CE09 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Assemblage planaire de nanofils pour émission sur parois latérales – PANASSE

PANASSÉ

Assemblage planaire de nanofils pour émission sur parois latérales

Enjeux et objectifs

L'enjeu principal du projet PANASSÉ est de développer une technologie de cathodes à émission froide basées sur une structure innovante de nanofils planaires dont la production d'électrons est contrôlée par une électrode enterrée dans le substrat porteur. <br />Pour cela nous devons développer plusieurs briques à savoir la production de réseaux de nanofils sur de grandes surfaces (surface active de l'ordre de 1mm², surface totale sur wafer de l'ordre de plusieurs cm²). Nous devons également mettre au point un procédé de semi-encapsulation dédié pour la réalisation de ces composants. Le matériau utilisé à cette fin est un diélectrique de forte permittivité qui sera développé et sélectionné parmi les matériaux développés par les partenaires du projet. Un point critique est le contrôle électrostatique local du composant et pour évaluer ce point nous nous baserons sur des techniques de microscopie de charges en champ proches sous des conditions d'ultra-vide.

Nous avons choisi de tester deux voies en parallèle pour la réalisation des réseaux de nanofils : une approche top-down et une approche bottom-up. L'approche top-down est basée sur la réalisation de réseaux de nanofils (ou de nanofils unitaires) sur un substrat type SOI avec une couche de polysilicium comme couche active où les nanofils sont gravés après lithographie électronique. Cette réalisation a été sous-traitée à une plateforme silicium (CEA-LETI) sur fonds propres de TRT pour palier aux problèmes de recrutement côté IEMN qui devait prendre en charge cette tâche. Côté développement des cathodes en bottom-up, nous nous basons sur l'expérience du LMGP pour réaliser des dépôts non orientés de nanofils d'argent sur lesquels nous devons réaliser une technologie de contact. Quelle que soit l'approche, nous développons ensuite la méthodologie de semi-encapsulation en utilisant des matériaux ALD développés à TRT sur un bâti commercial ou des matériaux s-ALD développés au LMGP sur un bâti développé en interne. Dans un premier temps, nous testons les composants unitaires sur bâit de caractérisation en champ proche (IEMN) ou sur bâti UHV-HT (TRT) et nous comparons les résultats avec les modéles électrostatiques (TRT) et quantiques (IEMN) développés dans le cadre du projet.

Aujourd'hui nous avons reçu les dispositifis de base sous-traités avec des dimensions critiques de nanofils otbtenus descendant jusqu'à 30nm. Nous développerons une étape de réduction de taille à 20nm voire 15nm si nécessaire dans la suite du projet en partant de ces wafers de base (aujourd'hui 2000 puces disponibles). A noter que nous avons désormais un accès à la technologie de fabrication IEMN grâce au recrutement fin 2020 d'un post-doc ce qui nous permettra de tester d'autres variantes de design si nécessaire. Nous avons également des résultats en réalisation de nanofils métalliques obtenus par lift-off avec des dimensions critiques descendant jusqu'à 20nm.
En parallèle, nous avons réussi à réaliser une technologie de prise de contacts sur nanofils d'argent après avoir buté sur ce point au début du projet. Ce point étant réglé, nous avons pu développer la semi-encapsulation à partir de matériaux ALD et s-ALD avec des résultats technologiques probants.
Les modèles électrostatiques et quantiques sont aujourd'hui disponibles et pourront être confrontés aux résultats expérimentaux pour comprendre les résutlats obtenus.
Des tests de microscopie champ proche réalisés sur nanofils non semi-encapsulés ont été mené, démontrant des effets de charges locales avec de faibles dynamiques temporelles comme nous nous y attendions.
Le bâti de test UHV-HT est aujourd'hui totalement fonctionnel est a déjà été utilisé pour tester des composants (non semi-encapsulé) en conditions réelles avec succès.

L'assemblage des briques de base complète est en cours pour tester les composants en microscopie champ proche afin de comparer les effets de charges (localisation, dynamique) avec et sans la semi-encapsulation. Ceci sera réalisé avec les différentes structures (nanofils polysilicium et nanofils argent) avec les différents matériaux (s)ALD validés lors des essais préliminaires. Ces essais sur composants unitaires nous permettrons de cibler les assemblages matériaux les plus pertinents et de comprendre leur effets sur les dynamiques de charges afin d'éventuellement ajuster le mode de fonctionnement optimal pour l'émission de champ (régime continu, pulsé avec duty cycle adapté).
En parallèle, les matériaux (s)ALD continuent d'être développés pour fournir une bibliothèque plus complète qui pourra servir à résoudre les éventuels problèmes d'écoulement de charge rencontrés.
Le dépôt des nanofils d'argent sera également optimisé pour réduire les effets de topologie (nanofils se chevauchant et induisant des problèmes locaux de dépôt (s)ALD). Cette méthode innovante sera développée et comparée à d'autres méthodes de frittage impliquant des budgets thermiques plus élevés.

10.1016/j.cej.2020.126234
10.1039/d0na00895h
10.1039/c9nr05658k

Dans le projet PANASSE, nous visons à développer des réseaux planaires de nanofils comme source d’électrons sous vide. En adoptant une configuration planaire, notre approche permet de lever de nombreux verrous technologiques afin de produire des sources électroniques efficaces. En effet, comparées aux sources froides classiques à base d’émetteur à pointe, les sources froides à bases de nanofils horizontaux offrent une amélioration de la gestion thermique, du contrôle de variabilité, de l’efficacité globale, du coût de production et des surfaces de réalisation.
Nous avons d’ores et déjà démontré une preuve de concept d’une telle structure planaire d’émission avec la mise en avant des principaux effets à savoir, un contrôle efficace de la grille arrière sur le courant d’émission ainsi que la nécessité d’une passivation partielle par un matériau de haute permittivité diélectrique autour des nanofils. Dans le projet PANASSE, nous nous concentrerons sur la fabrication de composant à un seul nanofil afin de définir les meilleures options la réduction de la taille et son contrôle ainsi que la passivation partielle des nanofils. En parallèle, cette structure servira à tester les effets de confinement quantique liés à la dimension des nanofils. La configuration planaire nous permettra d’accéder à un nouveau panel de caractérisations champ proche impossible à mettre en œuvre dans le cas des émetteurs à pointe à cause de leur configuration hors-plan. Les tests en émission de champ seront également menés sur ces structures à nanofil unique. La combinaison des résultats des deux méthodes sera nécessaire pour prendre les décisions pertinentes quant à la suite du projet. Après cette étape, des réseaux de nanofils seront fabriqués pour former des composants à émission collective qui permettront progressivement d’améliorer les procédés de fabrications pour les nombres d’éléments de plus en plus grands. Les performances des dispositifs seront corrélées avec ces procédés afin de valider les options technologiques. Une montée en surface progressive et l’amélioration des performances cathodes seront liées afin de maximiser les chances d’atteindre les objectifs de cathodes à forte densité de courant. Des caractérisations post-émission seront menées à différentes échelles afin d’alimenter la boucle d’amélioration des composants. Après cette étape, les partenaires du projet concentrerons leurs efforts pour produire des cathodes sur des plaquettes de grande surface (100mm de diamètre) tout en maintenant les performances des différentes zones individuelles d’émission, traçant la voie à une production de grand volume.
Les travaux de PANASSE sont concentrés sur l’objectif de produire des structures d’émission de champ innovantes pour les systèmes d’imagerie à rayons X 3D du futur. De nombreuses applications industrielles, sécuritaires et médicales pourraient émerger de ce concept. Mais si l’émission de champ est un cas d’usage dans le cadre de PANASSE, les résultats et développements obtenus pourront être à la base d’autres applications industrielles car nous traitons de sujets génériques touchant l’assemblage planaire de nanoéléments et de la synthèse grande surface de matériaux à forte permittivité. Les avancées du projet seront valorisées par chaque partenaire et la présence d’une compagnie leader mondial dans les systèmes critiques (électronique, optique, radiofréquence, …) telle que Thales est gage d’un transfert technologique efficace avec un impact notable pour la société.

Coordination du projet

Laurent GANGLOFF (Thales Research & Technology)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

TRT Thales Research & Technology
IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
LMGP Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique

Aide de l'ANR 492 110 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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