Nanonets de silicium, matériau percolant prometteur pour l'électronique flexible

Silicon nanonet, a promising percolative material for flexible and large scale electroncs

• Auteur / Autrice : Tabassom Arjmand
• Direction : Céline Ternon, Bassem Salem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 23/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pichon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurore Denneulin, Muhammad Ashraful Alam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Larrieu, Cécile Zakri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Percolation (physique statistique)

Transistors à effet de champ

Nanosilicium

Mots clés libres

Réseau de nanofills

Percolation

Transistor

Comportement mécanique

Comportement électrique

Technologie

Nanowire network

Percolation

Transistor

Mechanical behaviour

Electrical behaviour

Technology

Résumé

Ce travail porte sur l'étude des transistors à effet de champ flexibles composés de nanofils de silicium unique (SiNF) et de réseaux de nanofils de silicium, aussi appelés nanonets (SiNN). Tout d'abord, nous présentons une étude portant sur un transistor à nanofil de silicium unique et flexible. Nous montrons expérimentalement une excellente reproductibilité et stabilité à l'air dans le fonctionnement du dispositif. Ensuite, en s'appuyant sur les connaissances acquises lors du développement des dispositifs flexibles à nanofils unique, nous abordons la fabrication et l'étude fonctionnelle des résistors composés de SiNNs et flexibles. Ainsi, nous étudions les performances électriques des résistors flexibles sous flexion et sous traction. Nous montrons alors qu'en jouant sur la géométrie des dispositifs, il apparait différents comportements et donc fonctionnalités. D'une part, les dispositifs à base de SiNN dont la longueur du canal est courte sont des candidats appropriés pour des dispositifs électroniques dont les propriétés sont à long terme même sous contraintes mécanique. D'autre part, les dispositifs dont la longueur de canal est moyenne ou longue voient leurs propriétés impactées par la contrainte mécanique et sont donc de bons candidats pour des capteurs de flexion et de déformation. Par conséquent, notre technologie permet de combiner différentes géométries de dispositifs à nanonet sur une unique puce pour produire simultanément les capteurs et l'électronique de lecture. Par ailleurs, grâce à des mesures électrique in-situ sous traction combinées à des expérience de traction menées directement au sein d'un microscope électronique à balayage, nous explorons l'effet de la traction sur les jonctions NF/NF. Les résultats montrent que les jonctions NF/NF renforcent la cohésion des NNs râce à leur bonne résistance sous traction. Toutefois, l'élongation du réseau mène à l'élimination progressive des chemins de percolation et à une dégradation de la conduction.Afin d'explorer plus avant la théorie de la percolation, des transistors à base de nanonets sur substrats rigides et en configuration grille arrière sont fabriqués et leurs caractéristiques électriques étudiée en détail. Nos résultats montrent que l'apparition du régime de prépercolation est liée aux dimensions finies des systèmes. De plus, nous montrons que seuls les dispositifs à nanonets dont le canal est carré et de taille suffisante suivent les lois de la percolation présentes dans la littérature. Nous observons également pour la première fois une transition de phase dans le type de percolation basée sur trois facteurs importants des transistors à noonets: la tension de seuil, la longueur du canal et la densité des nanonets. Enfin, les phénomènes observés sont en bon accord avec les simulations Monte-Carlo menées lors de ce travail, ce qui signifie bien que les lois de percolation ne sont pas universelles et doivent prendre en compte un certains nombre de paramètres liés à la non-idéalité des systèmes réels.

This work focuses on the study of rigid and flexible devices composed of single silicon nanowires (SiNW) and silicon nanowire arrays, also called nanonets (SiNN). First, we report on the successful operation of a flexible single SiNW field-effect transistor where we experimentally show excellent workability, reproducibility, and air stability in the operation of the device. Then, based on the knowledge acquired during the development of flexible single nanowire devices, we address the fabrication and the functional study of the flexible SiNNs resistors. Thus, we study the electrical performance of flexible resistors under bending and tension. We then show that by engineering the geometry of the devices, different behaviors and thus functionalities appear. On the one hand, SiNN-based devices with short channel lengths (20-50 μm) are suitable candidates for electronic devices with long-term operation even under mechanical stress. On the other hand, devices with medium or long channel lengths (100-1000 μm) have their properties impacted by mechanical stress and are therefore good candidates for bending and strain sensors. Therefore, our technology allows combining different geometries of nanonet devices on a single chip to simultaneously produce the sensors and the readout electronics. It is worth mentioning that through in-situ electrical measurements under tension combined with tensile experiments conducted directly within scanning electron microscopy, we explore the effect of tension on nanowires and their junctions. The results show that NW/NW junctions enhance the cohesion of NNs due to their good tensile strength. However, network elongation leads to the gradual elimination of percolation paths and degradation of conduction.Moreover, in order to further explore the theory of percolation, nanonet-based transistors on rigid substrates and in the back-gate configurations are fabricated and their electrical characteristics are studied in detail. Our results show that the onset of the pre-percolation regime is related to the finite dimensions of the systems. It is observed that only nanonet devices with a square channel and sufficient size follow the percolation laws present in the literature. We also notice for the first time a phase transition in the type of percolation based on three important factors of nanonet transistors: the threshold voltage, the channel length, and the nanonet density. Finally, the observed phenomena are in good agreement with the Monte-Carlo simulations carried out during this work, which means that the percolation laws are not universal and must take into account a certain number of parameters related to the non-ideality of real systems.