Cartographie de la polarisation par holographie électronique – POLARYS

Les matériaux diélectriques sont omniprésents en microélectronique en raison de leur capacité à se polariser. Les matériaux ferroélectriques, avec leur constante diélectrique élevée et une polarisation spontanée, font l'objet de recherches intensives pour améliorer la capacitance locale ou pour créer des dispositifs à capacité négative. La mesure de la polarisation locale est donc essentielle pour approfondir la compréhension de ces matériaux et des dispositifs associés.
Le projet POLARYS vise à développer une nouvelle méthodologie pour cartographier directement la polarisation et les densités de charge dans les dispositifs à l'échelle nanométrique. Il deviendra possible de mesurer la polarisation locale dans les matériaux ferroélectriques en fonction de la tension appliquée, ainsi que la constante diélectrique relative des couches minces de matériaux diélectriques. L’idée clé est d’adapter une géométrie particulière des nanostructures en incorporant une électrode flottante reliant les matériaux d'intérêt à un condensateur de référence de dimensions nanométriques et d'utiliser l'holographie électronique operando pour cartographier quantitativement le potentiel local lors de l'application d'une tension. Les études seront réalisées sur des nanostructures dédiées combinant des matériaux diélectriques et des matériaux ferroélectriques, et seront comparées à des mesures électriques macroscopiques avancées.
Le consortium implique trois laboratoires : CEMES Toulouse), C2N (Palaiseau) et LNO-SPEC-CEA (Saclay). Le projet est divisé en quatre work packages (WP)
- WP0 (Resp. C. Gatel - CEMES) est lié à la coordination du projet.
- WP1 (Resp. J.-B. Moussy, LNO-SPEC) est consacré à la croissance de différents diélectriques (DE) et de couches d'oxyde ferroélectrique (FE) épitaxiées, qui seront incorporées avec des électrodes (M) dans des systèmes modèles et complexes pour les WP2 et WP3. Nous considérerons deux systèmes appropriés à l'approche originale de POLARYS : des systèmes diélectriques amorphes à constante diélectrique adaptée M/DE1/M/DE2/M et des systèmes ferroélectriques entièrement épitaxiés M/DE/M/FE/M. Des configurations d'iso-épaisseur et d'iso-capacité seront élaborées. En fonction des résultats obtenus, les systèmes seront adaptés à des études plus complexes ou plus originales, telles que celles sur la capacité négative.
- WP2 (Resp. S. Matzen, C2N) concernera la caractérisation électrique avancée des films et des dispositifs élaborés dans le WP1 qui seront étudiés par holographie électronique operando dans le WP3. Les films DE et FE seront d'abord caractérisés électriquement individuellement par microscopie à force atomique (AFM) afin d'étudier l'homogénéité locale de la résistivité électrique, et en utilisant la microscopie à force piézo-électrique (PFM) pour étudier l'arrangement local de la polarisation électrique dans les couches ferroélectriques. Les structures élaborées dans le WP1 seront structurées en micro-condensateurs et la réponse électrique des dispositifs, y compris les mesures de capacité et de polarisation, sera mesurée à l'échelle macroscopique. L'image locale et l'étude diélectrique globale des dispositifs seront des éléments importants pour les études TEM (WP3).
- WP3 (Resp. M. Hÿtch, CEMES) est dédié à la cartographie des propriétés électriques locales par holographie électronique operando. En utilisant l’expertise unique développée au CEMES depuis plusieurs années, les nanodispositifs élaborés et caractérisés macroscopiquement dans les WP précédents seront préparés spécifiquement et connectés électriquement avant d'être étudiés par holographie électronique operando et par des méthodes TEM complémentaires. L'analyse des cartographies du potentiel électrostatique à une résolution inférieure au nanomètre associées aux simulations numériques par éléments finis et la comparaison avec les mesures du WP2 permettront d'évaluer les incertitudes et les limites de cette nouvelle méthode de métrologie.