Diodes tunnel miniaturisables à base de matériaux 2D – TUNNE2D

L'essor exponentiel des services offerts par la société de l’information requiert des réseaux de transmission et de traitement de données à très haut débit, nécessitant des composants haute fréquence (HF). Les dispositifs à effet tunnel (DTs) offrent des performances potentiellement supérieures à celles des dispositifs thermoïniques car ils ne sont pas limités par l'activation thermique des porteurs et peuvent présenter une résistance différentielle négative, caractéristique unique et différenciante pour le développement de sources et détecteurs HF. Cependant, les DTs sont très sensibles à la structure chimique et électronique de l'interface tunnel et leurs performances sont entravées par la nature covalente des liaisons à l'interface lorsqu'ils sont fabriqués à l'aide des semi-conducteurs Si, Ge ou III-V. Il est donc impératif d'explorer des matériaux émergents pour améliorer la qualité de l'interface tunnel. L'absence de liaisons pendantes de surface dans les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (DMTs) permet la formation d'hétérostructures de van der Waals et une intégration sans contrainte. Des résultats expérimentaux récents ont confirmé la valeur ajoutée des DMTs pour les DTs gouvernés par le transport tunnel bande à bande. Cependant, à ce jour, ces dispositifs ont été élaborés à partir de couches exfoliées ou transférées, ce qui se traduit par une faible intégrité des interfaces ainsi que par une fiabilité et un passage à l’échelle limités.
Le projet Tunne2D vise à évaluer les capacités des DMTs pour les DTs en fabricant différentes diodes tunnel à l'échelle du wafer et en les caractérisant entièrement à basse et haute fréquence. Les objectifs sont: i) la croissance d'hétérostructures de DMTs par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et épitaxie par jets moléculaires (EJM) et leur caractérisation approfondie ; ii) la conception de diodes tunnel basée sur la simulation des propriétés des matériaux et de transport; iii) la fabrication des diodes; iv) la comparaison entre les diodes obtenues par CVD ou EJM pour déterminer les avantages/inconvénients des deux approches; v) l'évaluation comparative des diodes DMTs par rapport à celles utilisant des semi-conducteurs conventionnels. Les hétérostructures de haute qualité obtenues dans Tunne2D ouvriront la voie à des DTs plus complexes et offriront de nouvelles opportunités pour le développement de dispositifs optoélectroniques et photocatalytiques.
Le projet se focalisera sur les DMTs à base de Se, offrant la variété de matériaux requise pour fabriquer ces diodes : métaux, semiconducteurs de type p et n. Notre approche repose sur la forte interaction entre les aspects matériaux, la modélisation, la simulation et l'étude électrique des dispositifs. Elle regroupe 4 partenaires académiques (IEMN, CINTRA, C2N, CP2M) aux compétences et équipements complémentaires dans l'élaboration et la caractérisation des matériaux, la fabrication et la simulation des dispositifs. L'IEMN a un système MBE entièrement dédié à la croissance de DMTs et est expert dans le développement de dispositifs 2D avec des techniques de fabrication avancées. Une approche originale utilisant des précurseurs à source unique sera explorée, en étroite collaboration avec le CP2M, expert dans la conception de précurseurs pour les techniques de dépôt en phase gazeuse. CINTRA, très actif dans le domaine de la croissance des DMTs par CVD, a récemment démontré la polyvalence de cette technique pour plus de 30 matériaux et l'intérêt des précurseurs organométalliques pour les films continus de MoS2 à grande échelle. Cette approche sera étendue aux séléniures. Le C2N a une longue expérience des simulations de dispositifs à effet tunnel et s'est récemment concentré sur les DMTs. Le succès du consortium reposera sur un partenariat de long terme entre l'IEMN et CINTRA, une longue expérience de projets conjoints entre l'IEMN et le C2N et la grande habitude du CP2M à travailler avec des physiciens des matériaux.