Conception, étude et modélisation d'une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs PDF Download
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Author: Maxime Legallais
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Book Description
Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l'optique, l'électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n'excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l'alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d'améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l'hybridation de l'ADN. Bénéficiant d'un procédé de fabrication compatible avec l'industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l'ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d'autres opportunités dans le domaine de l'électronique flexible.
Author: Maxime Legallais
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Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l'optique, l'électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n'excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l'alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d'améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l'hybridation de l'ADN. Bénéficiant d'un procédé de fabrication compatible avec l'industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l'ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d'autres opportunités dans le domaine de l'électronique flexible.
Author: Gaelle Lehoucq
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Pages : 164
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Ce travail de thèse a porté sur la réalisation d'un capteur d'espèces biologiques en solution à partir de réseaux organisés de nanofils de silicium opérant sur le mode d'un transistor à effet de champ à "grille biologique". Cette nouvelle génération de biocapteurs vise à être intégrée dans des systèmes de détection ultrasensibles et compacts destinés à des applications médicales et militaires. Nous proposons la réalisation des transistors à nanofils de silicium suivant une approche dite "top-down". Cette méthode, qui consiste à graver les nanofils dans une couche mince de silicium, permet un contrôle précis de leur positionnement, contrairement à l'approche "bottom-up", qui utilise des nanofils obtenus par croissance CVD. Ceci permet l'obtention de transistors aux caractéristiques électriques reproductibles et facilite leur intégration. La première partie de nos travaux a ainsi concerné le design et la fabrication de transistors à nanofils de silicium suivant une approche top-down. Ce travail de développement technologique a permis la réalisation de composants que nous avons caractérisés à sec puis adaptés à un fonctionnement en milieu liquide. La seconde partie de nos travaux a porté sur la réalisation de mesures en solution. La validation du fonctionnement de notre transistor en mode capteur a été démontrée par le suivi de variations de pH. Notre étude a ensuite eu pour objet la mise en valeur de l'ensemble des paramètres influençant les performances du capteur (choix de la tension de grille, de la force ionique, influence de la microfluidique, ...), la compréhension de ces facteurs étant indispensable à la réalisation de mesures biologiques fiables.
Author: Ahmet Lale
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Languages : fr
Pages : 223
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Les transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) sont des composants électroniques conçus pour fonctionner en phase liquide. Pour résumer, ce sont des MOSFET dont la grille métallique est remplacée par une membrane isolante ionosensible. Au début des années 2000, ces composants ont évolué avec l'introduction des premiers dispositifs à base de nanofils de silicium. Grâce à leurs faibles dimensions, ces capteurs ont ouvert de nouvelles perspectives, comme par exemple, l'étude des métabolismes intracellulaires. L'objectif de cette thèse a été de développer et d'étudier un capteur de type ISFET, à base de nanofils de silicium, ayant comme couche sensible l'alumine Al2O3. Les premiers travaux ont porté sur l'intégration de films minces d'alumine Al2O3 dans un procédé de type MOSFET. Ce matériau devant être déposé sur des nanofils de silicium, la technique de dépôt successif de couches moléculaires (Atomic Layer Deposition ALD) a été retenue. Cette méthode offre la possibilité de déposer des films d'épaisseur homogène tout autour des nanofils. Après l'étude de l'ALD-Al2O3, la deuxième grande partie de ce projet a consisté à développer, en utilisant les techniques de la microélectronique, des structures innovantes à base de nanofils de silicium. Des transistors constitués d'un seul nanofil, et d'autres constitués de réseaux parallèles de nanofils ont été réalisés. Ces capteurs ont été intégrés dans des canaux microfluidiques, permettant ainsi de localiser précisément le liquide sur les nanofils, mais aussi de pouvoir travailler en micro/nanovolumes. La dernière partie de ce projet a consisté à caractériser ces capteurs en phase liquide. Les différentes configurations ont montré leurs avantages et inconvénients en termes de transconductance, courants de fuite, pentes sous le seuil, sensibilités au pH et aux ions interférents (Na+ et K+). Les caractérisations se sont avérées excellentes et laissent entrevoir des perspectives intéressantes pour des applications biologiques. Les principales innovations de ces capteurs concernent : l'utilisation de nanofils suspendus, la réalisation d'une gaine isolante ionosensible bicouche SiO2/Al2O3 tout autour des nanofils, la variation du dopage le long des nanofils ce qui a conduit à la réalisation de jonctions N+/P/N+, et l'intégration des capteurs dans des canaux microfluidiques couverts.
Author: Ahmet Bindal
Publisher: Springer
ISBN: 3319271776
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 176
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Book Description
This book describes the n and p-channel Silicon Nanowire Transistor (SNT) designs with single and dual-work functions, emphasizing low static and dynamic power consumption. The authors describe a process flow for fabrication and generate SPICE models for building various digital and analog circuits. These include an SRAM, a baseband spread spectrum transmitter, a neuron cell and a Field Programmable Gate Array (FPGA) platform in the digital domain, as well as high bandwidth single-stage and operational amplifiers, RF communication circuits in the analog domain, in order to show this technology’s true potential for the next generation VLSI.
Author: Fanny Morisot
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Languages : fr
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Les nanofils sont des structures combinant dimensions nanométriques, leur diamètre, et dimension micrométrique, leur longueur, à des propriétés intéressantes pour de nombreux domaines tels que l'électronique, l'optique et la détection de molécules. Cependant, en raison de leur petite taille, ils sont difficiles à manipuler ce qui rend leur intégration au sein de dispositifs complexe et coûteuse. Une solution de contournement à ce problème est de les assembler de sorte à former un réseau de nanofils aléatoirement orientés, aussi appelé nanonet, et qui présente alors une dimension macroscopique. Dans ce travail, nous utilisons comme support de recherche les nanofils d'oxyde de zinc assemblés en nanonets que nous avons intégrés avec succès pour trois applications : les transistors à effet de champ, la détection d'ADN et la détection d'acétone. Nous présentons tout d'abord toute la chaîne de fabrication des dispositifs comprenant la synthèse des nanofils, leur assemblage en nanonet et l'intégration de ces derniers dans des dispositifs selon deux voies totalement différentes. D'une part, nous avons développé l'intégration directe sur des microplateformes chauffantes porteuses d'électrodes, réalisées par un partenaire industriel, pour l'utilisation en tant que capteur de gaz. D'autre part, nous avons mis au point une filière de fabrication complète, qui a été développée et testée au cours de ce travail, pour les transistors à effet de champ. Nous abordons ensuite les performances des différents dispositifs développés. Les transistors à effet de champ que nous avons fabriqués présentent des performances remarquables encore jamais obtenues dans la littérature pour des dispositifs similaires. Ensuite, nous avons pu détecter avec succès l'ADN par fluorescence et mis en évidence l'effet de la densité du nanonet sur cette détection. Enfin, la détection d'acétone sous forme gazeuse a été réalisée sur une large gamme de conditions allant d'une atmosphère sèche à température ambiante jusqu'à une atmosphère très humide à 360°C. Ainsi, ce travail démontre que les nanonets de ZnO présentent des propriétés intéressantes qui offrent des perspectives d'applications dans des domaines aussi variés que l'électronique ou la détection de molécules chimiques ou biologiques.
Author: Cédric Rechatin
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Languages : fr
Pages : 135
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Book Description
L’objectif de ce travail est d’étudier le potentiel de la technologie des transistors en couches minces à base de silicium polycristallin (TFT Poly-Si) pour la conception de circuits analogiques. Le gain en mobilité par rapport à la technologie amorphe (TFT a-Si), permet l’intégration directement sur la dalle en verre de nouvelles fonctionnalités pour obtenir des systèmes à fortes valeurs ajoutées. Les travaux ont porté sur la caractérisation et la modélisation des transistors en vue d’une conception analogique. Un accent particulier a été mis sur la modélisation de l’erreur d’appariement dans cette technologie. Puis nous avons présenté une nouvelle architecture pour une application de capteur d’empreintes capacitif. Elle est basée sur un traitement parallèle des données et est parfaitement adaptée aux contraintes de la technologie. Elle permet notamment de simplifier le pixel et de compenser la tension de décalage aléatoire de l’amplificateur de charges.
Author: Bilal Beydoun
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Languages : fr
Pages : 314
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Book Description
CE MEMOIRE TRAITE DE LA SIMULATION ET DE LA CONCEPTION DU TRANSISTOR VDMOS DE PUISSANCE. ON PROPOSE UN OUTIL DE CONCEPTION DE MODELES POUR CE TRANSISTOR, QUI EST BASE D'UNE PART SUR L'ANALYSE DES MECANISMES DONT LA STRUCTURE EST LE SIEGE, D'AUTRE PART SUR LA GEOMETRIE (LAYOUT) ET LA TECHNOLOGIE, ET ENFIN SUR LA PRISE EN COMPTE DE LA TOPOLOGIE D'UN SCHEMA EQUIVALENT ETABLI ANTERIEUREMENT AU LABORATOIRE. PLUS PRECISEMENT, ON EFFECTUE TOUT D'ABORD UNE ETUDE DES MECANISMES-CONDUCTION, TENUE EN TENSION, ETUDE DYNAMIQUE-INTERVENANT DANS LES DIVERSES ZONES DE LA STRUCTURE DU COMPOSANT. EN SE BASANT SUR LES ASPECTS DE MODELISATION ANTERIEUREMENT DEVELOPPES AU LAAS, NOUS PROPOSONS ENSUITE UNE NOUVELLE METHODOLOGIE DE CONCEPTION DES MODELES VDMOS. CELLE-CI PREND EN COMPTE LES EQUATIONS DE FONCTIONNEMENT, LE DESSIN DES MASQUES, LA TECHNOLOGIE ET LES LOIS DE DEPENDANCE ENTRE LES PARAMETRES. POUR CE FAIRE, NOUS DEVELOPPONS UN LOGICIEL NOMME POWER MOSFET'S DESIGNER QUI PERMET A PARTIR DES DONNEES DE LA PHYSIQUE, DE LA GEOMETRIE ET DE LA TECHNOLOGIE DE LA STRUCTURE, DE GENERER LE MODELE VDMOS ET DE CONNAITRE LES PERFORMANCES ELECTRIQUES DU DISPOSITIF DANS UNE APPLICATION DE CIRCUIT SPECIFIEE A PRIORI. ON PROCEDE ENSUITE A LA VALIDATION DE CE LOGICIEL SUR DES COMPOSANTS INDUSTRIELS. ON L'APPLIQUE A L'ETUDE DE NOUVELLES GENERATIONS DE STRUCTURES VDMOS TELLES QUE LE TRANSISTOR VDMOS A DOUBLE NIVEAU D'OXYDE DE GRILLE INTERCELLULAIRE. UN EXEMPLE D'ANALYSE SPECULATIVE DU TRANSISTOR VDMOS ELABORE SUR UN AUTRE MATERIAU QUE LE SILICIUM EST ENFIN PROPOSE: ON ETUDIE LE CAS OU LE SUBSTRAT EST EN CARBURE DE SILICIUM (SIC)
Author: Bastien Cousin
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Languages : fr
Pages : 225
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Book Description
L'objectif de ce travail de thèse s'articule autour du développement d'un modèle compact du transistor GAA nanofil cylindrique. L'objectif est ici de reproduire le comportement électrique du transistor à travers un modèle afin que celui-ci soit utilisable en conception de circuits. Le transistor est considéré tout d'abord comme idéal c'est-à-dire sans effets parasites afin de constituer le cœur du modèle compact. L'étude porte ensuite sur la modélisation des effets de confinement quantique. Une correction quantique avec prise en compte à la fois des confinements structurels et électriques des porteurs dans le silicium est alors proposée et insérée dans le cœur du modèle compact. L'étude concerne ensuite la modélisation des effets de canaux courts, phénomènes parasites associés à la réduction de longueur de grille du transistor. Puis, plusieurs effets physiques spécifiques tels que les courants de fuite de grille, le GIDL, la résistance série et la dégradation de la mobilité sont traités et implémentés dans le cœur du modèle. Enfin, des résultats de mesures expérimentales permettent la validation du modèle complet.
Author: Louis Fradetal
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Book Description
Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif.
Author: Virginie Brouzet
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Book Description
La demande d'objets connectés dans notre société est très importante, au vu du marché florissant des smartphones. Ces nouveaux objets technologiques ont pour avantage de regrouper plusieurs fonctions en un seul objet ultra compact. Cette diversité est possible grâce à l'avènement des systèmes-sur-puce (SoC, System-on-Chip) et à la miniaturisation extrême des composants. Les SoC s'intègrent dans l'approche « More than Moore » et demande une superficie importante des puces. Celle-ci peut-être réduite par l'utilisation d'une autre approche appelée « More Moore » qui fut largement utilisée ces dernières années pour miniaturiser la taille des transistors. Cependant cette approche tend vers ses limites physiques puisque la réduction drastique de la taille des MOSFETs (« Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor ») ne pourra pas être poursuivie à long terme. En outre, les transistors de taille réduite présentent des effets parasites, liés aux effets de canaux courts et à une mauvaise dissipation de la chaleur dégagée lors du fonctionnement des MOSFETs miniaturisés. Les effets de canaux courts peuvent-être minimisés grâce à de nouvelles architectures, telles que l'utilisation de nanofils, qui permettent d'obtenir une grille totalement enrobante du canal. Mais le problème de la puissance de consommation reste un frein pour le passage au prochain nœud technologique et pour l'augmentation des fonctions dans les appareils nomades. En effet, la puissance de consommation des MOSFETs ne fait qu'augmenter à chaque nouvelle génération, ce qui est en partie dû à l'accroissement des pertes énergétiques induites par la puissance statique de ces transistors. Pour diminuer celle-ci, la communauté scientifique a proposée plusieurs solutions, dont une des plus prometteuses est le transistor à effet tunnel (TFET). Car ce dispositif est peu sensible aux effets de canaux courts, et il peut fonctionner à de faibles tensions de drain et avoir un inverse de pente sous le seuil inférieur à 60mV/dec. L'objectif de la thèse est donc de fabriquer et de caractériser des transistors à effet tunnel à base de nanofil unique en silicium et silicium germanium. Nous présenterons la croissance et l'intégration des nanofils p-i-n en TFET. Puis nous avons étudié l'influence de certains paramètres sur les performances de ces transistors, et en particulier, l'effet du niveau de dopage de la source et du contrôle électrostatique de la grille sera discuté. Ensuite, l'augmentation des performances des TFETs sera montrée grâce à l'utilisation de semiconducteur à petit gap. En effet, nous insérons du germanium dans la matrice de silicium pour en diminuer le gap et garder un matériau compatible avec les techniques de fabrication de l'industrie de la microélectronique. Un modèle de simulation du courant tunnel bande à bande a été réalisé, se basant sur le modèle de Klaassen. Les mesures électriques des dispositifs seront comparées aux résultats obtenus par la simulation, afin d'extraire le paramètre B de la transition tunnel pour chacun des matériaux utilisés. Enfin nous présenterons les améliorations possibles des performances par une intégration verticale des nanofils.
