Diodes moléculaires sur Silicium
logo_tutelle 

Schéma d'ensemble d'un réseau de diodes moléculaires sur silicium

L'évolution prévisible de la microélectronique dans les 10 ans à venir incite les chercheurs et les industriels à explorer des voies alternatives à l'utilisation classique du silicium. L'une de ces voies vise à utiliser comme élément actif des nouveaux dispositifs, soit une molécule unique, soit un ensemble de molécules organisées. Cette électronique moléculaire tire parti des dimensions intrinsèquement nanométriques des molécules, de leur grande diversité, de leurs propriétés quantiques et de leur capacité à s'auto-assembler.
Nous cherchons à réaliser des diodes moléculaires à effet tunnel résonant compatibles avec une intégration au sein de circuits. L’une des électrodes est donc du silicium, débarrassé de son oxyde afin que l’injection de charges soit la plus efficace possible. L’autre électrode sera un nanotube de carbone, en contact avec l’extrémité de la monocouche organique qui constitue la partie « active » du dispositif. La géométrie d’ensemble sera réalisée en utilisant la lithographie optique et électronique (Figure 1).
La monocouche organique est du type sigma-pi-sigma, afin que le transfert de charge du silicium vers le nanotube de carbone soit non linéaire en fonction de la tension appliquée. Ce comportement (effet tunnel résonnant) a déjà été mis en évidence avec des électrodes métalliques, ou sur du silicium sous ultra vide.

 

Suivi par spectroscopies infrarouge et XPS du greffage d'acides aliphatiques sur Si-H

L’accrochage covalent sur silicium désoxygéné est réalisé par greffage thermique sur une surface de silicium hydrogéné (Si-H). La spectroscopie infrarouge et l’XPS permettent de caractériser la monocouche, et notamment l’éventuelle réoxydation du substrat. Nous avons ainsi montré que cette réoxydation est fonction de l’épaisseur de la monocouche greffée et des groupements chimiques portés par la molécule, en comparant les spectres XPS obtenus après greffage thermique des acides undécénoïque et hexénoïque, avec ou sans protection du groupement acide par un ester activé. (Figure 2)

 

Monocouche complète sur Silicium et analyse infrarouge et XPS. La réoxydation correspond à l'équivalent de 80% d'une monocouche d'oxygène sur Si

  

La monocouche de type Σ-Π-Σ est réalisée en deux étapes : greffage covalent d’une monocouche terminée acide, puis couplage en conditions douces de la partie pi-sigma terminale. Là encore, la réoxydation du substrat est suivie de près et s’avère difficile à empêcher. (Figure 3)

 

Image AFM d'un nanotube de carbone dans la tranchée, et profil de la double tranchée

Le dispositif de mesure est réalisé par lithographie à partir d’une structure en double tranchée dans un oxyde épais. L’utilisation de jonctions verticales croisées silicium / molécule / nanotubes de carbone permet d’envisager à terme la fabrication d’un réseau de diodes à effet tunnel résonant. La confection de ces doubles tranchées demande d’aligner deux étapes de lithographie électronique. La première permet de définir la première tranchée. Celle-ci est gravée par une solution d’acide fluorhydrique tamponnée (BHF). La seconde lithographie définie la tranchée centrale qui est gravée par gravure ionique réactive. Ces deux étapes de gravure doivent être calibrées pour pouvoir atteindre le silicium sous-jacent et conserver une épaisseur suffisante d’oxyde au fond de la première tranchée. Une fois les nanotubes déposés, il est nécessaire de les repérer précisément et une dernière étape de lithographie électronique permet de fabriquer les électrodes les raccordant aux électrodes macroscopiques. La figure 4 montre le profil de double tranchée et un nanotube monoparoi traversant la tranche centrale et connecté à deux électrodes de mesure.

 

Maj : 18/07/2005 (320)

 

Retour en haut