Propriétés électromécaniques nouvelles des nanostructures de silicium induites par des pièges électroniques – TRAMP

TRAMP consiste à étudier les détails scientifiques et techniques de l’origine et de l’utilisation de la piézoréponse géante observée dans le nano-silicium. Apres dix années de controverse sur l’existence de la piézorésistance géante (PZR) dans les nano-fils de silicium, les partenaires du projet, tous par ailleurs activement impliqués dans ce débat, ont obtenu des résultats préliminaires mettant en évidence un effet nouveau de piézo-capacitance (PZC) géant.

Les expériences préliminaires des partenaires tendent à démontrer le rôle clé de la dépendance sur la contrainte appliquée de la charge des défauts intrinsèques à l’interface silicium/oxyde (et plus spécifiquement le défaut Pb0). La nature capacitive (et non résistive) de ce phénomène est inattendue et place les partenaires du projet en position avancée, tant d’un point de vue recherche fondamentale que d’un point de vue technologique pour concevoir et fabriquer des dispositifs exploitant cette PZC. En effet, elle est observée dans les nano-objets en silicium réalisés par une approche intégrée «top-down».

Dans la phase initiale du projet, les partenaires vont fabriquer des nano-membranes de silicium avec des contacts ohmiques selon une approche « top-down », qui permettra de mesurer la piézoréponse en fonction de la fréquence et la tension appliquée sous contraintes uni-axiales jusqu’à 150 MPa. La dépendance de l’effet selon le dopage, la température et la géométrie des nano-objets sera explorée et les résultats seront utilisés pour ensuite optimiser le procédé de fabrication pour une production ultérieure. Cette méthode de prototypage, précédemment utilisé par les partenaires du projet, conduira à une compréhension quantitative de la contribution relative des réponses PZR et PZC en fonction de tous ces paramètres. L’objectif principal visé est en premier lieu de comprendre l’origine microscopique de l’effet, et en deuxième lieu de déterminer les conditions optimales à son utilisation comme transducteur de mouvement ou de contrainte.

La compréhension de la piézoréponse sera facilitée par deux techniques de spectroscopie adaptées aux nano-objets : la spectroscopie micro-Raman pour à la mesure de la contrainte locale, avec l’option de recourir au TERS pour des objets de taille plus petite, et la spectroscopie des transitoires de courant par transformé de Laplace (I-DLTS en anglais) pour identifier les défauts ayant une activité électro-mécanique et suspectés d’être responsables de l’effet PZC géant. Cette dernière technique, très peu utilisée pour l’instant, est bien adaptée à la spectroscopie des défauts dans tous nano-objets électriquement connectés, ayant une capacitance sous le seuil de détection des spectroscopies capacitives traditionnelles.

Une fois les procédés et conditions pour l’obtention d’un effet PZC reproductible et maximale, les partenaires entreprendront l’étude des deux applications suivantes : la détection électrique de micro-déformations due à la fabrication dans la couche active de wafers SOI, ce qui a son importance pour le contrôle qualité ; et la détection de mouvement dans les résonateurs nano-mécaniques, pour lesquels les méthodes standard de mesures (optique et capacitive) offrent une mauvaise sensibilité. Cette dernière application requiert la fabrication de nano-résonateurs planaires, pour laquelle les partenaires ont un savoir-faire reconnu. La phase finale du projet consistera à exploiter les résultats obtenus dans ces deux études comme base de discussion avec des futurs partenaires industriels.

En conclusion, le projet conduira à des résultats à fort impact scientifique et technique, à la détermination des premières étapes de caractérisation des dispositifs basés sur la technologie silicium «top-down» et «scalable», au brevetage de propriété intellectuelle en vue de futurs applications, et à des échanges avec des ingénieurs de l’industrie de fabrication de semi-conducteurs visant l’exploitation de cette propriété intellectuelle.