Je remercie également Olivier Faynot, responsable du laboratoire LDI, de m'avoir accueilli dans son laboratoire. Concernant les manipulations électriques, merci à Patrick Grosgeorges de m'avoir laissé jouer avec son cryobench, merci Patrick pour tout le débogage.
Introduction
Appliquer une tension à un matériau modifie sa résistance et donc sa conductivité (selon la théorie de la piézorésistivité). Nous verrons également les différentes manières d’obtenir du graphène, avec à chaque fois les avantages et les inconvénients de la méthode.
1 Structure et propriétés électronique du graphène
Structure atomique
Ainsi si l’on considère uniquement les atomes de type A, ils forment un réseau de Brallais hexagonal. La première zone Brillouin, également hexagonale, est définie par les deux vecteurs bases suivants.
Structure électronique
- Hybridation sp 2
- Structure de bande
On distingue particulièrement les points de haute symétrie K et K' aux bords de la première zone de Brillouin. Le graphène possède des bandes de conduction et de valence qui se touchent à des points très précis de la première zone Brillouin.
Propriétés remarquables du graphène
- Effet de champ ambipolaire
- Effet Hall Quantique
La figure I.7 montre une mesure de résistance d'un film de graphène en fonction de la tension de grille VG. Cela permet au graphène de flotter à 150 nm au-dessus de la surface (ce graphène est appelé graphène flottant).
2 Obtention de graphène
- Graphène exfolié
- Graphène épitaxié sur le carbure de silicium
- Dépôt par voie chimique sur couches métalliques
- Ouverture de nanotubes de carbone
- Réduction de graphène oxydé
- Comparaison des méthodes d’obtention
Un cas particulier de cette acquisition de graphène est la croissance du graphène sur nitrure de bore (BN). Ainsi, même les rubans de graphène réduits n’ont pas la conductivité électrique observée dans le graphène exfolié.
3 Les transistors à canal en Graphène
- Ouverture d’une bande interdite dans le graphène
- Nanorubans de graphène
- Bicouches de graphène
- Fonctionnalisation du graphène
- Graphène sur SiC
- L’intégration avec grille substrat
- Graphène exfolié
- Graphène CVD
- L’intégration avec grille supérieure
- Graphène exfolié
- Graphène épitaxié
- Graphène CVD
- Performance Haute Fréquence
Des études montrent que le graphène sur SiC présente naturellement une bande interdite. Le graphène CVD à grille supérieure peut être intégré de la même manière que le graphène exfolié.
4 Autres propriétés du graphène
- Haute conductivité thermique et électrique
- Transparence
- Dureté mécanique
- Biocompatibilité
Le graphène permet de conduire des densités de courant élevées et, grâce à sa très fine épaisseur (une couche atomique !), il est également transparent. Ceci est possible avec le graphène car il présente très peu de défauts et présente donc l’avantage d’avoir un très faible bruit.
5 Conclusion du chapitre
Bibliographie
Farmer Utilization of a Buffered Dielectric to Achieve High Field- Effect Carrier Mobility in Graphene Transistors, Nano Letters, 2009. Meng, Influence of Temperature on High Frequency Performance of Graphene Nano Ribbon Field Effect Transistor, Device Research Conference, 2010.
Sublimation de Carbure de Silicium
1 Introduction
Le carbure de silicium
On voit clairement sur la figure II.1 que le SiC possède différents plans perpendiculaires à l'axe z : le plan du silicium et le plan du carbone. De même, le niveau de carbone se termine par des atomes de carbone ayant une liaison vide.
Historique de la méthode
La surface du 6H-SiC est plate (rugosité de surface RMS 0,16 nm mesurée en AFM (voir Fig. II.2)) mais comporte des marches. En 2004, quelques mois après la publication de Novoselov et Geim sur l'isolement et les mesures électriques du graphène exfolié, le groupe Georgia Tech de Walt De Heer démontre l'acquisition d'une monocouche de graphène sur silicium face au SiC et la transmission des mesures de cette couche. , en particulier l'effet Hall quantique à température ambiante, caractéristique du graphène monocouche [Berger04].
Problématique de notre étude
C'est pourquoi notre étude s'est principalement portée sur la sublimation du SiC côté silicium, qui permet d'obtenir moins de couches de graphène et une surface moins rugueuse [Kedzierski08]. Lors de la sublimation du SiC, le nombre de couches de graphène obtenues n'est pas visible en microscopie conventionnelle comme le microscope optique ou l'AFM4.
2 Description de la méthode
- Mécanisme de rétractation des marches
- Croissance
- Face silicium
- Face carbone
- Dopage
- Reconstruction de surface
- Face silicium
- Face carbone
- Particularité de la croissance sur face silicium : la couche tampon
- Principales différences
L'image montre le substrat SiC en bas, la couche tampon et deux couches de graphène. La technique démontre que les atomes de carbone dans la couche tampon ont deux environnements différents.
3 Résultats expérimentaux
Influence des différents paramètres sur la morphologie de surface
- Influence de la température
- Recuit d’une heure
- Recuit de cinq heures
- Essai d’obtention d’une surface moins rugueuse
- Influence du temps de recuit
- Influence de l’environnement
- Sublimation sous argon
- Sublimation sous HCl
La présence de graphène est démontrée par spectroscopie Raman de recuit en cinq points. Un recuit de cinq heures conduit à la formation de graphène à la surface du substrat SiC, comme en témoigne la spectroscopie Raman.
HCl Graphène: NONHClGraphène: NON
Etude de la surface en AFM UHV
Par ailleurs, la hauteur de cette rugosité dans nos échantillons apparaît être de l'ordre de 0,4 nm, ce qui correspond aux valeurs obtenues par Luxmi. Bien entendu cela dépend des informations requises car il est important de noter le temps nécessaire pour réaliser de telles images sous ultra vide (14 heures.
Graphénisation de carbure de silicium épitaxié sur silicium
- Etat de l’art
- Résultats et discussion
La surface du SiC épitaxial n’est pas aussi plate que la surface du SiC massif. Comme on peut le voir sur la figure II.25, ce recuit n'a aucun effet sur la surface du SiC.
4 Conclusion du chapitre
Emtsev, Interakcija Growth and Ordering of Epitaxial Graphene On SiC(0001) Surfaces: A Comparative Photoelectron Spectroscopy Study, Physical Review B. Hupalo, Growth Mechanism for Epitaxial Graphene on Vicinal 6H-SiC(0001) surfaces A scanning tunneling microscopy Study, Physical Review B.
DETERMINATION DU NOMBRE DE COUCHES DE GRAPHENE
Nous avons donc dû mesurer le nombre de couches de graphène à plusieurs endroits de l’échantillon ou, au mieux, cartographier l’échantillon. Durant ces trois années de recherche, nous avons donc tenté d'établir une méthode permettant de mesurer avec précision le nombre de couches sur toute la surface de l'échantillon.
2 Spectroscopie Raman
Principe
Ce pic est souvent observé sur du graphène épitaxié sur SiC lui-même épitaxié sur silicium. Le pic D est également du second ordre, impliquant un phonon et un défaut.
Graphène exfolié
Le pic G est le seul pic issu de la diffusion Raman de premier ordre. Pour les stacks, le pic 2D se décompose en plusieurs Lorentziens (par exemple 4 pour la bicouche Graphène).
Graphène épitaxié
En revanche, le pic 2D se déplace en énergie en fonction du nombre de couches de graphène présentes (effet que l'on observe également sur la figure III.4). Selon Lee, la position du pic 2D augmente avec le nombre de couches, tandis que Rohrl dit le contraire [Lee08, Rohrl08].
3 Ellipsométrie
Principe
Analyse
Cette mesure rapide et non destructive de l'échantillon permet de détecter la présence de graphène dans le SiC. La croissance se faisant en terrasses (une terrasse fait plusieurs centaines de µm de large), l’épaisseur du graphène est uniforme sur une terrasse mais varie d’une terrasse à l’autre.
4 Microscope électronique à transmission
Cette méthode ne permet pas de cartographier l'échantillon qui serait nécessaire pour évaluer l'homogénéité de la couche.
5 Couplage XPEEM/KFM
- Présentation des deux méthodes
- Spectroscopie de photoélectrons
- Résumé des deux méthodes
- Motivation
- Analyse sur grande surface
- XPEEM
- Analyse sur rubans de graphène
- XPEEM
Mesure du débit de travail Par rapport à celui de la pointe Par rapport à celui de l'analyseur Résolution latérale. Le travail de sortie de la couche d'interface est inférieur à celui de la monocouche de graphène selon Hibino.
6 Conclusion
Lee08 D.S. Lee, Raman Spectra of Epitaxal Graphene on SiC and of epitaxial Graphene Transferred to SiO2, Nano Letters 8, 2008. Luxmi10 Luxmi, Formation of Epitaxial Graphene on SiC(0001) using Vacuum or Argon Environments, Journal of Vacuum Science Technology B, 28, 2010 Malard09 L.
FABRICATION ET PERFORMANCES D’UN TRANSISTOR A CANAL EN GRAPHENE
En effet, la mobilité mesurée dans le graphène dépasse toutes les mobilités mesurées dans les matériaux silicium, germanium ou III-V. Ce semi-conducteur à large bande interdite permet de découpler la conductivité dans le SiC et la conductivité dans le graphène.
2 Mesure de la mobilité électronique par effet Hall
Pour extraire la valeur de la densité de porteurs présente dans le graphène, nous utilisons la relation suivante. Lors de la mesure de la résistance horizontalement, la mobilité du support est éliminée par la formule.
3 Report de couches de graphène sur couche isolante
Transfert via collage moléculaire
- Principe
- Gravure isotrope du SiC
- Transfert
Pour évaluer la sélectivité de la gravure vis-à-vis du graphène, des rubans de graphène sont dessinés. Le ruban de graphène après gravure SiC est représenté sur les figures IV.5a et IV.5b.
Transfert avec utilisation de BPSG (Boro-Phospho-Silicate Glass)
- Principe
- Résultats
Des purifications assez agressives (CARO et SC1) sont réalisées pour nettoyer le graphène avant dépôt. Malgré des astuces (plasma, nettoyage) pour améliorer la liaison entre le graphène et l'oxyde déposé, l'étape CMP arrache l'oxyde et le graphène.
4 Intégration du transistor
- Etat de l’art
- Les équipements disponibles
- Le procédé lift-off
- Schémas d’intégration
- Intégration 2
- Les étapes difficiles
Les dépôts d'oxyde de silicium issus du PECVD ne sont pas utilisés afin de ne pas détruire le graphène. Pour la plupart des échantillons, nous avons décidé de structurer l’oxyde de grille en utilisant un procédé lift-off.
5 Les étapes technologiques
Les croix d’alignement
Les canaux de graphène
Il semblerait ainsi que les atomes de fluor traversent la résine jusqu'à atteindre le graphène ou que la contamination se fasse par les vides jusqu'à atteindre le centre de la structure. Il semble difficile de croire que des atomes d’oxygène traversent la résine lors de la gravure car la résine est épaisse et le temps de gravure est court.
Le dépôt de diélectrique
De plus, l’analyse XPS ne permet pas de savoir si les atomes d’oxygène ou de fluor forment des liaisons avec le carbone du graphène ou si les atomes s’intercalent entre les plaques. La mesure du canal donne une largeur d'environ 160 nm, indiquant une gravure latérale du graphène.
FMNT
- Dépôt du diélectrique suivi d’un lift-off
- Dépôt du diélectrique suivi d’une gravure
- La grille
- Grille Ti/Au
- La reprise de contact
Sur la base de ces résultats, il semble évident qu’un léger plasma d’oxygène doit se produire avant le dépôt d’alumine. Par conséquent, l’alumine ou HfO2 a été déposée par ALD sans prétraitement spécial.
6 Caractérisation électrique
Particularités observées
Le point de Dirac habituellement observé autour de VG=0V est décalé vers des valeurs négatives de VG. A chaque mesure, l'ID actuel diminue et le point de Dirac se déplace vers des valeurs négatives de VG.
Performance
Le fait que les performances se dégradent à chaque mesure confirme l’effet du diélectrique sur le graphène. Dès sa formation, le graphène est sorti du four et donc rejeté dans l’air.
Influence du recuit sur les performances
L'ordonnée au début de la courbe tracée sur la figure IV.28 donne la valeur de la résistance de contact entre le graphène et le métal. En effet, la mesure de la résistance de couche pour le graphène seul ne montre aucun effet de recuit.
7 Conclusion
Meric RF Performance of top-gated, zero-band gap graphene field-effect transistors, International Electron Devices Meeting, 2008. Wu, Top-gated graphene field-effect-transistors dannet ved nedbrydning af SiC, Applied Physics Letters 92, 2008.
Conclusion
Une fois une couche homogène obtenue, il faudra s’attacher à réduire le nombre de couches vers du graphène monocouche ou bicouche. Le but est de greffer les molécules sur le feuillet de graphène après sa croissance sur SiC.
Integration of transistors with epitaxial graphene channel using a CMOS- like technology