Proposition de thèse en co-tutelle Université de Sherbrooke (Québec)
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Proposition de thèse en co-tutelle Université de Sherbrooke (Québec)/Ecole Centrale de Lyon (France) Assemblage dirigé de nanofils de silicium sur surfaces nanostructurées pour la fabrication de capteurs de gaz à transistors à nanofils. Contexte scientifique : Les transistors à effet de champ à nanofils (Nanowire Field Effect Transistor, ou NWFET[1,2]) sont des structures envisagées pour le traitement de l’information, comme capteur pour la détection de gaz, ou pour la production d’énergie photovoltaïque. A l’heure actuelle, le LN2 prévoit de tester, dans le cadre d’une autre thèse en collaboration avec le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM), des NWFET préparés en faisant croître directement des nanofils sur des électrodes métalliques. Toutefois, les procédés de croissance existant nécessitent des températures posant de grands défis technologiques pour une intégration avec des procédés CMOS classique. Le développement d’approches alternatives à basse température pour positionner et orienter collectivement des nanofils à la surface d’une matrice d’électrodes présente donc un intérêt majeur pour l’intégration de nouvelles fonctions dans le « back-end-of–line » (BEOL) de circuits CMOS. Descriptif du sujet : Le sujet de recherche concerne l’exploration de nouvelles voies génériques d’orientation [3-6] et de positionnement collectif, à grande échelle, de nanofils de silicium sur des sites définis à l’échelle submicronique sur des supports constitués de matériaux compatibles avec la fabrication de transistors à nanofils, compatibles avec le BEOL, conçus pour la détection de gaz dans un projet déjà en cours. L’objectif de la thèse sera d’explorer les conditions d’ancrage et d’orientation de nanofils de silicium, sur des sites définis à l’échelle sub-micronique. Les nanofils seront fabriqués au LTM (Grenoble), via une collaboration déjà effective avec le LN2 et selon des technologies déjà bien maîtrisées [7-10]. 1) Etude des interactions entre populations de nanofil et matériaux nanostructurés Le premier travail consistera à étudier les conditions de fabrication de ce type de substrat, de manière à créer des contrastes de physico-chimie de surface (charge électrique, liaison hydrogène, interactions de Van der Waals). Nous emploierons pour cela des matrices de sites de taille submicroniques sur un substrat solide plan d’un autre matériau (ex : nanosites de nitrure sur un support de silicium/silice). Dans un deuxième temps, il s’agira d’étudier les modalités d’interactions physicochimiques entre des nanofils en milieu liquide et le support à deux matériaux. L’objectif sera de mieux comprendre et optimiser les interactions entre nanofils et support, à partir de considérations de physicochimie des interfaces. La nanofabrication sera prise en charge par le LN2, le travail sur les interactions nanofils/surface à l’INL. 2) Contrôle de l’orientation de nanofils sous champ Au-delà de la maîtrise des interactions entre nanofils et supports, il s’agira de comprendre comment diriger l’orientation et le transfert de masse de nanofils en solution. Le Laboratoire Ampère et le LN2 apporteront leurs compétences complémentaires dans l’emploi de champs de force pour l’organisation et l’orientation de nanoobjets. Les phénomènes d’acoustophorèse et de diélectrophorèse seront exploités afin de permettre le contrôle précis du positionnement des nanofils. L’un des principaux objectifs consistera à identifier les conditions expérimentales permettant l’obtention de forces significatives, même à l’échelle nanométrique, suffisantes pour vaincre l’action de l’agitation thermique ou de forces concurrentes type Van der Waals. En particulier, les facteurs déterminants seront la concentration de la solution en nanofils, la conductivité du milieu, la fréquence du champ électrique appliqué ainsi que l’amplitude du gradient de champ électrique généré. La force diélectrophorétique étant une force volumique, afin d’engendrer des forces capables d’agir sur des nano-objets, il est impératif de privilégier l’emploi de sources de champ capables de générer de forts gradients. Les dimensions sub-microniques des composants que l’on cherche à fabriquer sont donc particulièrement adaptées à la manipulation diélectrophorétique des nano-objets. 3) L’objectif sera de faire converger les choix de fabrication de support, d’interactions physicochimiques et d’assemblage dirigé de filaments sous champ, de manière à démontrer la capacité à fabriquer des structures NWFET comportant des nanofils positionnés de manière adéquate. Tout au long de la thèse, les études seront menées d’abord sur matériaux simples à l’échelle macroscopique, puis avec des tailles de sites de plus en plus réduite, de manière à être compatible avec le cahier des charges de la fabrication de NWFETs fonctionnels. Cadre de travail La thèse est une co-tutelle franco-québécoise. Elle se déroulera en partie à Sherbrooke (Québec), et en partie à Ecully (France). L’étude se déroulera dans le cadre d’une collaboration déjà active impliquant des chercheurs du LTM-CNRS à Grenoble (T. Baron, B. Salem), du LN2 à Sherbrooke (P. Charette, D. Drouin), d’Ampère (M. Frénéa-Robin) et de l’INL (A. Souifi, J.P. Cloarec) à Ecully. Profil recherché La personne, maîtrisant les sciences de l’ingénieur (matériaux et/ou génie électrique), devra démontrer un fort intérêt pour le travail interdisciplinaire, s’intégrer dans des équipes de différentes cultures, être autonome et savoir prendre des initiatives, rédiger et présenter de manière synthétique. Financement : Contrat Doctoral Ecole Centrale de Lyon. Les frais de mobilité France / Canada seront pris en charge par le LN2. Encadrants : Marie Robin (Laboratoire Ampère) & Jean-Pierre Cloarec (INL) Dominique Drouin et Paul Charette (LN2) Dossier de candidature : envoyer CV, lettre de motivation, résultats d’école d’ingénieur et/ou de Master, ainsi que deux lettres de recommandation à [email protected] Bibliographie 1. Xiang, J., Lu, W., Hu, Y., Wu, Y., Yan, H., & Lieber, C. M. (2006). Ge/Si nanowire heterostructures as high-performance fieldeffect transistors. Nature, 441(7092), 489-493. 2. Lu, W., Xie, P., & Lieber, C. M. (2008). Nanowire transistor performance limits and applications. Electron Devices, IEEE Transactions on, 55(11), 2859-2876. 3. Son J. Y., Lim S. J., Cho J. H., Seong W. K., K. Hyungjun, Synthesis of horizontally aligned ZnO nanowires localized at terrace edges and application for high sensitivity gas sensor, Appl. Phys. Lett. 93, 053109 (2008) 4. Boon K. Teo, X. H. Sun. From Top-Down to Bottom-Up to Hybrid Nanotechnologies: Road to Nanodevices. Journal of Cluster Science (17)4:529-540 (2006). 5. Chung, S., Ginger, D., Morales, M., Zhang, Z., Chandrasekhar, V., Ratner, M., Mirkin, C.Top-Down Meets Bottom-Up: DipPen Nanolithography and DNA-Directed Assembly of Nanoscale Electrical Circuits. Small (1)1:64-69 (2005) 6. Velev D., Gupta S., Materials fabricated by Micro- and Nanoparticles Assembly – The challenging path from science to engineering (2009) Adv. Mater. (21) 1897-1905. 7. A. Bailly, O. Renault, N. Barrett, L. F. Zagonel, P. Gentile, N. Pauc, F. Dhalluin, T. Baron, A. Chabli, J. C. Cezar, and N. B. Brookes. Direct Quantification of Gold along a Single Si Nanowire. Nano Letters 2008 8 (11), 3709-3714 8. Rosaz, G., Salem, B., Pauc, N., Gentile, P., Potié, A., Solanki, A., & Baron, T. (2011). High-performance silicon nanowire field-effect transistor with silicided contacts. Semiconductor Science and Technology, 26(8), 085020. 9. Rosaz, G., Salem, B., Pauc, N., Gentile, P., Potié, A., & Baron, T. (2011). Electrical characteristics of a vertically integrated field-effect transistor using non-intentionally doped Si nanowires. Microelectronic Engineering, 88(11), 3312-3315. 10. Solanki, A., Gentile, P., Calvo, V., Rosaz, G., Salem, B., Aimez, V., ... & Pauc, N. (2012). Geometrical control of photocurrent in active Si nanowire devices. Nano Energy, 1(5), 714-722.
