Conception, réalisation et caractérisation des propriétés électriques d'un capteur silicium micro-nano permettant une Co intégration CMOS / nano objets

par Corentin Carmignani

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Thomas Ernst.

Le président du jury était David Peyrade.

Le jury était composé de Aurélie Thuaire, Stéphane Monfray.

Les rapporteurs étaient Bruno Masenelli, Carlotta Guiducci.


  • Résumé

    Depuis le début du troisième millénaire, des domaines comme l’automobile, le médical, l’industrie agroalimentaire ou l’électronique grand public (smartphone, ordinateur, Hi-fi etc.) sont devenus de plus en plus demandeurs de puces électroniques. Les besoins ont évolué de sorte que la diversification des fonctions des puces électroniques est devenue le nouveau paradigme de la microélectronique. Dans le même temps, des objets biologiques ayant des propriétés très diverses et très spécifiques sont découverts et étudiés. Certains sont conceptuellement considérés comme des solutions ultimes pour répondre à certains défis de l’électronique moderne comme l’utilisation d’origami d’ADN pour la lithographie. De plus il existe une adéquation entre les dimensions des objets biologiques et les transistors les plus fins. Nous nous sommes donc posé la question de savoir si cette convergence d’échelle pouvait permettre la cohabitation de l’électronique et de la biologie pour créer des dispositifs hybrides. Nous avons d’abord étudié l’utilisation d’objets biologiques filiformes comme interconnexions nanométriques. Dans ces recherches des objets biologiques sont utilisés en substitution de matériaux classiques. Toutefois il est loin d’être évident de mesurer leurs propriétés électroniques (mobilité des charges, fiabilité) contrairement aux semi-conducteurs standards. Nous avons donc construit un dispositif de tests électriques facilement utilisable par les biologistes et les électroniciens pour la caractérisation électrique de ces objets biologiques nanométriques. Certains objets biologiques réalisent, de manière naturelle, des interactions ciblées avec des agents biologiques spécifiques parfois pathogènes ou dangereux, ils ont aussi l’avantage de pouvoir être fabriqués à façon comme les protéines. Cela permet d’ouvrir une nouvelle voie dans la fabrication de capteurs dans laquelle les objets biologiques seront interfacés avec les structures électroniques. Nous avons donc travaillé sur la fabrication d'un capteur hybride à base de nanofils de silicium pilotés par un circuit CMOS et permettant un interfaçage entre nanofil et objet biologique. Dans le domaine des capteurs il existe une application qui focalise actuellement beaucoup l’attention, la détection de charges électriques de faibles intensités. Il existe plusieurs techniques mais elles sont toutes perfectibles soit à cause de leur coût soit à cause du temps nécessaire à la réalisation du séquençage soit encore à cause de la difficulté de mise en œuvre du séquençage. Nous avons donc étudié la possibilité de détecter une charge électrique unique. Etant donné la complexité de la question nous avons décidé de répondre à l’aide d’une série de simulations.

  • Titre traduit

    Design, production and characterization of electrical properties of a micro-nano silicon sensor for a co integration CMOS / nano objectsachievement


  • Résumé

    Since the beginning of the third millennium, domains such as automotive, medical, food industry or consumer electronics (smartphone, computer, Hi-Fi etc.) are increasingly demanding more electronics chips. Needs have evolved so that, chips have to embed multiple function and diversification has become the new paradigm of electronics researches. At the same time, new biological objects with very specific and diverse properties are discovered and studied. Some are considered as ultimate solution to answer new microelectronics challenges. Moreover, there is a scale similarity between the finest transistors and biological objects. We asked ourselves the question: Can we use this similarity to create hybrid device? First, we investigated the application of nano biological object as interconnections. Despite of research the electrical characterization of biological object is still difficult to manage unlike standard materials as semi-conductors, so we developed an easy to use electrical characterization platform. Some biological object naturally reacts with dangerous or pathogenic agents and could be custom manufactured as proteins. This kind of object can be useful to create new hybrid sensors. We worked on design, manufacturing and characterization of 3D hybrid sensors based on silicon nanowires driven by a CMOS circuit. Then we investigated, with a simulation study, the possibility to detect a fine electric charge with a silicone nanowire which is a current area of interest in sensors research.


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