pic G' (2700 cm-1) : Il correspond à un processus Raman du 2nd ordre. Dans cette configuration, il en découle une diffusion de deux phonons : un premier suite à la diffusion d'un électron excité d'une bande proche du point K vers une bande proche du point K' et un second par le même processus mais dans le sens inverse. Il correspond à un mode de respiration de la maille.
3. Pic D (1350 cm-1) : il est caractéristique des défauts ou désordres présents dans la couche de graphène et est associé à des vibrations hors plan. Il est dû à un processus Raman du 2nd ordre avec un phonon de symétrie E2G et un défaut du système nécessaire pour l'activation du pic D.
D'une part, une diffusion élastique d'un électron excité se déroule d'une bande proche du point K vers une bande proche du point K' sur un défaut. D'autre part, une seconde diffusion engendre l'émission d'un photon. Ce mode est absent pour un graphène de haute qualité.
I.8.Propriétés du graphéne I.8.1.Propriétés électroniques
Le graphène est un semi-métal, il a donc la capacité de conduire de grandes densités de courant.
Des études montrent que la résistivité du graphène à température ambiante est de l'ordre de 10 nOhm.m, alors que l'argent, le meilleur matériau jusqu'alors, présente une résistivité de 15,8 nOhm.m. Ceci représente donc une amélioration d'environ 35% . [21]
I.8.2. Propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques d’un feuillet de graphène suspendu ont été mesurées par nano- indentation à l’aide d’un microscope à force atomique. Ces travaux évaluent le module d’Young du graphène à 1,0 TPa, soit environ 5 fois supérieur à celui de l’acier. La résistance à la rupture du graphène est évaluée à 130 GPa.
I.8.3.Propriétés thermiques
Les propriétés thermiques du graphène suspendu ont été étudiées à partir d’un dispositif utilisant la spectroscopie Raman. En faisant varier la puissance du laser, on mesure la position de la bande G du graphène. Il a été établi que la position de la bande G du graphène varie linéairement en fonction de la température. Ainsi, connaissant l’évolution de la température du graphène en fonction de la puissance apportée par le laser, on obtient la valeur de la conductivité thermique.
La conductivité thermique du graphène est élevée. Du graphène monocouche exfolié a une conductivité thermique de 5300 W/mK. Celle du graphène monocouche obtenu par CVD sur cuivre est d’environ 2500 W/mK. En comparaison, la conductivité thermique d’un nanotube de carbone mono-paroi individuel est d’environ 3500 W/mK.[22]
I.8.4 Propriétés optiques
Les propriétés optiques du graphène sont tout aussi fascinantes que les propriétés électroniques desquelles elles découlent, car autant répondent-elles remarquablement bien aux lois fondamentales, autant réservent-elles un potentiel de découverte de phénomènes nouveaux.
D’une part, la physique du système fait en sorte que l’absorption de la lumière sur une large gamme d’énergie peut être décrite en termes de constantes fondamentales. Cette exquise simplicité n’est brisée qu’aux extrêmes en énergie, dans l’ultraviolet ou dans l’infrarouge. D’une
modérément élevée dans le visible, les nanocomposites du graphène-polymère peuvent être utilisés comme des électrodes pour des cellules solaires sensibilisées par un colorant ou pour des cellules solaires organiques, ou comme des diodes électroluminescentes organiques (OLED).
Ces films composites ont été testés pour des dispositifs de mémoire, des écrans tactiles et des transistors à effet du champ. Les polymères conducteurs dopés par le graphène telsque PEDOT:
PSS et P3HT ont montré une meilleure efficacité de la consommation d'énergie que les cellules de polymères non dopés utilisées comme électrode pour des cellules solaires organiques.
Stockage d’énergie
La batterie Lithium-Ion (LiB) est considérée comme l'un des plus prometteurs systèmes de stockage en raison de sa haute densité d’énergie pour un poids faible. Les composites à base de graphène avec polysulfure de anthraquinone et polyamide ont également été préparés et appliqués dans les batteries lithium-ion afin d'améliorer leur performance en rechargeable piles au lithium (RLB). Les super et ultra-condensateurs sont des autres types de dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques qui fournissent une haute densité de puissance à court temps de décharge et une longue durée de vie par rapport aux appareils à piles. Les dérivés de graphène et polymères conducteurs comme polyaniline (PANI) sont combinés et utilisés comme super condensateur de type hybride.
Capteurs
En raison de sa grande surface spécifique, le graphène s’est avéré être un candidat prometteur pour détecter une variété de molécules tels que les gaz de biomolécules. En outre, ses applications s’étendent aux capteurs du pH, de la pression et de la température. Les nanocomposites polymères conducteurs présentent habituellement un coefficient de température positif mais avec l’introduction de graphène thermiquement réduit dans le Polyfluorure de vinylidène (PVDF) , le comportement s’inverse et donne un coefficient de température négatif. Il est donc approprié d’être utilisé en tant que capteur de température.
Applications biomédicales
Les propriétés exceptionnelles du graphène fournissent essentiellement des possibilités infinies pour diverses applications. Le premier rapport sur les applications biomédicales de graphène est apparu en 2008 et par la suite les nanomatériaux à base de graphène ont été utilisés dans des bio- applications par exemple la nanomédecine, la bio-imagerie et le potentiel thérapeutique du cancer.[24]
Les différentes applications du graphene sont résumées sur la figure I.22.
Figure I.22. Illustration Des Propriétés Du Graphène, Des Applications Qui En Découlent, Ainsi Que Les Grands Secteurs Pouvant Etre Impactés Par Ce Nouveau Matériau.[25]
I.10.Conclusion
Ce chapitre constitue une revue de littérature sur le graphène, ses dimensions nanométrique ainsi que ses propriétés divers, ouvrent à l’industrie de nombreuses perspectives d’innovation, ces caractéristiques font de lui le matériau de substitution du silicium le plus calcifier dans le domaine électronique.
La fabrication des dispositifs à base de silicium étant proche des limites physiques du matériau, de nombreux chercheurs pensent que le graphène peut être un nouveau matériau de plate-forme qui permettrait à l'industrie des semi-conducteurs de poursuivre sa marche vers des dispositifs électroniques toujours plus petits et plus rapides. Bien que le graphène ne puisse pour l’instant remplacer le silicium pour les applications électroniques quotidiennes, il pourrait devenir un matériau de choix pour les appareils de haute performance [26]. Le graphène a révolutionné l'électronique depuis da découverte en octobre 2004 [27], il montre une multitude de propriétés fascinantes et des perspectives de mobilités porteuses ultra-élevées dépassant celles des semi- conducteurs conventionnels. Cela a stimulé de nombreux travaux sur le développement de transistors à effet de champ type MOSFET à base de graphène. [28]
Dans ce chapitre, nous présentons les spécificités et les propriétés du graphène (comme la densité de courant, la largeur de grille et la mobilité) et pourquoi est-il favorable dans le domaine des applications à hautes fréquences et comment peut-il être intégré dans les dispositifs micro- électronique, tel que les transistors à effet de champ (FET).
Cette partie sera également l’occasion de présenter un état de l’art des technologies graphène et leurs performances hyperfréquences.
II.2. GFET
Le Prix Nobel de Physique 2010 a été décerné à Andre Geim et Konstantin Novoselov (Université de Manchester, Royaume-Uni) pour leurs expériences (qualifiées de révolutionnaires par le comité Nobel) sur le graphène, un cristal de carbone bidimensionnel.
Le graphène est une feuille d'atomes de carbone, d'épaisseur un atome, rangés en un réseau hexagonal. Sous cette forme, le carbone constitue un nouveau matériau aux propriétés
exceptionnelles : extrêmement résistant, transparent, très dense et bon conducteur de l'électricité et de la chaleur.
Geim et Novoselov ont réussi à extraire le graphène d'un morceau de graphite, en arrachant avec un simple ruban adhésif des morceaux de graphite, puis en les déposant sur un support isolant.
Les résultats de leurs premiers travaux ont été publiés dans la revue SCIENCES en octobre 2004 et, depuis, le nombre d'équipes de chercheurs travaillant sur le graphène n'a cessé d'augmenter.
[29]
Les chercheurs envisagent ce matériau pour les nouvelles générations de dispositifs électroniques ce qui signifie que les transistors à effet de champ à base de graphène (GFET) peuvent être utilisés dans diverses technologies à venir.
Sur la figure II.1, nous présentons un exemple de GFET à grille inferieure.
Figure II.1. Structure de GFET à grille inferieure. [30]
II.3. Fonctionnement II.3.1. Transistor MOS
La technologie CMOS est la plus utilisée pour la conception de circuits intégrés de masse du fait de sa forte intégration et de son faible coût de fabrication. La diminution de la taille des transistors lui permet par ailleurs de fonctionner à des fréquences très élevées ou à des très faibles consommations. [31]
Le transistor MOS, tire son appellation de sa structure verticale (Métal/Oxyde/Semiconducteur).
La diminution de l'épaisseur de la couche isolante renforce le champ électrique, ce qui conduit à une plus grande densité de charges dans le silicium, à une résistance plus faible et à une amélioration des caractéristiques du dispositif. Cependant, l'amplification du champ électrique dans l'isolant peut détruire le matériau, et causer la panne du dispositif. Pour chaque génération de transistor MOS, l'épaisseur de l'oxyde est donc ajustée de façon à conserver le même champ électrique maximal. [32]
La figure II.2 montre la structure physique d'un transistor MOS de type canal N. Sur un substrat en silicium de type P, on a diffusé deux zones de type N fortement dopées, appelées SOURCE et DRAIN. Une très fine couche (0,1µm) d'oxyde SiO2, qui est un excellent isolant électrique, est créée à la surface du substrat de manière à recouvrir la zone qui s'étend entre le Drain et la Source. Sur cette couche isolante, on dépose une couche d'aluminium pour former l'électrode de grille (Gate). Des contacts métalliques sont également prévus au niveau de la Source, du Drain et du substrat (Body). On obtient donc un dispositif à 4 électrodes : Source, Drain, Gate, Body.
Le substrat de type P forme avec le Drain et la Source des jonctions PN qui seront maintenues polarisées en inverse durant le fonctionnement normal. Pour ce faire, on relie généralement la Source au Substrat, le Drain étant toujours soumis à une tension positive par rapport à la Source.
Lorsqu'une tension positive par rapport à la Source est appliquée à la Grille, un courant circule latéralement du Drain vers la Source, à travers le Canal de longueur L (de 0,5 à 10 µm) et de largeur W (1 à 500 µm).
Figure II.2. Structure d'un transistor MOS canal N : (a) vue en perspective, (b) coupe transversale. [34]
Le transistor MOSFET est utilisé dans de multiples applications : il est utilisé comme amplificateur dans certaines applications analogiques, il est également utilisé comme bit pour stocker et lire l’information sous forme de zéro et un. Son utilisation est plus importante dans les applications numériques en particulier dans deux catégories d’application :
- Application haute performance HP (High Performance) comme le microprocesseur pour les ordinateurs de bureau pour lesquels la fréquence de commutation du transistor est privilégiée par rapport à la consommation.
- Application base consommation avec un compromis sur la fréquence de commutation du transistor :
1/ Les dispositifs à faible puissance active LOP (Low Operation Power) ; ce sont des dispositifs à base consommation en fonctionnement tels que les ordinateurs portables.
2/ Les dispositifs à faible puissance statique LSTP (Low Standby Power) ; ce sont des dispositifs qui nécessitent un faible courant de repos (lorsque le transistor est bloqué)
Parallèlement, la polarisation positive de la grille attire dans le canal des électrons provenant de la source et du drain (où ils sont majoritaires). Lorsqu'un nombre suffisant d'électrons s'accumule à la surface du canal, sous la grille, une zone de type N se crée. Un courant électrique s'établit alors à travers cette zone N induite, du drain vers la source. La zone N induite forme un canal-N qui donne son nom à ce type de MOSFET (on notera qu'un MOSFET à canal N est réalisé sur un substrat P, et inversement, on peut réaliser des MOSFET à canal P sur un substrat N). La figure II.3 résume le principe de fonctionnement du MOSFET à canal N.
Figure II.3. Principe de fonctionnement du MOSFET à canal N. [34]
La valeur de la tension grille-source VGS correspondante à une accumulation d'électrons suffisante pour créer un canal conducteur est appelée tension de seuil, et notée Vth. (Threshold Voltage). Cette valeur dépend de la technologie mais s'étend en général entre 1 et 3V. La grille et le substrat (relié à la source) forment un condensateur dont le diélectrique est la couche d'oxyde.
La tension VGS appliquée provoque la charge de ce condensateur avec une accumulation de charges positives sur la grille et une charge opposée dans la zone d'inversion qui forme le canal.
C'est donc l'amplitude de cette tension VGS qui contrôle la conductivité du canal et donc le courant qui y circule lorsqu'une tension positive est appliquée entre le drain et la source. [34]
II.3.3. Principe de fonctionnement du GFET
Bien que les transistors à effet de champ à base de graphene (GFET) fonctionnent selon un principe différent de celui du MOSFET à base du silicium, leur courant alternatif et les propriétés sont assez similaires. [35]
La majorité des conceptions de capteurs à base de graphène utilisent des dispositifs à transistor à effet de champ (FET) avec un canal de graphène (GFET). Donc les transistors à effet de champ à base de graphéne (GFET) reposent en grande partie sur le fonctionnement des transistors de type MOS. Le principe de base est le contrôle via une grille métallique isolée par un matériau diélectrique le passage d’un courant ds dans un canal entre une source et un drain [36], comme le montre la figure II.4.
Figure II.4. Illustration d’un circuit d’un capteur à transistor à effet de champ en graphène. [38]
Dans un transistor à effet de champ à semi-conducteur typique, le courant du drain ID dépend de la tension UGS appliquée entre la grille et la source, donc les transistors MOSFET sont facilement contrôlés par des changements de la tension UGS. [38]
Dans le cas d’un GFET où le graphène est un semi-conducteur à gap nul, des mesures ont montré que les transistors en graphène à grande surface présentent une caractéristique de transfert
La dernière caractéristique répertoriée est d'une grande importance dans le contexte de la détection électronique car de nombreux facteurs externes (molécules ou ions adsorbés à la surface du graphène) pourraient être considérés comme des dopants responsables de décalage de la tension de Dirac. Par conséquent, lorsque le point de Dirac est localisé dans la plage des tensions négatives (positives) sur un graphe I-V, le graphène est dopé avec des électrons (trous).
[38]
La caractéristique de sortie IDS = f(VDS) est donnée par : [39]
(II.1)
II.4. Techniques de fabrication du GFET
Il existe trois topologies de transistors à base de graphène qui sont utilisées, (a) grille supérieure (b) grille double et (c) grille inférieure, la figure II.5 ci-dessous montre un dispositif (GFET) à grille supérieure.
Le dispositif à grille supérieure peut être fabriqué en faisant croître du graphène par épitaxie sur SiO2. Au-dessus de la couche de graphène, une couche diélectrique est déposée suivie de contacts de grille.
Figure II.5. Structure d’un GFET. [37]
La fabrication du GFET commence par un substrat de plaquette (Wafer) de silicium de type p
<100> avec un dopage de concentration de NA = 1015 cm-3. Le substrat du silicium subit ensuite un processus d'oxydation thermique pour déposer du SiO2 de 300 nm. La couche active qui sera utilisée pour le fonctionnement du dispositif et le transport du support est déposée, cette couche est composée de graphène. Une couche de polysilicium dopé de 5 nm d'épaisseur est déposée, la concentration de dopage étant de type n ND = 1017cm-3. Une fine couche de SiO2 est ensuite déposée pour fournir l'oxyde de grille. La couche d'oxyde est structurée pour créer des fenêtres pour la grille, le drain et l'électrode source. L'aluminium est ensuite déposé et modelé pour obtenir les trois électrodes. [37]
Les électrodes métalliques sont déposées sur du graphène par lithographie, tandis qu'une lithographie supplémentaire est utilisée pour façonner les canaux de graphène eux-mêmes à la taille et à la forme souhaitées. [27]
II.5. Caractéristiques électriques
Généralement, les caractéristiques de sortie IDS(VDS) d’un modèle d’un transistor GFET sont similaires aux caractéristiques d’un FET typique. Les régions linéaire et saturation sont perceptibles surtout pour les tensions UGS bien supérieures à la tension de Dirac U0.
Le courant de saturation du drain IDsat dépend directement de la tension grille-source UGS, qui est une caractéristique des transistors à effet de champ.
La figure II.6 représente les caractéristiques de sortie IDS (VDS) d’un modèle d’un transistor GFET pour des différentes valeurs de VGS (UGS). [38]
Figure II.6. Caractéristiques de sortie IDS(VDS) d’un transistor modélisé pour U0 = 0 V: a) pour UGS > U0 , b) pour UGS ≤ U0. [38]
d'autre part, il y a aussi quelques différences entre les deux types de transistors , ces différences sont évidentes dans la figure II.7 ; cette figure montre que les caractéristiques de transfert IDS(UGS) d’un GFET ne sont pas les mêmes par rapport aux caractéristiques IDS(UGS) d’un MOSFET typique
Figure II.7. Caractéristiques de transfert IDS(UGS) d’un GFET modélisé pour U0= 0 V, UDS = 0.5 V et UDS = 1.5 V. [38]
La tension de seuil UGS(Th) n'est pas observée, donc le GFET est en état de conduction dans toute la plage de tension UGS. Le courant ID atteint le minimum pour UGS proche du point de Dirac lorsque la tension utilisée est U0 = 0V.Il y a un décalage de la tension Dirac, évaluée à partir des caractéristiques de la sortie (c'est-à-dire le point de la conductance minimale) vers des valeurs positives avec une tension de drain croissante. Cette allure peut être expliquée par l'influence de la tension de drain sur le potentiel du canal.
Il est important de souligner que la conduction dans le GFET est ambipolaire, c'est-à-dire, elle présente un caractère d’électron pour UGS> U0 et caractère de trou pour UGS <U0. Cela signifie que le transistor à base de graphène se comporte dans une certaine mesure comme le n-FET pour UGS> U0. Le courant de drain ID augmente avec le décroissement du UGS pour UGS < U0 mais contrairement au p-FET le sens du courant est le même que pour le n-FET. [38]
II.6. GFET en hyperfréquence
Du fait de la très faible bande interdite du graphène (quelques centaines de meV), le rapport ION/IOFF du transistor est faible (le rapport se situe entre 1.5 et 30). Il est donc difficile d’imaginer pour l’instant des transistors en graphène pour applications logiques. Par contre grâce aux bonnes mobilités électroniques observées, le transistor en graphène se dédie plutôt à des applications radio-fréquence. Pour des applications radiofréquence, le courant IOFF du transistor n’a pas besoin d’être très faible.
Un transistor dédié aux applications radio fréquence (RF) est optimisé lorsque qu’il est le plus rapide possible. Pour rendre un transistor RF rapide, deux facteurs sont à considérer :
- la longueur de grille du transistor doit être la plus petite possible.
- les porteurs du transistor doivent être eux-mêmes les plus rapides possibles.
Pour les transistors RF en silicium, les spécifications ITRS prévoit en 2011 une fréquence de coupure de 300 GHz pour une longueur de grille de 30 nm. L’intégration des transistors est réalisée pratiquement de la même manière que pour un transistor classique. Quelques règles de géométrie sont à respecter pour les contacts source et drain. Pour ces technologies, l’intégration avec grille supérieure est obligatoire. Les meilleurs résultats de fréquence de coupure ont été publiés par IBM d’abord sur graphène exfolié, puis sur graphène épitaxié et dernièrement sur graphène obtenu par CVD catalytique (le graphène CVD est obtenu sur cuivre ce qui assure un faible nombre de couche). A chaque fois, les longueurs de grille dessinées sont de plus en plus
Figure II.8. Comparaison des grains en courant pour du graphene exfolié et du graphene epitaxié.
(a) Gain en courant d’un transistor en graphène obtenu à partir de graphène exfolié. La fréquence de coupure mesurée est de 50 GHz pour une longueur de grille de 350 nm. (b) Gain en courant
d’un transistor en graphène obtenu à partir de graphène épitaxié. La fréquence de coupure mesurée est de 170 GHz pour une longueur de grille de 90 nm. Cette fréquence est la fréquence
record mesurée sur des transistors en graphène. [39]
Une intégration intéressante a été publiée récemment. Elle a la particularité de réaliser un transfert sur couche de diamant. Le diamant est un isolant qui a un paramètre de maille compatible avec le graphène et qui offre des avantages par rapport au SiO2 notamment une densité de pièges moins importante en surface. Ces derniers résultats publiés sont vraiment impressionnants avec une longueur de grille de 40 nm et une distance grille/contact de 20 nm indispensable pour obtenir de bonnes performances de transistor.
La figure II.9 représente la Photographie SEM du transistor RF avec canal en graphène obtenu sur cuivre par dépôt et transféré sur diamant (a) et le Performance du transistor RF, avec une fréquence de coupure de 155 GHz est mesurée.
