Note publique d'information : Le domaine de la microélectronique connaît aujourd'hui un tournant technologique majeur
avec l'essor de structures nanométriques, les nanofils semiconducteurs. Ces nanofils
peuvent être synthétisés "atome par atome" par une approche dite ascendante (ou Bottom-Up)
qui présente un fort potentiel industriel grâce notamment à sa simplicité de mise
en œuvre et au faible coût engendré si l'on compare à des procédés standards de structuration
de la matière par voie descendante (ou Top-Down). Dans cette optique, une question
d'importance se pose : comment manipuler ces nanostructures et les arranger de façon
à créer un dispositif fonctionnel ? Nous avons développé dans ces travaux de thèse
un procédé inédit d'adressage à grande échelle couplant le phénomène d'attraction
dû à la diélectrophorèse et l'assemblage capillaire. Les nanofils vont en effet pouvoir
se polariser s'ils sont soumis à un champ électrique, être attirés dans les zones
de champ fort prédéfinies, et enfin l'assemblage capillaire nous assure un alignement
supplémentaire ainsi qu'un contrôle précis du séchage du liquide dans lequel sont
suspendus les nanofils. Cette approche est d'autant plus intéressante qu'elle s'adapte
à différents matériaux, comme le silicium ou l'arséniure d'indium, candidats prometteurs
pour l'électronique de demain. Enfin, nous mettrons à profit la méthode d'alignement
développée pour intégrer des nanofils dans des dispositifs fonctionnels. Nous analysons
dans un premier temps le problème de l'adressage électrique des nanofils qui diffère
de celui du matériau massif. Nous présentons une méthode permettant de différencier
l'influence de la résistance de contact de celle du nanofil lui-même. Ces études matériaux
sont capitales pour permettre l'intégration à grande échelle des nanofils dans des
dispositifs microélectroniques. S'ensuit la première démonstration de l'implémentation
de transistors à nanofils. La dernière application démontrée exploite le grand rapport
surface sur volume des nanofils pour mettre en œuvre des capteurs, tout d'abord de
luminosité, puis d'humidité et enfin de gaz. Les nanofils semiconducteurs présentent
en effet la potentialité d'une forte sensibilité en détection, car la déplétion ou
l'accumulation des porteurs de charge causées par les changements d'états de surface
peut affecter les propriétés électroniques de ces nanofils. Ces protoypes de dispositifs
fonctionnels sont une synthèse des travaux menés au cours de ces travaux de thèse
et illustrent toutes les possibilités offertes par cette méthode d'intégration de
nanofils semiconducteurs.
Note publique d'information : Nanowires constitute the potential building blocks for the emergence of new architectures
in nanoelectronics and sensors applications as they exhibit different material properties
from their corresponding bulk structures. Manipulating nanowires to locate them at
a desired position is therefore a crucial issue in view of developing large scale
nanosystems. The technique reported in this thesis combines dielectrophoresis phenomenon
and capillary assembly to successfully align hundreds of single nanowires at specific
locations on a wafer in a more straightforward and affordable procedure than what's
proposed at the state of the art. A non-uniform electric-field applied between interdigitated
electrodes induces a polarization on dielectric particles such as nanowires. The resulting
force (DEP force) makes the nanowires able to move in the solution while the capillary
assembly ensures both a convective flux of nanowires towards the alignment sites and
the final orientation of the nanowires in the axis of the electrodes as the solvent
dries. This protocol has been designed on a 6-inches wafer and thus is scalable very
easily. It is efficient for single-level alignment but also for creating dense parallel
arrays of nanowires if required. High-level level integration can be achieved by combining
two steps of alignment with two different materials as silicon and InAs. This assembly
technique is versatile as DEP electrodes can be implemented on various substrates
such as flexible substrates or directly integrated in the back-end of circuits. It
also offers independent post-processing processes which are completely uncorrelated
from the alignment step as the underneath DEP electrodes are isolated from the surface
by a planarized dielectric layer. Once the nanostructures are aligned, specific contact
studies and electrical characterization can be performed as the previous steps for
innovative devices. The electrical contact on a nanowire is examined in order to distinguish
the contact resistance from the nanowire resistance. Finally, as a proof of concept,
we developed 2 applications based on semiconducting nanowires : transistors and gaz
sensing devices. This work appears as a real step towards nanowires integration and
opens new outlooks to promising applications.
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