EP1800350A2 - Procede de realisation d'heterostructures resonnantes a transport planaire - Google Patents

Procede de realisation d'heterostructures resonnantes a transport planaire

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Publication number
EP1800350A2
EP1800350A2 EP05810775A EP05810775A EP1800350A2 EP 1800350 A2 EP1800350 A2 EP 1800350A2 EP 05810775 A EP05810775 A EP 05810775A EP 05810775 A EP05810775 A EP 05810775A EP 1800350 A2 EP1800350 A2 EP 1800350A2
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EP
European Patent Office
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network
layer
transport layer
period
transport
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05810775A
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German (de)
English (en)
Inventor
Joël EYMERY
Pascal Gentile
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L29/882—Resonant tunneling diodes, i.e. RTD, RTBD
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/30—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface
    • H01L29/32—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface the imperfections being within the semiconductor body

Definitions

  • Electron resonant transport structures very often use geometries obtained by alternating layers of different physical properties.
  • These layers are obtained, for example, by growths or successive treatments or plies of layers along the normal to the sample, as well for two-dimensional type structures as along unidimensional structures of wire type.
  • such structures implement materials that differ from each other in their bandgap widths.
  • micro or nano defects ordered in a crystal are used to produce resonant electron transport devices in a planar or longitudinal geometry.
  • the invention relates to an electron transport device comprising:
  • At least one transport layer in which at least one periodic network of dislocations and / or defects is produced at least one transport layer in which at least one periodic network of dislocations and / or defects is produced
  • Such a device has one or more resonances during the transfer of electrons in the transport layer.
  • At least part of the dislocations may be decorated by electric charges and / or chemical species.
  • a network of dislocations can be arranged in square or rectangle, or hexagonally or more generally according to the symmetry imposed by the interactions between these dislocations.
  • the fault network may also be at least partly of the type of irradiation and / or implantation defects.
  • Means of electrical contact with the transport layer may be provided.
  • the guide means comprise an insulating or weakly conductive layer on which the transport layer is disposed.
  • Means may further be provided for applying and / or measuring an electric and / or magnetic field in the transport layer.
  • the transport layer may be in the form of at least one elongated zone in a first direction, wherein the periodic network has a first period.
  • It may further comprise at least a second elongate zone in a second direction, advantageously different from the first direction, according to which the periodic network has a second period, which may or may not be different from the first one.
  • Different resonances are thus obtained in the different electron propagation directions, defined by the directions of the elongated zones.
  • a second transport layer can be realized.
  • the second transport layer may also be a dislocation network and / or defects. It is possible to produce two or more superimposed layers, with a network in each layer, the dislocations and / or defects may or may not be shifted, the network geometries may be identical or different. Such a stack makes it possible to increase the cross section of interaction between the electrons and the defects.
  • Each transport layer may have a thickness of between 1 nm and 1 ⁇ m.
  • the transport network is made in the superficial layer of an SOI structure, or a semiconductor-on-insulator type structure, the insulating layer being able to be used as a guiding layer.
  • the invention also relates to a diode with negative differential resistance, comprising a device according to the invention, as described above.
  • the invention also relates to a method for producing micro- or nanostructures by a technique which ensures good control of the distances and the modification of a crystalline material called "matrix", having few intrinsic defects.
  • the invention also relates to a method for producing an electron transport device, comprising:
  • a transport layer the formation of electron guiding means in the plane of said transport layer.
  • the network may be of the type comprising at least one dislocation network, the method further comprising a step of decorating at least part of the dislocations with electric charges and / or chemical species.
  • the network can be obtained from a bonding step of two crystalline materials and / or implantation and / or irradiation.
  • a step of forming electrical contact means with the layer may further be performed.
  • the step of forming the guide means preferably comprises a step of forming an insulating or weakly conductive layer on which the transport layer is disposed.
  • FIGS. 1A-3 represent various aspects of a device according to the invention
  • FIGS. 4A-4B represent dislocation networks
  • FIGS. 5A-5C represent networks of irradiation defects
  • FIG. 6 represents an application of a device according to the invention
  • FIGS. 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B illustrate other examples of applications of devices according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
  • FIG. 1 A first embodiment of the invention is illustrated in FIG. 1
  • a first layer 6 is realized a periodic network of dislocations and / or defects, through which the electron transport takes place, the periodicity of the network conferring on this transport a resonant character.
  • the network may be periodic in one or two dimensions.
  • This network is for example made as explained in WO 99/05711 or in WO 02/054466.
  • the network can be made by bonding by contacting a face of a first wafer of crystalline material with a face of a second wafer of crystalline material, so that the crystal lattices presented by said faces present at least a detuning parameter capable of allowing the formation of a lattice of crystalline defects and / or a network of stresses within a crystalline zone extending on either side of the interface of the two platelets, least one of said networks defining the micro- or nanostructure.
  • the detuning parameter can be constituted by a determined angle of rotation offset of the crystal lattices presented by the two faces, and / or by a difference in crystal lattice parameter between the crystalline materials of the faces of the platelets contacted and / or determined angle according to which the face of at least one of the platelets is offset with respect to the single crystallographic plane of direction corresponding to this face.
  • the contacting of the faces may be hydrophobic or hydrophilic type.
  • a heat treatment step optionally makes it possible to complete the formation of the network of defects and / or stresses, and allows a reinforcement of the inter-atomic bonds between the faces of the wafers put in contact.
  • a pitch network of between, for example, a few nanometers and a few tens or hundreds of nanometers or a few micrometers, for example between 1 nm and 50 nm or 100 nm or 500 nm or 1 ⁇ m or 20 ⁇ m. .
  • the bonding of identical or different materials can be used to define the nature and pitch of dislocations.
  • the use of bonding multilayers is possible to increase the cross section of interaction of electrons with defects. For example, one can superimpose two layers - one of thickness about 10 nm and the other thickness of 20 nm or 100 nm - on a layer of SiO 2 . The more defects there are, the greater the probability of the electrons encountering these defects and therefore of seeing their transport changed.
  • a bond Si (001) / Si (001) will give a square array (as illustrated in FIG. 4A) of dislocations whereas a bonding Si (111) / Si (011) will give a hexagonal array (as illustrated on FIG. Figure 4B). If the materials are of different natures, the network will be rather rectangular.
  • irradiation and / or implantation methods that is to say exposure to radiation (electrons and / or ions) which induce defects (gaps and / or interstitial defects) in the material 6 in which the transport takes place, either directly if the size of the probe is sufficiently small, or through a mask.
  • the defects provided may have a passive and / or active nature with respect to the transport phenomenon.
  • dislocations For example, one can have a phenomenon of diffusion or diffraction of the charge carriers on these linear defects, but one can also bring additional charges (electrons or holes) which can contribute directly to the transport.
  • the character donor or acceptor of electron is defined by the nature of the defect, possibly by its decoration by elements and / or voluntarily added particles or captured in a spontaneous way.
  • the electrons are confined in a plane layer, restricted in thickness around the network to promote interactions between these two entities.
  • the transport is thus guided so that the interaction conditions are forced in the plane of the layer 6 containing the defects.
  • the matrix with its micro- or nanostructures is thus separated from the substrate by a layer or barrier 4, insulating or weakly conductive relative to the conductivity of the layer 6 so that the majority of the current flows. in this layer 6.
  • An SOI component comprising a substrate, a thin insulating layer (for example of SiO2 oxide) and a thin layer of semiconductor material, in particular of silicon, is suitable for producing a device according to the invention.
  • a thin insulating layer for example of SiO2 oxide
  • a thin layer of semiconductor material in particular of silicon
  • the transport layer 6 has a thickness of, for example, between a few nm and 100 nm or a few hundreds of nm, for example between 1 nm or 5 nm and 100 or 200 nm or 500 nm or 1 ⁇ m.
  • contacts 8, 10 can be made on the active layer 6, for example by metal deposits, to ensure lateral conduction of the charges in the layer. 6.
  • the pads 8, 10 may be arranged on the layer 6 (FIG. 2), and no longer on either side as in FIG. 1B.
  • the pads 8, 10 may be placed partially in the layer 6, and partially above the level or the upper surface of the layer.
  • the combination of the two layers and the contacts may rest on a substrate 2.
  • a lithography and an etching of the layer 6 may also be carried out and used to define in the plane of this same layer 6 one or more relative direction (s). (s) transport. It is thus possible to define transport belts, possibly of different orientations, from the plane of the layer 6.
  • a confinement layer 4 may be used in combination with the definition of transport bands in the plane of the layer 6 containing the network.
  • the network of dislocations and / or defects may be square, as illustrated in Figure 4A, or hexagonal, as shown in Figure 4B. These forms are only examples and the defects and / or dislocation can be distributed according to other geometric shapes, in particular rectangles.
  • FIGS. 4A and 4B also show decorations of dislocation lines made by electric charges and / or chemical species 12, 14, 16, 18. As shown in FIG. 4A, the pitch or the period of the same network seen following two different directions Dl and D2 is not the same.
  • FIGS. 5A to 5C show defect networks produced by irradiation and / or implantation, having a shape of pads (FIG. 5A) or strips parallel to each other (FIG. 5B) or intersecting (FIG. 5C). In the latter case, the bands are represented as being crossed orthogonally, but this is not always the case.
  • the layer 6 may be used in combination with grids 20, 22 for applying an electric field (FIG. 6) which makes it possible to modulate the transport properties of the charges moving in the layer. 6.
  • These grids are preferably closer to the band.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate the case of a layer 6 in which a network of defects and / or dislocations has been realized as explained above.
  • Each of these strips defines a main direction of propagation of the charges, between on the one hand a stud 80 and on the other hand one of the three studs 82, 84, 86.
  • FIG. 7A can illustrate, for example, a case of a dislocation network formed by molecular bonding of two crystalline semiconductor materials of different natures.
  • FIG. 7B may illustrate, for example, another case of a dislocation network formed by molecular bonding of two identical crystalline semiconductor materials, for example, Si (001) / Si (001) bonding.
  • a step or a specific period is associated with each direction, and therefore with each band 60, 62, 64 as explained above with reference to FIG. 4A.
  • the pitch or the period of the band 60 is different from the pitch or the period seen in the band 62, which is different from the pitch or the period seen in the band 64.
  • the latter could be equal to the pitch of the band 60. More generally it is possible to produce a structure comprising at least two bands having different directions, two of the bands having two identical pitch.
  • the modulation of the currents in the three, or n, bands gives information on the directions and the intensities of these fields.
  • the field or fields may be of any direction relative to the plane of the bands, here the plane of the figure.
  • the band only gives access to the component of the projected field on this band.
  • the band is in the plane of the bands, two bands are enough to define it completely.
  • FIGS. 8A and 9A there will be voltage-current curves having the shape shown respectively in FIGS. 8B and 9B.
  • the period of the grating and the guidance of the charges (of the electrons) result in the appearance of a resonance which results in a peak in the current curve (I) - voltage (V).
  • the current and the voltage are measured between the pads 8, 10.
  • the diffusion and / or diffraction on the periodic defects of the created network can also be used to realize diode type structures having negative differential resistances. It can be arranged that the curve I (v) of the device of the invention is that of a diode. It is therefore the device itself which constitutes the diode.
  • the peak / valley ratio of an I / V characteristic of such a diode can then be adjusted by the period and the number of periods of the defects seen by the electrons. Again, in this application, several peaks can also be superimposed on an I / V curve, from the same network of dislocations, by fixing the direction of the transport path, or by changing the pitch of the masks with an irradiation technique. .
  • the application of a magnetic or electric field may change the conditions of transport in these materials.
  • the direction of the field can be any, as already explained above. It can be intentional, fixed for example by the voltages applied to the terminals 8, 10 or coming from the outside medium (this is for example the case for an application to a sensor).
  • the regularity of the network and the guidance in the zone containing dislocations are advantageously used: the carriers thus have different mobilities according to the directions since the probability for them to meet the networks is different according to the direction.
  • This dependence can be used to produce a magnetic field sensor sensitive to the direction of the field: indeed, the variation of the current or the voltage in the plane of the network, or in a guide band, is related to the direction and the intensity of the applied field E and / or H.
  • Means may be provided for measuring a variation of a reference current flowing in the layer, or in one or more guide strips, when applying an electric and / or magnetic field.
  • there may be provided means for measuring the voltage generated in said layer.
  • the invention offers an ease of implementation because it requires only a few technological steps: a molecular bonding or the use of a technique of irradiation and / or implantation through mask with the ions. It does not implement elaborate deposition techniques (trench filling, complex patterns ).
  • An exemplary embodiment relates to a device that uses the diffusion or diffraction of electrons by a network of dislocations of a thin layer 6 obtained by molecular bonding, this layer being separated from the support 2 by an oxide layer 4 (SiO 2 ) .
  • the bonded layer is made from an SOI substrate (001) according to the technique described in the document WO 02/054466.
  • a square array of regular, coherent screw dislocations is achieved over large distances (for example with a pitch of 22 nm).
  • the network of identical dislocations has a well controlled step
  • Thinning of the bonded layer 6, for example at 10 nm, can be carried out. Then lithography of strips parallel to one of the sides of the square formed by the lines of dislocations is carried out.
  • the width of the lithographed lines will correspond to a few sides of the square (for example 50 nm, which corresponds to about 2 periods), while the length will be larger (for example 1 micron, that is to say 50 periods).
  • Different orientations of the lithography pattern with respect to the dislocation network can be used to modulate the expected resonance effects.
  • the defect zones result from localized irradiation with electrons ( ⁇ 50 keV) or localized implantation by He ions ( ⁇ 2 MeV) in an SOI structure.
  • the location of the irradiation or implantation can be done by means of masks.
  • the sizes and the spacing of the patterns will then be greater, given the technological constraints of producing the mask.
  • Each pattern of the mask defines a zone of irradiation or implantation defects, the density of defects in each zone being fixed by the conditions (dose, energy, selected elements, etc.) of implantation. by irradiation. Structures obtained by these techniques are illustrated in FIGS. 5A-5C.
  • the invention it is also possible to produce two or more superimposed layers, with a network in each layer, whose dislocations and / or defects may or may not be shifted, the geometries of the networks may be identical or different.
  • a stack makes it possible to increase the cross section of interaction between the electrons and the defects.
  • the realization of such a stack can be obtained by successive collages. Or, a first network is obtained by gluing and a second is obtained by irradiation.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de transport d'électrons, comportant : au moins une couche (6) de transport dans laquelle est réalisé au moins un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts, des moyens (4) de guidage des électrons dans ladite couche de transport.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'HETEROSTRUCTtJRES RESONNANTES A
TRANSPORT PLANAIRE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQtJE ET ART ANTERIEtJR
Les structures de transport résonnant d'électrons utilisent très souvent des géométries obtenues par des alternances de couches de propriétés physiques différentes.
Ces couches sont obtenues, par exemple, par des croissances ou des traitements successifs ou des reports de couches le long de la normale à l'échantillon, aussi bien pour des structures de type bidimensionnel que le long de structures unidimensionnelles de type fil.
Il en est ainsi pour toute la famille des diodes tunnel qui utilisent des transitions entre bandes électroniques ou des résonances entre des barrières tunnel.
Dans le domaine des semi-conducteurs, de telles structures mettent en œuvre des matériaux qui diffèrent entre eux par leurs largeurs de bandes interdites .
Mais ces techniques conduisent aussi à la création d'interfaces, ainsi que d'imperfections structurales non contrôlées ou d'hétérogénéités, du fait des défauts induits par les techniques de lithographie et de gravure utilisées pour réaliser de tels composants. Ces défauts peuvent induire des états d' interface ou de volume néfastes aux propriétés de conduction.
Il se pose donc le problème de trouver une structure de transport ou de conduction d'électrons ne présentant pas ces problèmes.
Il se pose également le problème de trouver des dispositifs permettant de caractériser un champ électrique et/ou magnétique.
EXPOSÉ DE I/ INVENTION
Selon l'invention, on utilise des micro ou nano défauts ordonnés dans un cristal pour réaliser des dispositifs de transport résonnants d'électrons dans une géométrie planaire ou longitudinale.
L'invention concerne un dispositif de transport d'électrons, comportant :
- au moins une couche de transport dans laquelle est réalisé au moins un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts,
- des moyens de guidage des électrons dans un plan de ladite couche de transport.
Un tel dispositif présente une ou plusieurs résonances lors du transfert des électrons dans la couche de transport.
Dans le cas d'un réseau de dislocations, au moins une partie des dislocations peuvent être décorées par des charges électriques et/ou des espèces chimiques .
Un réseau de dislocations peut être disposé en carré ou en rectangle, ou de manière hexagonale ou plus généralement selon la symétrie imposée par les interactions entre ces dislocations.
Le réseau de défauts peut aussi être, au moins en partie, du type défauts d'irradiation et/ou d'implantation.
Des moyens de contact électrique avec la couche de transport peuvent être prévus.
Selon un mode de réalisation, les moyens de guidage comportent une couche isolante, ou faiblement conductrice, sur laquelle la couche de transport est disposée.
Des moyens peuvent en outre être prévus pour appliquer et/ou mesurer un champ électrique et/ou magnétique dans la couche de transport. La couche de transport peut avoir la forme d'au moins une zone allongée suivant une première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une première période.
Elle peut en outre comporter au moins une deuxième zone allongée suivant une deuxième direction, avantageusement différente de la première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une deuxième période, qui peut être ou non différente de la première. On obtient alors des résonances différentes dans les différentes directions de propagation des électrons, définies par les directions des zones allongées .
Une deuxième couche de transport peut être réalisée. La deuxième couche de transport peut être également à réseau de dislocations et/ou de défauts. II est possible de réaliser deux ou plusieurs couches superposées, avec un réseau dans chaque couche, dont les dislocations et/ou les défauts peuvent être, ou non, décalés, les géométries des réseaux pouvant être identiques ou différentes. Un tel empilement permet d' augmenter la section efficace d'interaction entre les électrons et les défauts.
Chaque couche de transport peut avoir une épaisseur comprise entre 1 nm et 1 μm. Avantageusement, le réseau de transport est réalisé dans la couche superficielle d'une structure SOI, ou d'une structure de type semi-conducteur sur isolant, la couche d'isolant pouvant être utilisée comme couche de guidage. L'invention concerne également une diode à résistance différentielle négative, comportant un dispositif selon l'invention, tel que décrit ci-dessus.
L'invention concerne également un procédé de réalisation de micro- ou nanostructures par une technique qui assure un bon contrôle des distances et de la modification d'un matériau cristallin dit «matrice», possédant peu de défauts intrinsèques.
Celui-ci peut être constitué de plusieurs couches . L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif de transport d'électrons, comportant :
- la formation d' au moins un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts dans une couche, dite couche de transport, - la formation de moyens de guidage des électrons dans le plan de ladite couche de transport.
Le réseau peut être du type comportant au moins un réseau de dislocations, le procédé comportant en outre une étape de décoration d' au moins une partie des dislocations par des charges électriques et/ou des espèces chimiques.
Le réseau peut être obtenu à partir d'une étape de collage de deux matériaux cristallins et/ou d'implantation et/ou d'irradiation.
Une étape de formation de moyens de contact électrique avec la couche peut en outre être réalisée.
L'étape de formation des moyens de guidage comporte de préférence une étape de formation d'une couche isolante ou faiblement conductrice sur laquelle la couche de transport est disposée.
BREVE DESCRIPTION DES FIGtJRES
- Les figures IA - 3 représentent différents aspects d'un dispositif selon l'invention, - les figures 4A - 4B représentent des réseaux de dislocations,
- les figures 5A - 5C représentent des réseaux de défauts d'irradiation,
- la figure 6 représente une application d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B illustrent d' autres exemples d' applications de dispositifs selon l'invention. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L' INVENTION
Un premier mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure IA.
Dans une première couche 6 est réalisé un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts, au travers duquel le transport d'électrons s'effectue, la périodicité du réseau conférant à ce transport un caractère résonnant.
Le réseau peut être périodique à une ou deux dimensions.
Ce réseau est par exemple réalisé comme expliqué dans le document WO 99/05711 ou dans le document WO 02/054466.
Ainsi, le réseau peut être réalisé par collage par mise en contact d'une face d'une première plaquette en matériau cristallin avec une face d'une deuxième plaquette en matériau cristallin, de façon que les réseaux cristallins présentés par lesdites faces présentent au moins un paramètre de désaccord apte à permettre la formation d'un réseau de défauts cristallins et/ou d'un réseau de contraintes au sein d'une zone cristalline s' étendant de part et d'autre de l'interface des deux plaquettes, au moins l'un desdits réseaux définissant la micro- ou la nanostructure. Le paramètre de désaccord peut être constitué par un angle déterminé de décalage en rotation des réseaux cristallins présentés par les deux faces, et/ou par une différence de paramètre de maille cristalline entre les matériaux cristallins des faces des plaquettes mises en contact et/ou encore par un angle déterminé selon lequel la face d' au moins une des plaquettes est décalée par rapport au plan cristallographique simple de direction correspondant à cette face.
La mise en contact des faces peut être de type hydrophobe ou hydrophile.
Une étape de traitement thermique permet éventuellement de compléter la formation du réseau de défauts et/ou de contraintes, et permet un renforcement des liaisons inter-atomiques entre les faces des plaquettes mises en contact.
Il est ainsi possible d'obtenir un réseau de pas compris entre, par exemple, quelques nanomètres et quelques dizaines ou centaines de nanomètres ou quelques micromètres, par exemple entre 1 nm et 50 nm ou 100 nm ou 500 nm ou 1 μm ou 20 μm.
D'autres détails relatifs à la réalisation de ce type de réseaux peuvent être trouvés dans les deux documents référencés ci-dessus.
Pour réaliser des micro- ou nanostructures, il est donc possible d'utiliser le collage moléculaire pour obtenir des réseaux de dislocations qui pourront éventuellement être décorés par d'autres espèces chimiques ou des cavités.
Le collage de matériaux identiques ou différents (nature chimique et/ou orientation cristallographique) est utilisable pour définir la nature et le pas des dislocations. L'utilisation de multicouches de collage est possible pour augmenter la section efficace d' interaction des électrons avec les défauts. Par exemple, on peut superposer deux couches - dont l'une d'épaisseur environ 10 nm et l'autre d'épaisseur 20 nm ou 100 nm - sur une couche de SiO2. Plus il y a de défauts, plus grande est la probabilité pour les électrons de rencontrer ces défauts et donc de voir leur transport modifié.
Par exemple, un collage Si (001) /Si (001) donnera un réseau carré (comme illustré sur la figure 4A) de dislocations alors qu'un collage Si (111) /Si (011) donnera un réseau hexagonal (comme illustré sur la figure 4B) . Si les matériaux sont de natures différentes, le réseau sera plutôt rectangulaire.
En variante ou en combinaison avec la technique précédente, il est également possible d'utiliser des méthodes d'irradiation et/ou d'implantation, c'est-à-dire d'exposition à des rayonnements (électrons et/ou ions) qui induisent des défauts (lacunes et/ou défauts interstitiels) dans le matériau 6 dans lequel a lieu le transport, soit directement si la taille de la sonde est suffisamment petite, soit au travers d'un masque.
Les défauts apportés peuvent avoir une nature passive et/ou active par rapport au phénomène de transport.
Par exemple, pour des dislocations, on peut avoir un phénomène de diffusion ou de diffraction des porteurs de charge sur ces défauts linéaires, mais on peut apporter aussi des charges supplémentaires (électrons ou trous) qui peuvent contribuer directement au transport. Le caractère donneur ou accepteur d'électron est défini par la nature du défaut, éventuellement par sa décoration par des éléments et/ou des particules ajoutés volontairement ou capturés d'une façon spontanée.
Quel que soit le mode de réalisation, on confine les électrons dans une couche plane, restreinte en épaisseur autour du réseau afin de favoriser les interactions entre ces deux entités. Le transport est donc guidé pour que les conditions d' interaction soient forcées dans le plan de la couche 6 contenant les défauts.
Selon le mode de réalisation de la figure IA, la matrice avec ses micro- ou nanostructures est ainsi séparée du substrat par une couche ou barrière 4, isolante ou faiblement conductrice par rapport à la conductivité de la couche 6 afin que la majorité du courant circule dans cette couche 6.
Un composant de type SOI, comportant un substrat, une fine couche isolante (par exemple d'oxyde SiO2) et une fine couche de matériau semi-conducteur, en particulier en silicium, convient à la réalisation d'un dispositif selon l'invention.
On pourra prévoir également, lorsque le réseau est obtenu par collage, d'amincir une des plaques pour limiter l'épaisseur de la couche 6. Cet amincissement peut mettre en œuvre une étape de rectification, d'abrasion mécanique ou chimique, ou de clivage. Dans ce dernier cas, l'une des faces peut par exemple avoir été préalablement soumise à une implantation ionique pour former un plan de clivage. La couche 6 de transport a une épaisseur comprise par exemple entre quelques nm et 100 nm ou quelques centaines de nm, par exemple entre 1 nm ou 5 nm et 100 ou 200 nm ou 500 nm ou 1 μm. Comme illustré sur la figure IB, qui est une vue de côté du dispositif de la figure IA, des contacts 8, 10 peuvent être réalisés sur la couche active 6, par exemple par dépôts métalliques, pour assurer la conduction latérale des charges dans la couche 6.
Selon une variante, les plots 8, 10 peuvent être disposés sur la couche 6 (figure 2), et non plus de part et d'autre comme sur la figure IB.
Selon encore une autre variante (figure 3) , les plots 8, 10 peuvent être disposés partiellement dans la couche 6, et partiellement au-dessus du niveau ou de la surface supérieure de la couche.
L'ensemble des deux couches et des contacts peut reposer sur un substrat 2. Une lithographie et une gravure de la couche 6 peuvent en outre être réalisées et utilisées pour définir dans le plan de cette même couche 6 une ou plusieurs direction (s) relative (s) de transport. On peut ainsi définir des bandes de transport, éventuellement d'orientations différentes, à partir du plan de la couche 6.
Ainsi on peut définir des axes 60, 62, 64 de déplacement des charges, comme illustré sur les figures 7A et 7B, qui seront commentées plus loin. Cet effet peut être utilisé pour moduler les effets de résonance, en ce sens que les porteurs pourront parcourir des longueurs différentes avant d' interagir avec un défaut si on trace des bandes d' orientations différentes par rapport au motif du réseau, comme expliqué ci-dessous en liaison avec les figures 4A et 4B.
Une couche 4 de confinement peut être utilisée en combinaison avec la définition de bandes de transport dans le plan de la couche 6 contenant le réseau. Le réseau de dislocations et/ou de défauts peut être carré, comme illustré sur la figure 4A, ou hexagonal, comme illustré sur la figure 4B. Ces formes ne sont que des exemples et les défauts et/ou dislocation peuvent être répartis selon d' autres formes géométriques, en particulier des rectangles.
Sur les figures 4A et 4B sont également représentées des décorations de lignes de dislocations réalisées par des charges électriques et/ou des espèces chimiques 12, 14, 16, 18. Comme représenté sur la figure 4A, le pas ou la période d'un même réseau vu suivant deux directions différentes Dl et D2 n'est pas le même.
Si des charges se déplacent essentiellement suivant la direction Dl, elles ne verront donc pas le même pas ou la même période que si elles se déplacent suivant la direction D2. La variation du pas du motif en fonction de la direction de propagation pourrait aussi être constatée dans tout autre type de réseau, par exemple dans le cas de la structure de la figure 4B. Les figures 5A à 5C représentent des réseaux de défauts réalisés par irradiation et/ou implantation, ayant une forme de plots (figure 5A) ou de bandes parallèles entre elles (figure 5B) ou entrecroisées (figure 5C) . Dans ce dernier cas, les bandes sont représentées comme étant croisées de manière orthogonale, mais ce n'est pas toujours le cas. Là encore, le pas vu par les électrons, et donc les caractéristiques d'une résonance due au caractère périodique des défauts, sont fonction de la direction de propagation des électrons.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, la couche 6 peut être utilisée en combinaison avec des grilles 20, 22 d'application d'un champ électrique (figure 6) qui permet de moduler les propriétés de transport des charges se déplaçant dans la couche 6. De préférence, ces grilles sont au plus près de la bande.
Les figures 7A et 7B illustrent le cas d'une couche 6 dans laquelle un réseau de défauts et/ou de dislocations a été réalisé comme expliqué ci-dessus.
En outre 3 bandes 60, 62, 64 ont été gravées dans la couche 6.
Chacune de ces bandes définit une direction principale de propagation des charges, entre d'une part un plot 80 et d'autre part un des trois plots 82, 84, 86.
La figure 7A peut illustrer par exemple un cas d'un réseau de dislocations formé par collage moléculaire de deux matériaux semi-conducteurs cristallins de natures différentes. La figure 7B peut illustrer, par exemple, un autre cas d'un réseau de dislocations formé par collage moléculaire de deux matériaux semi-conducteurs cristallins identiques, par exemple, un collage Si (001) /Si (001) .
Du fait des différentes directions de ces bandes, un pas ou une période spécifique est associé à chaque direction, donc à chaque bande 60, 62, 64 comme expliqué ci-dessus en liaison avec la figure 4A. Ainsi le pas ou la période de la bande 60 est différent du pas ou de la période vue dans la bande 62, qui est différent du pas ou de la période vue dans la bande 64.
Ce dernier pourrait être égal au pas de la bande 60. Plus généralement on peut réaliser une structure comportant au moins deux bandes ayant des directions différentes, deux des bandes ayant deux pas identiques .
Dans deux bandes de directions différentes, mais de pas identique, le transport des charges est le même lorsque aucun champ n'est appliqué. Par contre, en présence d'un champ magnétique et/ou électrique, le transport n'est plus identique dans les deux bandes. Par simple différence, par exemple entre les courants dans les deux branches, on peut détecter la présence d'un champ.
Dans le cas des figure 7A et 7B, trois mesures de courant ou de tension peuvent donc être effectuées, une pour chacune des trois bandes, avec des résonances différentes l'une de l'autre du fait de la différence de pas ou de période vue par les porteurs de charge dans chacune des bandes.
L'exemple de trois bandes a été donné, mais il pourrait s'agir aussi d'un nombre n quelconque de bandes (2 ou 4 ou n>4) .
Si le dispositif est soumis à un champ électrique et/ou magnétique, par exemple extérieur, à mesurer, la modulation des courants dans les trois, ou n, bandes, donne des informations sur les directions et les intensités de ces champs. Le ou les champs peuvent être de direction quelconque par rapport au plan des bandes, ici le plan de la figure.
Cependant la bande ne donne accès qu'à la composante du champ projetée sur cette bande. Par contre, si le champ est dans le plan des bandes, deux bandes suffisent pour le définir complètement.
Avantageusement, si on cherche à mesurer un champ B extérieur, on pourra prévoir des grilles (similaires aux grilles 20, 22 précédemment définies), pour mesurer le champ E crée dans la bande de transport, le champ B modifie en effet la répartition des charges à l'intérieur de cette bande.
Plus généralement, il est possible, selon l'invention, d'utiliser un changement de direction du motif gravé par rapport au réseau pour faire apparaître plusieurs résonances en fonction de l'application visée.
Par exemple, pour les structures des figures 8A et 9A, on aura des courbes tension - courant ayant la forme représentée respectivement sur les figures 8B et 9B. Dans le cas de la figure 8A, la période du réseau et le guidage des charges (des électrons) résulte en l'apparition d'une résonance qui se traduit par un pic dans la courbe courant (I) - tension (V) . Le courant et la tension sont mesurés entre les plots 8, 10.
Dans le cas de la figure 9A, les électrons vont se propager suivant deux directions successives différentes, et donc voir successivement, comme expliqué ci-dessus, des périodes différentes de réseau. Il en résulte l'apparition de deux pics de résonance dans la courbe I - V (figure 9B) . Là encore, le courant et la tension sont mesurés entre les plots 8, 10.
Plusieurs pics peuvent être superposés sur une courbe I/V, à partir du même réseau de dislocations, en fixant une direction variable du chemin de transport, ou des tronçons successifs de transport de direction variable. Il est également possible d'obtenir une variation de pas dans un réseau par irradiation en utilisant des masques pour localiser les zones irradiées.
La diffusion et/ou la diffraction sur les défauts périodiques du réseau créé peut aussi être utilisée pour réaliser des structures de type diode ayant des résistances différentielles négatives. On peut s'arranger pour que la courbe I (v) du dispositif de l'invention soit celle d'une diode. C'est donc le dispositif lui-même qui constitue la diode. Le rapport pic/vallée d'une caractéristique I/V d'une telle diode peut alors être ajusté grâce à la période et au nombre de périodes des défauts vus par les électrons. Là encore, dans cette application, plusieurs pics pourront aussi être superposés sur une courbe I/V, à partir du même réseau de dislocations, en fixant la direction du chemin de transport, ou en modifiant le pas des masques avec une technique d' irradiation.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, l'application d'un champ magnétique ou électrique, soit localement dans le voisinage de la micro- ou nanostructure, soit sur l'ensemble de la structure, pourra modifier les conditions de transport électrique dans ces matériaux. La direction du champ peut être quelconque, comme déjà expliqué ci-dessus. Elle peut être intentionnelle, fixée par exemple par les tensions appliquées aux bornes 8, 10 ou venir du milieu extérieur (c'est par exemple le cas pour une application à un capteur) .
On utilise ici, avantageusement, la régularité du réseau et le guidage dans la zone qui contient des dislocations : les porteurs ont ainsi des mobilités différentes selon les directions puisque la probabilité pour eux de rencontrer les réseaux est différente suivant la direction.
Cette dépendance peut être utilisée pour réaliser un capteur de champ magnétique sensible à la direction du champ : en effet, la variation du courant ou de la tension dans le plan du réseau, ou dans une bande de guidage, est en relation avec la direction et l'intensité du champ E et/ou H appliqué. Des moyens peuvent être prévus pour mesurer une variation d'un courant de référence circulant dans la couche, ou dans une ou plusieurs bandes de guidage, lors de l'application d'un champ électrique et/ou magnétique. En variante, on pourra prévoir des moyens pour mesurer la tension générée dans ladite couche. L'invention offre une facilité de réalisation car elle ne nécessite que peu d'étapes technologiques : un collage moléculaire ou l'emploi d'une technique d'irradiation et/ou d'implantation au travers de masque avec les ions. Elle ne met pas en œuvre de techniques de dépôt élaborées (remplissage de tranchées, motifs complexes...) .
Enfin, de grandes surfaces sont facilement réalisables grâce à l'invention (objet VLSI) .
Un exemple de réalisation concerne un dispositif qui utilise la diffusion ou la diffraction des électrons par un réseau de dislocations d'une couche mince 6 obtenue par collage moléculaire, cette couche étant séparée du support 2 par une couche d'oxyde 4 (SiO2) . La couche collée est réalisée à partir d'un substrat SOI (001) selon la technique décrite dans le document WO 02/054466.
Un réseau carré de dislocations vis, régulières et cohérente est réalisé sur de grandes distances (par exemple avec un pas de 22 nm) . Le réseau de dislocations identiques possède un pas bien contrôlé
(d'une façon générale de quelques nm à plusieurs microns) . Il peut être procédé à un amincissement de la couche 6 collée, par exemple à 10 nm. Puis il est procédé à la lithographie de bandes, parallèles à un des côtés du carré formé par les lignes de dislocations.
La largeur des lignes lithographiées correspondra à quelques côtés du carré (par exemple 50 nm, ce qui correspond à environ 2 périodes), alors que la longueur sera plus importante (par exemple 1 μm, c'est-à-dire 50 périodes) .
Différentes orientations du motif lithographie par rapport au réseau de dislocation peuvent être utilisées pour moduler les effets de résonance attendus.
L'application d'un champ magnétique et électrique dans une direction bien définie permettra aussi de moduler les propriétés de transport électronique.
Selon une variante de cet exemple, les zones de défauts résultent d'une irradiation localisée par des électrons (<50 keV) ou d'une implantation localisée par des ions He (<2 MeV) dans une structure SOI. La localisation de l'irradiation ou de l'implantation peut se faire au moyen de masques.
Les tailles et l'espacement des motifs seront alors plus importants, compte tenu des contraintes technologiques de la réalisation du masque.
(par exemple masque de motifs carrés d'environ 22 nm de côté) . Chaque motif du masque définit une zone de défauts d'irradiation ou d'implantation, la densité des défauts dans chaque zone étant fixée par les conditions (dose, énergie, éléments choisis... etc.) d'implantation par irradiation. Des structures obtenues par ces techniques sont illustrées en figures 5A - 5C.
Selon l'invention il est également possible de réaliser deux ou plusieurs couches superposées, avec un réseau dans chaque couche, dont les dislocations et/ou les défauts peuvent être, ou non, décalés, les géométries des réseaux pouvant être identiques ou différentes. Un tel empilement permet d'augmenter la section efficace d' interaction entre les électrons et les défauts. La réalisation d'un tel empilement peut être obtenue par collages successifs. Ou bien, un premier réseau est obtenu par collage et un deuxième est obtenu par irradiation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de transport d'électrons, comportant : - au moins une couche (6) de transport dans laquelle est réalisé au moins un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts,
- des moyens (4, 60, 62, 64, 70, 72) de guidage des électrons dans le plan de ladite couche de transport, la couche de transport ayant la forme d' au moins une zone allongée (60, 62, 64, 70, 72) suivant une première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une première période, et d'au moins une deuxième zone allongée suivant une deuxième direction, différente de la première, selon laquelle le réseau périodique présente une deuxième période, la deuxième période étant différente de la première.
2. Diode à résistance différentielle négative, comportant un dispositif selon la revendication 1.
3. Dispositif de caractérisation de champ électrique et/ou magnétique, comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 et des moyens de détection d'une variation de l'intensité d'un courant circulant dans la couche ou d'une tension générée dans cette couche.
4. Dispositif de caractérisation de champ électrique et/ou magnétique, comportant : un dispositif de transport d'électrons, comportant au moins une couche (6) de transport dans laquelle est réalisé au moins un réseau périodique de dislocations et/ou de défauts, ainsi que des moyens (4, 60, 62, 64, 70, 72) de guidage des électrons dans le plan de ladite couche de transport, le dispositif de caractérisation comprenant en outre : des moyens de détection d'une variation de l'intensité d'un courant circulant dans la couche ou d'une tension générée dans cette couche.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, du type comportant au moins un réseau de dislocations, au moins une partie des dislocations étant décorées par des charges électriques et/ou des espèces chimiques.
6. Dispositif selon la revendication 1 à 5, du type comportant au moins un réseau de dislocations disposées en carré ou en rectangle ou de manière hexagonale.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, du type comportant au moins un réseau de défauts d'irradiation et/ou d'implantation.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, comportant en outre des moyens (8, 10, 80, 82, 84, 86) de contact électrique avec la couche de transport (6) .
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, les moyens de guidage comportant une couche isolante (4) ou faiblement conductrice sur laquelle la couche de transport est disposée.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre des moyens (20) pour appliquer et/ou mesurer un champ électrique et/ou magnétique dans la couche de transport.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, comportant au moins une deuxième couche de transport à réseau de dislocations et/ou de défauts .
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, le réseau de transport étant réalisé dans la couche superficielle d'une structure SOI.
13. Dispositif selon la revendication 4, la couche de transport ayant la forme d'au moins une zone allongée (60, 62, 64, 70, 72) suivant une première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une première période.
14. Dispositif selon la revendication 13, la couche de transport comportant au moins une deuxième zone allongée suivant une deuxième direction, différente de la première, selon laquelle le réseau périodique présente une deuxième période.
15. Dispositif selon la revendication 14, la deuxième période étant différente de la première.
16. Procédé de réalisation d'un dispositif de transport d'électrons, comportant :
- la formation d' au moins un réseau de dislocations et/ou de défauts dans une couche, dite couche de transport, la formation du réseau comportant une étape de collage de deux matériaux cristallins, - la formation de moyens de guidage des électrons dans le plan de ladite couche de transport.
17. Procédé selon la revendication 16, l'étape de formation des moyens de guidage comportant une étape de formation d'au moins une zone allongée
(60, 62, 64, 70, 72) suivant une première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une première période, la réalisation d'au moins une deuxième zone allongée suivant une deuxième direction, différente de la première, selon laquelle le réseau périodique présente une deuxième période, la deuxième période étant différente de la première.
18. Procédé de réalisation d'un dispositif de transport d'électrons, comportant :
- la formation d' au moins un réseau de dislocations et/ou de défauts dans une couche, dite couche de transport,
- la formation de moyens de guidage des électrons dans le plan de ladite couche de transport, cette étape de formation des moyens de guidage comportant une étape de formation d'au moins une zone allongée (60, 62, 64, 70, 72) suivant une première direction, selon laquelle le réseau périodique présente une première période, et la réalisation d'au moins une deuxième zone allongée suivant une deuxième direction, différente de la première, selon laquelle le réseau périodique présente une deuxième période, la deuxième période étant différente de la première.
19. Procédé selon la revendication 16, 17 ou 18, les zones allongées étant réalisées par gravure de la couche de transport.
20. Procédé selon l'une des revendications 16 à 19, comportant en outre la formation d'au moins une deuxième couche de transport, à réseau de dislocations et/ou de défauts.
21. Procédé selon l'une des revendications 16 à 20, le réseau de transport étant réalisé dans la couche superficielle d'une structure SOI.
22. Procédé selon l'une des revendications 16 à 21, le réseau étant du type comportant au moins un réseau de dislocations, le procédé comportant en outre une étape de décoration d' au moins une partie des dislocations par des charges électriques et/ou des espèces chimiques.
23. Procédé selon l'une des revendications 16 à 22, la formation du réseau comportant une étape d'irradiation et/ou d'implantation.
24. Procédé selon l'une des revendications
16 à 23, comportant en outre une étape de formation de moyens de contact électrique avec la couche.
25. Procédé selon l'une des revendications 16 à 24, l'étape de formation des moyens de guidage comportant une étape de formation d'une couche isolante ou faiblement conductrice sur laquelle la couche de transport est disposée.
26. Procédé selon l'une des revendications
16 à 25, l'étape de formation des moyens de guidage comportant une étape d'amincissement.
27. Procédé selon l'une des revendications 18 à 26, dans lequel la formation du réseau comportant une étape de collage de deux matériaux cristallins.
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