Nanonets semiconducteurs à base de nanofils de silicium pour l'électronique flexible

par Tabassom Arjmand

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Céline Ternon et de Bassem Salem.


  • Résumé

    Contexte : Très prometteuses au moment de leur découverte, après plus d'une décennie de recherche intensive, les nanostructures 1D et 2D se sont révélées décevantes pour les transferts vers le domaine applicatif en raison de la difficulté de les produire de manière reproductible et à grande échelle. Ainsi, dans le contexte de la feuille de route More than Moore, un défi important réside dans le développement de systèmes peu coûteux, reproductibles et efficaces pour exploiter les propriétés nanométriques, tout en étant facilement manipulables et compatibles avec une intégration à grande échelle. Le projet «Nanonets semiconducteurs», actuellement développé au LMGP, en collaboration avec le LTM et l'IMEP-LaHC, se propose de relever ce défi et de dépasser les limites actuelles de l'intégration des nanomatériaux en développant une nouvelle génération de dispositifs électroniques basés sur des réseaux aléatoires de nanofils semiconducteurs, aussi appelés nanonets semiconducteurs. Ces nanonets bénéficient de propriétés nanométriques avantageuses ainsi que d'une connexion facile aux objets macroscopiques grâce à leur structure en couches minces. Cependant, leur grande sensibilité à leur environnement rend les propriétés électriques instables et peu reproductibles à première vue, de sorte que –jusque récemment- cette structure a été largement ignorée par la communauté scientifique. Toutefois, grâce à nos résultats récents très prometteurs, nous sommes désormais à même de développer des transistors aux propriétés très satisfaisantes et équivalentes à celles des meilleurs dispositifs à nanofil unique. Travail demandé : L'objectif de cette thèse est double, d'une part travailler sur l'étude de la percolation au sein des nanonets de silicium et d'autre part de développer les technologies nécessaires pour la réalisation de transistors à effet de champ à base de nanonet (nanonet-FET) flexibles puis de les combiner de sorte à produire des portes logiques élémentaires sur substrats souples. Ainsi, en s'appuyant sur les technologies actuellement développées au laboratoire, deux configurations de transistors seront comparées : transistors à grille en face arrière et transistors à grille en face avant. La configuration menant aux dispositifs les plus reproductibles et dont les performances sont les plus homogènes notamment en termes de tension de seuil, seront choisis pour le développement de portes logiques élémentaires sur des substrats rigides. Tout d'abord, le circuit intégré le plus simple, l'onduleur, sera fabriqué en associant en série deux nanonet-FETs de type p. La distribution des performances, le comportement de la tension de transfert et le gain de tension seront étudiés statistiquement. Parallèlement à ce travail, les procédés technologiques seront étudiés et adaptés de sorte à les rendre compatible avec l'intégration sur substrats flexibles. Enfin lorsque cette technologie sera mature, les circuits intégrés élémentaires seront implémentés sur substrat flexible. Pour tous ces circuits de base, la stabilité dans le temps sera étudiée dans différentes conditions : à l'air, sous humidité et sous irradiation UV. Tout au long de ce travail de thèse, selon le profil de la.du candidat.e, il est également envisagé d'étudier la physique de la percolation pour les nanonets à silicium en s'appuyant sur les résultats expérimentaux obtenus et sur des résultats de simulation numérique.

  • Titre traduit

    Semiconductor nanonets based on silicon nanowires for flexible electronics


  • Résumé

    Context : Very promising at the time of their discovery, after more than a decade of intensive research, 1D and 2D nanostructures have proved disappointing for transfers to the application domain because of the difficulty of fabricating them reproducibly and on a large scale. Thus, in the context of the More than Moore roadmap, a major challenge lies in developing systems that are inexpensive, reproducible and effective in exploiting nanometric properties, yet easily manipulable and compatible with large-scale integration. The "Semiconductor Nanonets" project, currently being developed at LMGP, in collaboration with LTM and IMEP-LaHC, aims to meet this challenge and go beyond the current limits of nanomaterial integration by developing a new generation of electronic devices based on random networks of semiconductor nanowires, also called semiconductor nanonets. These nanonets benefit from advantageous nanoscale properties as well as an easy connection to macroscopic objects thanks to their thin film structure. However, their great sensitivity to their environment makes the electrical properties unstable and difficult to reproduce at first sight, so that - until recently - this structure has been largely ignored by the scientific community. However, thanks to our very promising recent results, we are now able to develop transistors with very satisfactory properties and equivalent to those of the best single nanowire devices. Work Requested : The objective of this thesis is twofold, on the one hand to work on the study of percolation within silicon nanonets and on the other hand to develop the technologies necessary for the realization of flexible nanonet field effect transistors (nanonet-FET) then to combine them in order to produce elementary logic gates on flexible substrates. Based on the technologies currently developed in the laboratory, two transistor configurations will be compared: back gate transistors and top gate transistors. The configuration leading to the most reproducible devices and whose performances are the most homogeneous, particularly in terms of threshold voltage, will be chosen for the development of elementary logic gates on rigid substrates. First of all, the simplest integrated circuit, the inverter, will be manufactured by combining two p-type nanonet-FETs in series. The performance distribution, transfer voltage behaviour and voltage gain will be studied statistically. In parallel to this work, technological processes will be studied and adapted so as to make them compatible with integration on flexible substrates. Finally when this technology is mature, the elementary integrated circuits will be implemented on flexible substrate. For all these basic circuits, the stability over time will be studied under different conditions: in air, under humidity and under UV irradiation. Throughout this thesis work, according to the profile of the candidate, it is also envisaged to study the physics of percolation for silicon nanonets based on the experimental results obtained and on numerical simulation results.