Films bidimensionnels épitaxiés BN/epigraphène/SiC pour la nanoélectronique – BONNEG

Des plaquettes monocristallines de 4H-SiC sont graphétisées sur la face (0001), dite face silicium, par décomposition de la surface de SiC à haute température sous vide (méthode de sublimation confinée de silicium). Ces échantillons sont transférés dans un bâti de dépôt par metalorganic vapor phase epitaxy (MoVPE) pour obtenir des couches de nitrure de bore en croissance épitaxiale sur le graphène.

Tous les échantillons sont systématiquement caractérisés par microscopie à force atomique (AFM), spectroscopie Raman, microscopie à balayage (MEB), avant et après dépôt. Des cartographies sont réalisées pour s’assurer de l’homogénéité des échantillons.

Deux séries d’échantillons monocouche de graphène ont été produits et caractérisées à Georgia Tech-Atlanta (sous-traitant), pour un total de 29 échantillons, ayant tous au moins 90% de monocouche. Des cartographies en spectroscopie Raman (30µmx30µm) complétées de spectres pris en dix positions réparties sur la surface des couches permettent d’identifier les régions monocouche graphène et le pourcentage de bicouches ou plan tampon. Ces données sont confirmées par des mesures locales en AFM, mode contact/friction ou non-contact.

Des croissances épitaxiales de BN par MOVPE ont été réalisées sur les échantillons d’épigraphène à l’IRL 2958, en optimisant les conditions de croissance. Deux séries ont été produites visant respectivement des couches de BN d’épaisseur 3nm et 6 nm.

L’étude structurale des couches par AFM et MEB montre une couverture complète du graphène par BN, de larges régions présentent une morphologie plissée, comme on s’y attend pour un revêtement par un film bidimensionel non contraint ; des lignes granulaires sont mises en évidence plus spécialement aux bords de marches. Ces grains révèlent un fort taux de nucléation de BN. L’épaisseur des couches de BN est bien celle attendue pour les paramètres de dépôt (mesure par AFM du profil de rayure).

Réunions
Quatre réunions ont été organisées :
- une réunion de démarrage a permis à chaque groupe de présenter ses activités et sa contribution au projet, de discuter de façon précise des contours du projet et de définir les premières étapes (11 participants provenant de 4 laboratoires : CNRS/GT – IRL, CNRS/ONERA-LEM, CNRS-Institut Néel, GT-Atlanta). Réunion par téléconférence.
- Trois réunions de suivi (12 décembre 2020, 26 mai 2021, 21 et 22 juin 2021).

Personnel
Un étudiant de thèse a été embauché pour la durée de l’ANR.
Un post-doc vient d’être embauché (délais imposés pas la pandémie).

Les meilleures couches seront examinées par microscopie électronique en transmission en cross-section (TEM) au LEM afin de vérifier l’épitaxie des couches de BN leur qualité structurale.
Les prochaines couches seront réalisées sur des échantillons d’épigraphène lithographiés à l’échelle de quelques microns en forme de barre de Hall pour des test de transport à basse température. Ces tests permettront de déterminer la qualité de graphène, son taux de dopage et de l’efficacité du BN comme diélectrique pour des transistors.

Note importante
Le projet a été considérablementretardé par la pandémie COVID. A la fermeture des laboratoires, se sont ajoutées la difficulté à recruter associée aux restrictions de voyage.

Ces résultats ne sont pas encore publiés

Cette proposition aborde les deux principaux obstacles au développement du graphène pour la nano-optoélectronique à haute performance : comment l’intégrer de manière efficace, fiable, et sans contamination dans des dispositifs électroniques et comment exploiter ses propriétés exceptionnelles. Il est proposé de valider le principe de fonctionnement de transistors tunnel à effet de champ ultra-minces (UB-TFET), construits à base d’hétérostructures épitaxiales graphène / nitrure de bore bidimensionnelles (2D) avec un schéma d’intégration viable à grande échelle. Les transistors TFET sont une alternative efficace aux transistors à effet de champ standards, inopérants pour le graphène en l'absence de bande interdite. Ils devraient dépasser la limite de pente de sous-saturation des transistors communs, d’où le grand intérêt que leur porte l’industrie. Le TFET sera basé sur du graphène épitaxié sur monocristal de SiC (épigraphène ou EG) ; la mise en œuvre la plus avancée utilisera la conductance exceptionnelle des nano-rubans EG récemment découverte. Ceux ci sont des conducteurs balistiques quantifiés à température ambiante. Mais avoir un excellent graphène est loin d’avoir un dispositif et le composant actif doit être intégré. Ce projet est basé sur l’idée fondamentale que seule une croissance (hétéro) épitaxiale peut fournir le contrôle atomique requis pour des dispositifs fiables. La croissance épitaxiale assure des interfaces propres et une orientation précise des couches empilées, en évitant les molécules piégées et le caractère aléatoire inhérent au transfert de couche. Cependant, très peu de progrès ont été accomplis jusqu'à présent dans la fabrication de couche diélectriques 2D sur le graphène; la plupart des dépôts nécessitent une altération de la surface du graphène pour leur adhérence, ce qui compromet irrémédiablement ses performances électroniques.
Les couches de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sont considérées comme le meilleur substrat pour le graphène, mais seuls des flocons de BN de taille micrométrique sont disponibles, rendant l'intégration fastidieuse, peu fiable et impossible à grande échelle. Nous proposons donc de développer l'épitaxie de h-BN sur EG par dépôt en phase vapeur d’organométallique (MOVPE). Nos travaux préliminaires montrent que cette technique fournit des interfaces épitaxiales graphène / h-BN inégalées, compatibles avec l'électronique haute performance et des capacités de montée en gamme immédiate. L'hétérostructure SiC / EG / h-BN donnera accès aux propriétés du graphène dans un environnement exceptionnellement reproductible et propre, non disponible autrement. Les conditions de croissance seront étudiées pour produire un h-BN ultra mince sur EG, qui n'a pas encore été atteint. Cette proposition suivra ensuite deux voies pour construire des prototypes UB-TFET verticaux et latéraux. C'est une alternative extrêmement prometteuse au paradigme standard des FET, qui pourrait permettre un fonctionnement à très haute fréquence ainsi qu'un fonctionnement à faible consommation.
Ce projet est un partenariat étroit et bien ciblé entre trois équipes ayant un passé de collaboration très réussie et une parfaite complémentarité: CNRS-Institut Néel (Grenoble), CNRS / ONERA-Laboratoire d’étude des Matériaux (Châtillon) et CNRS / Georgia Institute de la technologie -UMI 2958 (Metz, en collaboration avec GT Atlanta). Nous nous appuierons sur l’important jalon de la croissance épitaxiale de h-BN sur EG, pour développer le BN ultra-mince et la fabrication de dispositifs transistors. L’IN se chargera de la fourniture d’épigraphène, concevra et réalisera les dispositifs et effectuera les mesures de transport; l'équipe UMI produira le film épitaxial BN et fournira une étude structurale de base pour une optimisation rapide du processus de croissance; le LEM réalisera les études structurales et optiques avancées, notamment des études HR-TEM, essentielles à la caractérisation des couches de films 2D ultra-minces.