EP2150995A2 - Transistor a effet de champ a nanotubes de carbone - Google Patents

Transistor a effet de champ a nanotubes de carbone

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Publication number
EP2150995A2
EP2150995A2 EP08805838A EP08805838A EP2150995A2 EP 2150995 A2 EP2150995 A2 EP 2150995A2 EP 08805838 A EP08805838 A EP 08805838A EP 08805838 A EP08805838 A EP 08805838A EP 2150995 A2 EP2150995 A2 EP 2150995A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanotubes
transistor
gate electrode
electrodes
zone
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08805838A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe Bourgoin
Marcelo Goffman
Vincent Derycke
Nicolas Chimot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2150995A2 publication Critical patent/EP2150995A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/466—Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • H10K71/12—Deposition of organic active material using liquid deposition, e.g. spin coating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/221—Carbon nanotubes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H10K10/472—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising only inorganic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/484—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the channel regions

Definitions

  • the present invention relates to a flexible field effect transistor based on carbon nanotubes and its method of manufacture.
  • the n-type and p-type organic semiconductors used are respectively N, N'-bis (n-octyl) dicyanoperylene-3,4: 9,10-bis (dicarboximide) (PDI-8CN 2 ) and pentacene.
  • the components shown operate at a clock frequency of 5 kHz.
  • the PDI-8CN2 and pentacene transistors have very low mobilities (6.3 ⁇ 10 -2 and 0.29 cm 2 / s respectively) and operate, in addition, under very high polarization voltages (+100 and -100 volts respectively).
  • the devices suffer irreversible damage which, according to the authors, is likely caused by a break in the wires or gate electrodes.
  • the angles of curvature achieved in this work therefore remain modest which constitutes a strong limit to the possible applications.
  • the article "High-speed mechanically flexible single-crystal silicon thin-film transistors on plastic substrates" JH AHN et al., IEEE Device Letters Volume 27 No. 6, 460 (2006) discloses transistors on a substrate plastic (polyimide) whose active part consists of monocrystalline silicon ribbons.
  • the continuous (DC) and high frequency responses of the devices reveal a mobility of 500 cm 2 A /. s and an operating frequency of up to 515 MHz. Its bending operation is also stable up to 3 mm radii of curvature.
  • the relatively low charge mobility associated with the use of silicon also limits high frequency applications.
  • the implementation of the method according to the article "High-performance electronics using dense, perfectly aligned arrays of single-walled carbon nanotubes” also poses some difficulties.
  • the major disadvantage of this method lies in obtaining a low mobility of the components (of the order of 480 cm 2 ⁇ / .s). This low mobility does not make it possible to work at high frequency on a flexible substrate.
  • the present invention aims to provide a field effect transistor to overcome the aforementioned problems by allowing both a use in the field of flexible electronics and high frequency operation.
  • the invention proposes a field effect transistor comprising: at least two contact electrodes respectively of drain and of source, an electrical conduction zone connected to said contact electrodes, said zone comprising a plurality of carbon nanotubes one-wall substantially aligned, - a gate electrode for controlling the electric current flowing in said zone,
  • said transistor being characterized in that the density of nanotubes in said conduction zone is strictly greater than 10 nanotubes per micron.
  • nanotube density is meant the number of nanotubes divided by the width of the conduction zone.
  • the high density of aligned nanotubes associated with the exceptional flexibility of these nanotubes and the very high mobility of the charges propagating thereon (up to 10 5 cm 2 ⁇ / .s according to the article "Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes” (Durkop et al., Nano Lett 2004; 4 (1); 35-39)) makes it possible to obtain field effect transistors that are both flexible and have considerably improved frequency performance.
  • a large density of aligned carbon nanotubes has two main advantages for high frequency measurements: - this allows the device to be impedance-matched with the 50 ⁇ impedances of conventional measuring equipment. Indeed, an individual carbon nanotube imposes a minimum impedance of 6.5 k ⁇ because of its one-dimensional character and the number of modes of transmission, even when it is connected ohmically. In other words, a device designed from a single nanotube would reflect most of the high frequency power injected resulting in a low signal to noise ratio at high frequency. Thanks to the large density of nanotubes used, the DC impedance of the device is close to 50 ⁇ . - This reduces the parasitic capacity by carbon nanotube.
  • parasitic capacitances have a dramatic impact on the high-frequency performance when a single nanotube (or a low density of nanotubes) is used.
  • the transistors according to the invention make it possible to reach extrinsic operating frequencies greater than 500 MHz, of the order of 1 GHz.
  • extrinsic refer to the measurements actually made.
  • intrinsic data refers to the "extrinsic” measurements to which the influence of the metal studs used to connect the measurement peaks was subtracted. Their influence is obtained by means of structures identical to the devices measured but not exhibiting carbon nanotubes.
  • This correction method is known to specialists in HF (High Frequency) measurements and is designated in English by the term "de embedding”.
  • HF High Frequency
  • de embedding By applying this method to the transistors according to the invention, intrinsic frequencies of the order of 8.4 GHz are obtained (use at higher intrinsic frequency (of the order of 30 GHz) is also possible).
  • the transistors according to the invention make it possible to achieve radii of curvature of less than 3 mm (of the order of 1.5 mm) with stable electrical performances.
  • the gate electrode comprises a dielectric coating such as an aluminum oxide, said coating having a thickness t ox and a relative permittivity ⁇ r satisfying the condition ⁇ r / t ox > 0.2 (with for example t ox substantially equal to 2 nm and ⁇ r substantially equal to 8 such that ⁇ r / t ox is substantially equal to 4).
  • the width of the electrical conduction zone is less than 800 nm
  • the gate electrode is partially covered by the source electrode and / or by the drain electrode, the covering width being less than or equal to 100 nm,
  • the gate electrode and the contact electrodes have no overlap; in this in this case, the nanotubes located in the zone separating the gate electrode and the contact electrodes are doped so as to make them conductive; advantageously, the gate electrode then comprises a dielectric coating such as an aluminum oxide having a thickness t ox and a relative permittivity ⁇ r satisfying the condition ⁇ r / t ox greater than 2.
  • the nanotubes are nanotubes of single-walled carbon having a diameter of between 0.8 and 2.5 nm and preferably between 1, 2 and 1, 6 nm, the layer of nanotubes disposed on the conduction zone has a thickness less than or equal to 5 nm , the layer of nanotubes disposed on the conduction zone is substantially a monolayer of nanotubes, the flexible substrate is a transparent substrate of the PET type (polyethyleneterephthalate). the gate electrode is located under the conduction zone so that said conduction zone is accessible,
  • the gate electrode comprises two fingers in the extension of a common pad
  • the transistor according to the invention comprising: two source electrodes, two conduction zones comprising a plurality of substantially aligned nanotubes each of said zones connecting one of the source electrodes with the drain electrode and each of the fingers respectively controlling the electric current flowing in one of said conduction zones.
  • the gate electrode may also comprise a plurality of gate fingers each controlling the electric current flowing in a conduction zone comprising a plurality of substantially aligned nanotubes, the transistor having as many source electrodes as there are gate electrode fingers, said source electrodes being connected to each other.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a transistor according to the invention comprising a step of depositing the nanotubes carried out by a dielectrophoresis method including the following steps: depositing a drop of solvent in which is dispersed a plurality of single wall nanotubes,
  • the process according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • the embodiment of each of the electrodes is obtained by beam-beam lithography.
  • electrons said embodiment comprising the following steps: depositing at least one resin layer (for example a PMMA type resin (poly (methyl methacrylate)) on the flexible substrate, annealing said resin layer, depositing a layer of metal absorbing little electron beam and thickness less than 10 nm, o exposure to the electron beam for the realization of the pattern of the electrode, o removal of said metal layer, o development of the resin, o deposition of the metallic material for producing the electrode, o removal of the resin, - advantageously, the deposition of the PMMA resin layer is preceded by the deposition of a first layer of MMA type resin (methyl methacrylate), -
  • the absorbing metal layer little electron beam is an aluminum layer
  • the gate electrode is made of aluminum
  • the method comprising a step of oxidation of the gate electrode according to the following steps: exposure of the aluminum electrode to a gas oxygen, annealing of said electrode for a time sufficient to produce a coating of aluminum oxide (materials whose relative permittivity ⁇ r is close to 8) over a thickness t ox of less than 20 nm (guaranteeing ⁇ r / t ox > 0.4) and for example substantially equal to 2 nm (guaranteeing ⁇ r / t ox > 4).
  • the process according to the invention may also comprise a preliminary step of depletion of the solvent drop initially containing an undifferentiated mixture of metal and semiconductor nano-tubes, the depletion being carried out by repeating several successive dielectrophoresis steps.
  • the method according to the invention may also comprise a step of destroying the metal nanotubes included in the plurality of substantially aligned nanotubes.
  • the doping of the nanotubes located in the zone separating the gate electrode and the contact electrodes can be carried out according to one of the following methods: o perform a chemical treatment to improve the conductivity of the nanotubes located in the region separating the gate electrode and the contact electrodes, o to deposit a molecule or a polymeric layer on the nanotubes located in the zone separating the gate electrode and contact electrodes; advantageously, the molecules or the polymeric layer are photosensitive so that the conductivity of the nanotubes is improved by illumination.
  • FIG. 1 (a) is a simplified schematic representation of a field effect transistor according to the invention
  • Fig. 1 (b) schematically shows an enlarged top view of the field effect transistor shown in Fig. 1 (a)
  • Fig. 1 (c) is an atomic force microscopy image showing the carbon nanotubes of the field effect transistor shown in Figs. 1 (a) and (b);
  • - Figure 3 (a) represents the cut-off frequency of the current gain f T as a function of the voltage V D s for several transistors according to the invention.
  • FIGS. 5 to 11 illustrate the different steps of the manufacturing method according to the invention
  • FIGS. 12 (a) to 12 (d) illustrate the different steps of the lithography process used during the manufacturing process according to the invention
  • FIG. 13 illustrates a particular embodiment of a transistor according to the invention.
  • FIG. 1 (a) is a simplified schematic representation of a field effect transistor 1 according to the invention. We will return to the fabrication of this transistor 1 hereinafter with reference to FIGS. 5 to 11.
  • the transistor 1 comprises: a transparent flexible substrate 2 of poly-ethyleneterephthalate (PET) of 250 ⁇ m in thickness,
  • Each of the metal contact electrodes (drain and source) 3, 4 and 5 comprises a first layer of palladium covered with a second layer of gold.
  • the metals mentioned here are given by way of example; other metals (or alloys thereof) such as Ti, Al, Cr, Cu, Pt or Co may also be used.
  • a flexible substrate PET but other types of flexible substrates such as polyesters, polyimides (KAPTON ...), polydimethylsiloxane (PDMS) or polydimethylsiloxane can also be used.
  • a transparent substrate may be of interest in the case of certain applications, for example those requiring illumination of the device by its rear face or those incorporating devices emitting light (such as electronic newspapers for which the electronic may possibly be on the back of the page read).
  • Each of the grid fingers 6 and 7 has a width of 1 micron and is made of aluminum on a thickness of the order of 50 nm. This width is obviously given as an example.
  • the gate fingers 6 and 7 are covered with a dielectric layer of gate oxide Al2O3 of small thickness (of the order of 2 nm).
  • the use of a thin dielectric with high permittivity (of the order of 8 for aluminum oxide) makes it possible to obtain an excellent slow quality of the grid control. It follows that a low polarization of the gate is sufficient to control the transistor. It should be noted that such a thin oxide increases the parasitic capacitances at the source-gate and drain-gate overlays as will be defined below.
  • the dielectric used is aluminum oxide but other dielectrics can also be used; mention may be made, for example, of metal oxides (such as TiO 2 or Ta 2 O 5 for example) or other materials such as SiO 2 or insulating polymers. In these latter cases, they are deposited above a metal gate electrode by the implementation of methods known to those skilled in the art.
  • the dielectric layer of A ⁇ Os is coated with carbon nanotubes 13; these carbon nanotubes are mono-wall nanotubes with a diameter of preferably between 1, 2 and 1, 6 nm. These nanotubes are substantially aligned on a channel between a source electrode 5 or 4 and the drain electrode 3 so as to form two conduction zones (respectively between the source 5 and the drain 3 and between the source 4 and the drain 3 ). Each of the conduction zones has a width L here equal to about 800 nm.
  • the density of nanotubes is greater than 10 nanotubes per micron and preferably greater than 100 nanotubes per micron. As can be seen in the image of a grid finger portion obtained by atomic force microscopy of FIG.
  • the dielectrophoresis method used for the deposition of these nanotubes makes it possible to obtain a very large density of carbon nanotubes with a very high degree of alignment.
  • the asperities visible in the image are not impurities from the nanotube solution. They are due to the initial roughness of the PET substrate.
  • the PET substrate can be chosen so as to have the lowest possible roughness (of the order of 10 nm on average, for example).
  • the high density of nanotubes allows the transistor 1 to operate at high frequency.
  • DC measurements on a set of devices as shown in Figure 1 (a) were performed and DC currents of several milliamperes (with Vos ⁇ 700 mV) were obtained, which confirms the large number of nanotubes involved in transport.
  • the thickness of the layer of nanotubes on each of the conduction zones is preferably less than 5 nm, the control of the grid being all the more effective as the thickness is small (the more the nanotubes are removed from the grid, the less they are influenced by it).
  • the conduction zone is produced by a monolayer of nanotubes
  • the average thickness of the layer is substantially equal to the diameter of a nanotube.
  • the drain-source voltage needed is also low; this is explained by:
  • the high density of the nanotubes coupled with the high mobility of the charges propagating thereon (> 10 5 cm 2 ⁇ / .s versus 1 to 10 cm 2 ⁇ / .s for a polymer) which makes it possible to obtain a very significant current
  • the use of palladium for the source and drain electrodes allows good electrical contacts (quasi-ohmic) with the nanotubes thus avoiding a potential drop at the metal-nanotube junction.
  • Each of the source electrodes 4 and 5 forms an overlap R on the respective gate oxide of the fingers 7 and 6, this overlap measuring substantially 100 nm.
  • the drain electrode 3 forms on either side a cover R on the gate oxide of the fingers 7 and 6, this covering substantially measuring 100 nm.
  • a short L-channel width favors the rise in frequency.
  • a small source-gate and drain-gate R overlap width limits the parasitic capacitances (metal-oxide-metal capacitance resulting in a cut-off frequency) and thus favors the frequency rise.
  • the two grid fingers 6 and 7 are under the nanotubes; such a configuration makes it possible to envisage a treatment, in particular chemical, subsequent nanotubes.
  • a configuration with a gate electrode located above the nanotubes (of the "top-gated CNTFET" type) is also within the scope of the present invention.
  • the field effect transistor 1 diagrammatically shown in FIG. 1 (a) concretely represents a portion of the complete transistor 8 as represented in FIG. 1 (b) (see part 1, framed in FIG. 1 (b)).
  • the pattern used for the transistor 8 corresponds to a pattern adapted to high frequency measurement according to a known Ground-Signal-Ground or GSG (Ground-Signal-Ground) configuration.
  • GSG Ground-Signal-Ground
  • the gate electrode fingers 6 and 7 have an extension 12 constituting an access 12 of larger dimension.
  • the GSG configuration imposes the presence of two source electrodes for positioning the triple tip probe.
  • the transistor 1 as shown in FIG. 1 by the presence of the two sources and the two gate fingers, actually has the structure of two transistors.
  • the invention is not limited to a GSG configuration; thus, according to another embodiment, the transistor according to the invention may have only one source electrode. Another alternative may be to connect the two source electrodes (via via, for example).
  • FIGS. 2 (a) to 2 (c) make it possible to electrically characterize the transistor as shown in FIGS. 1 (a) to 1 (c), that is to say a transistor having a density of nanotubes of order of 100 nanotubes per micron, a conductivity zone width of the order of 800 nm and an overlap R substantially equal to 100 nm.
  • V D s -600 mV
  • V G s 0 V.
  • a cut-off frequency of the current gain equal to 470 MHz.
  • the MSG gain is still equal to 2.5 dB at 1 GHz.
  • the cutoff frequency fj is mainly limited by the parasitic capacitances resulting from the overlaps between the gate and the source and between the gate and the drain.
  • the influence of these capacities can be suppressed by using a structure called "open", strictly identical to the structure measured but without the carbon nanotubes.
  • FIG. 3 (a) shows the cut-off frequency of the current gain f T as a function of the voltage V D s for several devices according to the invention on different chips.
  • fj increases linearly with Vos which directly reflects the increase in trans- conductance.
  • a variation of fj from one device to another is observed from 400 MHz to 1 GHz.
  • the transistors according to the invention make it possible to operate at extrinsic frequencies of the order of GHz (corresponding to intrinsic frequencies corrected up to 8.4 GHz).
  • the Applicant found a decrease in the DC transconductance when the flexures exceeded 0.3 mm -1 (that is to say a radius of curvature less than 3.3 mm).
  • FIGS 5 to 11 illustrate the different steps of the manufacturing method according to the invention.
  • FIGS. 5 to 11 represents on its left-hand side a top view of the device according to the invention at each stage of the process and on its right part, a partial enlarged sectional view along the line N-II of the portion framed in dotted line of the same device.
  • the first step consists in producing a first electron beam lithography for depositing on the PET substrate 2 the source and drain metal pads in a Masse-Signal-Mass (GSG) configuration already described above.
  • GSG Masse-Signal-Mass
  • These metal studs comprise a chromium layer Cr covered with a layer of Au gold.
  • FIGS. 12 (a) to 12 (d) The various steps of the lithography process used in the manufacturing method according to the invention are illustrated in FIGS. 12 (a) to 12 (d).
  • each of the lithographs undertaken during the design of the devices requires the preliminary deposition of three layers: a first layer of MMA resin (methyl methacrylate) is deposited by spinning with a rotation speed of 4000 rpm for 1 minute. An annealing on the hotplate at 120 0 C is carried out for 5 minutes. Preferably, the temperature does not exceed 120 0 C to avoid damaging the substrate 2 PET. Similarly, a second layer of PMMA resin (poly (methyl methacrylate) is then deposited, a new annealing is carried out at 100 ° C. for 30 minutes, and finally a third layer of thin aluminum (typically of the order of 5 to 10 nm) is deposited by evaporation.
  • MMA resin methyl methacrylate
  • PMMA resin poly (methyl methacrylate)
  • a layer is very important for performing electronic lithography on an insulating substrate such as PET because it allows to evacuate the charges during irradiation by the electron beam. Too thick a layer could prevent the passage of electrons. It will be noted that aluminum is particularly suitable insofar as it absorbs little the electrons of the beam. Note further that it is also possible to use a single layer of PMMA resin.
  • Fig. 12 (b) the three layers being deposited, electron beam lithography is performed. Before developing the resin, the aluminum layer is removed by chemical etching (in a KOH solution).
  • the source metal studs which are here represented by way of example (the drain stud is made of - identical).
  • step "lift-off” The resin is then removed in acetone heated to about 50 0 C (step "lift-off”).
  • the "lift-off” step consists of removing the resin by dissolution and keeping the metal layers only on the parts in direct contact with the substrate.
  • the metal studs represented in FIG. 5 and comprising a layer of chromium Cr covered with an Au gold layer are obtained by implementing the lithography method as described above.
  • the two aluminum grid electrode fingers 6 and 7 as well as the access 12 of larger dimensions in their extension are deposited.
  • the gate fingers 6 and 7 are 1 ⁇ m wide. A thickness of 50 nm of aluminum is thus deposited under a vacuum of less than 5.10 6 torr (this value is given for information only but it is also possible to work under higher voids).
  • gate 6 and 7 are then exposed to pure oxygen gas at a pressure of 20 mbar for 20 minutes
  • the assembly is finally annealed in air at 120 ° C. for 2 hours (this annealing allows the diffusion of oxygen and the creation of the AI 2 O 3 coating).
  • the carbon nanotubes 13 are deposited by a dielectrophoresis method.
  • the carbon nanotubes 13 used are mono-wall nanotubes with a diameter preferably between 1, 2 and 1, 6 nm.
  • the dielectrophoresis process optimizes the density and alignment of carbon nanotubes. For this, a drop of solvent of N-methylpyrolidone of 3 .mu.l in which are dispersed the nanotubes of single-wall carbon (at a concentration of 5 mg / L) is deposited on the entire device. An alternating electric field of amplitude 10 V (+ to -5V) at a frequency of 15 MHz is then applied between the two source electrodes separated by 7 ⁇ m. Guided by this electric field, the carbon nanotubes 13 are deposited between the metal electrodes and on the Al 2 O 3 dielectric layers.
  • the density of nanotubes can be adjusted by adjusting the deposition parameters (concentration of the solution, voltage, duration of the deposit).
  • concentration of the solution, voltage, duration of the deposit deposits as dense as 100 to 1000 nanotubes per micron are produced.
  • the nanotubes line up along the field lines; Thus, the more nanotubes are deposited, the more these nanotubes will tend to short-circuit the electrodes together: such a mechanism will cause a reduction of the electric field and self-limitation of the dielectrophoresis process. Consequently, the use of the method makes it possible to obtain relatively small thicknesses of nanotube layers.
  • the nanotubes are deposited much better on the surface of the dielectric than on themselves. As a result, the nanotubes will tend to fill the entire available surface before creating an additional layer of nanotubes.
  • the dielectrophoresis method substantially makes it possible to obtain a monolayer of nanotubes.
  • the presence of two source electrodes is dictated by the GSG HF measurement configuration; in the presence of a single source electrode, it is quite possible to create a conductivity zone based on substantially aligned nanotubes by directly applying an electric field between the source electrode and the drain electrode.
  • the drop of solvent comprises an undifferentiated mixture of metal and semiconductor nanotubes. It is possible to use a depleted drop of metal nanotubes. This drop is achieved by repeating several successive dielectrophoresis steps on different devices: the principle consists in depleting the drop of solvent in metal nanotubes during a first high frequency deposition favoring the deposition on a first device of the metal nanotubes before the nanoconductor tubes. This step is repeated several times using the same drop whose depletion in metal tubes increases. Thus, using the drop after several depletion steps on the final transistor, it is possible to increase the ratio between the semiconductor nanotubes and the metal nanotubes. Increasing this ratio will result in a much more secure stuck state.
  • Another way of proceeding may be to use a breakdown technique of metal nanotubes by isolating the semiconductor nanotubes and by circulating a breakdown current in the metal nanotubes. It is also possible to use a chemical treatment aimed primarily at destroying the metallic nanotubes and stop the operation before the semiconductor nanotubes are destroyed.
  • a person skilled in the art can for example refer to the article "Sorting carbon nanotubes by electronic structures using density differentiation” (MS ARNOLD et al. - Nature Nanotechnology Volume 60, 60 (2006) or in the article “Selective Etching of Metallic Carbon Nanotubes by Gas-Phase Reaction” (G.
  • the undesirable nanotubes NI deposited directly between the gate and the source and between the drain and the source are destroyed by an attack with oxygen ions through a resin mask.
  • the mask deposition conditions are as follows: first MMA resin deposition at 3000 rpm for 60 seconds then annealed at 120 ° C. for 2 minutes then, second PMMA resin deposit at 4000 rpm for 60 seconds then,
  • the undesirable nanotubes are then destroyed by ionic etching (the conditions of the ionic etching are 130 ⁇ bar O2 with an acceleration voltage of 130 volts for 1 min 40).
  • FIG. 11 shows the transistor 8 of the invention after removal of MMA and PMMA resins (e.g. in acetone heated to about 50 0 C).
  • This transistor 8 is identical to that shown in FIG. 1 (b).
  • a small R-gate-gate and drain-gate overlap width limits parasitic capacitances and thus favors frequency rises. Therefore, a lack of recovery R allows the transistor to rise higher frequency.
  • One way is to move the source and drain electrodes slightly apart so that there is no overlap with the grid.
  • FIG. 13 illustrates the passage from a overlapped configuration C1 (such as that represented in FIG. 1 (a)) to a non-overlapping configuration C2.
  • the transistor according to the configuration C2 thus comprises Z zones provided with nanotubes, the zones Z separating the source and drain electrodes from the gate electrode. In doing so, switching performance is lost because the portions of nanotubes located in these zones Z are no longer controlled by the gate and are therefore insulating (or poorly conductive). To compensate for this disadvantage, it is possible to dopant these parts of nanotubes (or of all the nanotubes).
  • the doping of the nanotubes may for example be achieved via a chemical treatment to improve the conductivity of the nanotubes.
  • Those skilled in the art may for more details refer to the article by S. AUVRAY et al. (NANO LETTERS, 5 (3): 451-455 MAR 2005).
  • Another way of doping the nanotubes may consist in depositing (or grafting) molecules or depositing a polymer film on the nanotubes; those skilled in the art may for more details refer to the article by J. BORGHETTI et al (ADVANCED MATERIALS, 18 (19): 2535- + OCT 4 2006). Note that these molecules and the polymer film can to be photosensitive, the deposit then being combined with an illumination step.
  • the gate oxide is the most thin possible (thickness preferably less than 4 nm, for example 2 nm).

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Abstract

La présente invention concerne un transistor à effet de champ flexible à base de nanotubes et son procédé de fabrication. Le transistor (1 ) à effet de champ selon l'invention comporte au moins deux électrodes (3, 4, 5) de contact respectivement de drain et de source, une zone de conduction électrique connectée aux électrodes de contact, ladite zone comportant une pluralité de nanotubes de carbone mono-paroi (13) sensiblement alignés, une électrode de grille (6, 7) pour le contrôle du courant électrique circulant dans ladite zone et un substrat flexible (2) sur lequel sont déposées les électrodes de contact et de grille (3, 4, 5, 6, 7). La densité de nanotubes dans la zone de conduction est strictement supérieure à 10 nanotubes par micron.

Description

La présente invention concerne un transistor à effet de champ flexible à base de nanotubes de carbone et son procédé de fabrication.
L'électronique flexible constitue actuellement un domaine de recherche en pleine expansion, tiré par de forts espoirs d'applications nouvelles telles que les journaux électroniques, les étiquettes à transmission de données du type RFID (« Radio Frequency Identification Tags ») ou à affichage reconfigurable. Une revue de ces applications potentielles est décrite dans l'article « Organic and polymer transistors for electronics » (A. DODABALA- PUR Materials today, volume 9 n°4, 24 (2006)). Une solution largement employée dans le domaine de l'électronique souple a longtemps consisté à utiliser des polymères tels que du Pol(p- phenylenevinylene) PPV ou du Poly(3-hexylthiophene) P3HT et des petites molécules organiques du type pentacène ou rubrène.
L'article « Mégahertz opération of organic field-effect transistors ba- sed on poly(3-hexylthiopene) » (V. WEIGNER et al. - Applied Physics Letters volume 89 n°24, 243515 (2006)) décrit un transistor à effet de champ avec un canal en film polymère de poly(3-hexylthiopene) avec une fréquence à gain unitaire de 2 MHz, la mobilité des charges dans ce polymère étant limitée à 0,2 cm2 / V.s. De même, l'article « Organic complementary D flip-flops enabled by perylene diimides and pentacène » (B. YOO et al. - Institute of Electrical and Electronics Engineers Electronic Device Letters volume 27 n°9, 737 (2006)) décrit la fabrication d'un composant électronique de type porte D flip-flop complémentaire comprenant des transistors organiques semiconducteurs CMOS. Les semiconducteurs organiques de type n et p utilisés sont respectivement le N,N'-bis(n-octyl)-dicyanoperylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide) (PDI-8CN2) et le pentacène. Les composants présentés fonctionnent à une fréquence d'horloge de 5 kHz. Les transistors en PDI-8CN2 et en pentacène possèdent des mobilités très faibles (6,3.10"2 et 0,29 cm2Λ/.s respective- ment) et fonctionnent, en outre, sous des tensions de polarisations très élevées (+100 et -100 volts respectivement). On peut également citer à titre d'exemple l'article « Radio frequency rectifiers based on organic thin-film transistors » R. ROTZOLL et al.- Applied Physics Letters volume 88 n°12, 123502 (2006)) qui présente un redresseur de puissance utilisant des transistors de type P-MIS (Métal Isolant Semi- conducteur) avec une couche semiconductrice de pentacène sur substrat de polyethylenenaphthalate opérant jusqu'à 20 MHz, la mobilité des charges dans la couche de pentacène étant inférieure à 0,3 cm2 / V. s.
De même, l'article « A 13.56-MHz RFID System based on organic transponders » (E. CANTATORE et al. - IEEE Journal of Solid-State Circuits volume 42 n°1 , 84 (2007)) présente un dispositif d'identification radio fréquence réalisé sur une feuille flexible de polyimide opérant à 13,56 MHz, la mobilité des charges étant estimée à 10~2 cm2 / V.s.
On constate ainsi qu'en dépit des larges efforts entrepris, la mobilité des charges relativement faible dans ces matériaux (103— 10 cm2Λ/.s) limite très fortement les applications à haute fréquence de fonctionnement.
Une solution pour permettre des applications à plus haute fréquence de fonctionnement consiste à utiliser des nanofils et des rubans semiconducteurs qui sont des matériaux permettant également de réaliser des composants électroniques souples. Ainsi, l'article « Gigahertz opération in flexible transistors on plastic substrates » (Y. SUN et al. - Applied Physics Letters volume 88 n°18, 183509 (2006)) décrit un dispositif sur substrat plastique de po- ly(ethylenetherephthalate) basé sur des fils semiconducteurs de GaAs avec une fréquence de fonctionnement de 1 ,55 GHz. Les auteurs démontrent que ces dispositifs fonctionnent en tension et en compression jusqu'à des taux d'environ 0,71 % (ce qui correspond à un rayon de courbure de 14 mm). Le courant retrouve sa valeur initiale lorsque les contraintes sont relâchées. Sous des contraintes supérieures à 1 %, les dispositifs subissent des dégâts irréversibles qui, selon les auteurs, sont vraisemblablement causés par une rupture des fils ou des électrodes de grille. Les angles de courbures atteints dans ce travail restent donc modestes ce qui constitue une limite forte aux applications envisageables. Par ailleurs, l'article « High-speed mechanically flexible single-crystal silicon thin-film transistors on plastic substrates » (J. H. AHN et al. - IEEE Device Letters volume 27 n°6, 460 (2006)) décrit des transistors sur substrat plastique (polyimide) dont la partie active consiste en des rubans de silicium monocristallin. Les réponses continues (DC) et hautes fréquences des dispositifs révèlent une mobilité de 500 cm2 A/. s et une fréquence de fonctionnement pouvant atteindre 515 MHz. Son fonctionnement en flexion est en outre stable jusqu'à des rayons de courbure de 3 mm. Toutefois, comme pour les composants à base de polymères et de matériaux organiques, la mobilité des charges relativement faible liée à l'utilisation du silicium limite également les applications à haute fréquence de fonctionnement.
Plus récemment, les recherches dans le domaine de l'électronique flexible se sont également portées sur l'utilisation de nanotubes.
Ainsi, plusieurs études ont porté sur les performances statiques de transistors flexibles utilisant des nanotubes de carbone. A chaque fois, les auteurs y associent une étude des caractéristiques électriques du dispositif lorsque celui-ci est sous contraintes de tension et/ou de compression. A titre d'exemple, nous pouvons citer l'article « Highly bendable, transparent thin- film transistors that use carbon-nanotube-based conductors and semicon- ductors with elastomeric dielectrics » (Q. CAO et al. - Advanced Materials volume 18, 304 (2006)). Cet article décrit des transistors obtenus par transfert de différentes couches de nanotubes de carbone mono-paroi sur une feuille de poly(ethyleneterephthalate). Ces dispositifs supportent des flexions jusqu'à un taux d'environ 2 % avec recouvrement des caractéristiques initia- les de transconductance et du taux de courant lorsque les contraintes sont relâchées. Toutefois, seules des performances statiques sont décrites dans le cas de ce dispositif et des applications à haute fréquences ne sont pas envisagées.
Plus récemment, l'article « High-speed thin-film transistor on flexible substrate fabricated at room température » (J. VAILLANCOURT et al. - Electronic Letters volume 42, 1365 (2006)) a décrit la conception d'un transistor à film mince de nanotubes de carbone sur substrat flexible (transparent d'imprimante) opérant autour de 150 MHz à faible tension de polarisation (Vos = 2 V). Dans ce travail, les nanotubes sont déposés en films en utilisant une tournette. Les nanotubes sont ici déposés de manière désordonnée, ce qui limite fortement les performances haute fréquence.
Par ailleurs, l'article « High-performance electronics using dense, per- fectly aligned arrays of single walled carbone nanotubes » (KANG et al. - Nature Nanotechnologies - 25 mars 2007) a décrit une méthode de croissance de nanotubes auto-alignés (versus « déposés de manière désordonnée » tel que décrit dans le paragraphe précédent) sur un substrat rigide de quartz et l'utilisation de cette méthode pour fabriquer des dispositifs flexibles par transfert des nanotubes depuis le substrat rigide de croissance vers un substrat souple.
Cependant, la mise en œuvre de la méthode selon l'article « High- performance electronics using dense, perfectly aligned arrays of single walled carbone nanotubes » pose également certaines difficultés. Ainsi, l'inconvénient majeur de cette méthode réside dans l'obtention d'une faible mobilité des composants (de l'ordre de 480 cm2Λ/.s). Cette faible mobilité ne permet pas de travailler à haute fréquence sur substrat flexible.
Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un transistor à effet de champ visant à s'affranchir des problèmes précités en permettant à la fois une utilisation dans le domaine de l'électronique flexible et un fonctionnement à haute fréquence.
A cette fin, l'invention propose un transistor à effet de champ comportant : - au moins deux électrodes de contact respectivement de drain et de source, une zone de conduction électrique connectée auxdites électrodes de contact, ladite zone comportant une pluralité de nanotubes de carbone mono-paroi sensiblement alignés, - une électrode de grille pour le contrôle du courant électrique circulant dans ladite zone,
- un substrat flexible sur lequel sont déposées lesdites électrodes de contact et de grille, ledit transistor étant caractérisé en ce que la densité de nanotubes dans ladite zone de conduction est strictement supérieure à 10 nanotubes par micron.
On entend par densité de nanotubes le nombre de nanotubes divisé par la largeur de la zone de conduction.
Grâce à l'invention, la densité élevée de nanotubes alignés associée à la flexibilité exceptionnelle de ces nanotubes et à la mobilité très importante des charges s'y propageant (jusqu'à 105 cm2Λ/.s d'après l'article « Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes » (Durkop et al, Nano Lett 2004; 4(1 ); 35-39)) permet d'obtenir des transistors à effet de champ à la fois flexible et présentant des performances en fréquence considérablement améliorées.
Une large densité de nanotubes de carbone alignés présente deux principaux avantages pour les mesures à hautes fréquences : - cela permet d'accorder en impédance le dispositif avec les impédances 50 Ω des équipements de mesures conventionnels. En effet, un nanotube de carbone individuel impose une impédance minimale de 6,5 kΩ en raison de son caractère unidimensionnel et du nombre de modes de transmission, même quand celui-ci est connecté de façon ohmique. Autrement dit, un dispositif conçu à partir d'un seul nanotube réfléchirait la plus grande partie de la puissance haute fréquence injectée entraînant un faible rapport signal sur bruit à haute fréquence. Grâce à l'importante densité de nanotubes utilisée, l'impédance DC du dispositif est proche de 50 Ω. - cela permet de réduire la capacité parasite par nanotube de carbone.
En effet, comme la largeur des électrodes connectant les nanotubes est plusieurs ordres de grandeurs plus grande que le diamètre typique d'un nanotube (entre 1 et 3 nm), les capacités parasites ont un impact dramatique sur les performances hautes fréquences lorsqu'un seul nanotube (ou une faible densité de nanotubes) est utilisé. En augmentant le nombre de nanotubes au sein d'une géométrie donnée, l'impact relatif de ces capacités parasites est très nettement réduit. Les transistors selon l'invention permettent d'atteindre des fréquences extrinsèques de fonctionnement supérieures à 500 MHz, de l'ordre de 1 GHz. Dans toute la suite de la description, les données dites « extrinsèques » font référence aux mesures effectivement réalisées. Les données dites « intrinsèques » font référence aux mesures « extrinsèques » auxquelles a été soustraite l'influence des plots métalliques utilisés pour connecter les pointes de mesures. Leur influence est obtenue par le biais de structures identiques aux dispositifs mesurés mais ne présentant pas de nanotubes de carbone. Ce procédé de correction est connu des spécialistes des mesures HF (Haute Fréquence) et est désigné en anglais par le terme « de- embedding ». En appliquant ce procédé aux transistors selon l'invention, on parvient à des fréquences intrinsèques de l'ordre de 8,4 GHz (une utilisation à plus haute fréquence intrinsèque (de l'ordre de 30 GHz) est également réalisable). En outre, les transistors selon l'invention permettent d'atteindre des rayons de courbures inférieurs à 3 mm (de l'ordre de 1 ,5 mm) à performances électriques stables.
Le transistor selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou se- Ion toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la densité de nanotubes est préférentiellement supérieure ou égale à 100 nanotubes par micron, l'électrode de grille comporte un revêtement de diélectrique tel qu'un oxyde d'aluminium, ledit revêtement présentant une épaisseur tox et une permittivité relative εr vérifiant la condition εr / tox > 0,2 (avec par exemple tox sensiblement égal à 2 nm et εr sensiblement égal à 8 tels que εr/ tox soit sensiblement égal à 4).
- la largeur de la zone de conduction électrique est inférieure à 800 nm,
- selon un premier mode de réalisation, l'électrode de grille est partiel- lement recouverte par l'électrode de source et/ou par l'électrode de drain, la largeur de recouvrement étant inférieure ou égale à 100 nm,
- selon un deuxième mode de réalisation, l'électrode de grille et les électrodes de contact ne présentent aucun recouvrement ; dans ce cas, les nanotubes situés dans la zone séparant l'électrode de grille et les électrodes de contact sont dopés de façon à les rendre conducteurs ; avantageusement, l'électrode de grille comporte alors un revêtement de diélectrique tel qu'un oxyde d'aluminium présentant une épaisseur tox et une permittivité relative εr vérifiant la condition εr / tox supérieur à 2. les nanotubes sont des nanotubes de carbone mono-paroi présentant un diamètre compris entre 0,8 et 2,5 nm et de préférence entre 1 ,2 et 1 ,6 nm, - la couche de nanotubes disposée sur la zone de conduction a une épaisseur inférieure ou égale à 5 nm, la couche de nanotubes disposée sur la zone de conduction est sensiblement une monocouche de nanotubes, le substrat flexible est un substrat transparent du type PET (PoIy- ethyleneterephtalate). l'électrode de grille est située sous la zone de conduction de sorte que ladite zone de conduction est accessible,
- selon un mode de réalisation, l'électrode de grille comporte deux doigts dans le prolongement d'un plot commun, le transistor selon l'invention comportant : o deux électrodes de source, o deux zones de conduction comportant une pluralité de nanotubes sensiblement alignés, chacune desdites zones connectant l'une des électrodes de source avec l'électrode de drain et chacun des doigts commandant respectivement le courant électrique circulant dans l'une desdites zones de conduction.
- de façon plus générale, l'électrode de grille peut également comporter une pluralité de doigts de grilles commandant chacun le courant électrique circulant dans une zone de conduction comportant une pluralité de nanotubes sensiblement alignés, le transistor comportant autant d'électrodes de source que de doigts d'électrode de grille, lesdites électrodes de source étant connectées entre elles. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un transistor selon l'invention comportant une étape de dépôt des na- notubes réalisée par un procédé de diélectrophorèse incluant les étapes suivantes : - dépôt d'une goutte de solvant dans laquelle est dispersée une pluralité de nanotubes mono-paroi,
- application d'un champ électrique alternatif entre deux électrodes de contact.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plu- sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- dans le cas particulier d'un transistor à deux doigts d'électrode de grille et deux électrodes de source, le champ électrique est appliqué entre les deux électrodes de source, - la réalisation de chacune des électrodes est obtenue par lithographie à faisceau d'électrons, ladite réalisation comportant les étapes suivantes : o dépôt d'au moins une couche de résine (par exemple une résine du type PMMA (Poly(méthacrylate de méthyle)) sur le substrat flexible, o recuit de ladite couche de résine, o dépôt d'une couche de métal absorbant peu le faisceau d'électrons et d'épaisseur inférieure à 10 nm, o exposition au faisceau d'électrons pour la réalisation du motif de l'électrode, o retrait de ladite couche de métal, o développement de la résine, o dépôt du matériau métallique pour la réalisation de l'électrode, o retrait de la résine, - avantageusement, le dépôt de la couche de résine du type PMMA est précédé du dépôt d'une première couche de résine du type MMA (méthacrylate de méthyle), - avantageusement, la couche de métal absorbant peu le faisceau d'électrons est une couche d'aluminium,
- selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'électrode de grille est réalisée en aluminium, le procédé comportant une étape d'oxydation de l'électrode de grille suivant les étapes suivantes : o exposition de l'électrode d'aluminium à un gaz oxygène, o recuit de ladite électrode pendant une durée suffisante pour réaliser un revêtement d'oxyde d'aluminium (matériaux dont la permittivité relative εr est proche de 8) sur une épaisseur tox in- férieure à 20 nm (garantissant εr / tox > 0,4) et par exemple sensiblement égale à 2 nm (garantissant εr/ tox > 4).
- le procédé selon l'invention peut également comprendre une étape préalable d'appauvrissement en nanotubes métalliques de la goutte de solvant contenant initialement un mélange indifférencié de nano- tubes métalliques et semiconducteurs, l'appauvrissement étant réalisé en répétant plusieurs étapes de diélectrophorèse successives. Le procédé selon l'invention peut aussi comprendre une étape de destruction des nanotubes métalliques compris dans la pluralité de nanotubes sensiblement alignés. - dans le cas où l'électrode de grille et les électrodes de contact ne présentent aucun recouvrement, le dopage des nanotubes situés dans la zone séparant l'électrode de grille et les électrodes de contact peut être réalisé selon l'un des procédés suivants : o réaliser un traitement chimique permettant d'améliorer la conductivité des nanotubes localisés dans la zone séparant l'électrode de grille et les électrodes de contact, o réaliser un dépôt de molécules ou d'une couche polymérique sur les nanotubes localisés dans la zone séparant l'électrode de grille et les électrodes de contact; avantageusement, les molécules ou la couche polymérique sont photosensibles de sorte que la conductivité des nanotubes est améliorée par éclairement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 (a) est une représentation schématique simplifiée d'un transistor à effet de champ selon l'invention; la figure 1 (b) représente schématiquement une vue de dessus élargie du transistor à effet de champ représenté en figure 1 (a); la figure 1 (c) est une image par microscopie à force atomique montrant les nanotubes de carbone du transistor à effet de champ repré- sente sur les figures 1 (a) et (b);
- la figure 2 (a) est une représentation de la caractéristique de transfert à Vos = -600 mV du transistor tel que représenté en figures 1 (a) et
(b), la figure 2 (b) représente la transconductance en fonction de la fré- quence du transistor tel que représenté en figures 1 (a) et (b), la figure 2 (c) représente l'évolution du gain en courant 1H21 I avec et sans découplage des capacités parasites et du gain maximum stable (MSG = 1S21/S12I) en fonction de la fréquence à VDs = -600 mV et VGs = 0 V. - la figure 3 (a) représente la fréquence de coupure du gain en courant fτ en fonction de la tension VDs pour plusieurs transistors selon l'invention.
La figure 3 (b) représente le gain en courant extrinsèque et intrinsèque d'un transistor selon l'invention en fonction de la fréquence (Vos = -700 m V et VGS = 0 V).
- la figure 4 représente l'évolution de la transconductance en courant continu à VDs = 50 mV en fonction de la flexion,
- les figures 5 à 11 illustrent les différentes étapes du procédé de fabrication selon l'invention, - les figures 12 (a) à 12 (d) illustrent les différentes étapes du procédé de lithographie utilisée lors du procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 13 illustre un mode de réalisation particulier d'un transistor selon l'invention.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 (a) est une représentation schématique simplifiée d'un transistor 1 à effet de champ selon l'invention. Nous reviendrons sur la fabrication de ce transistor 1 par la suite en référence aux figures 5 à 11. Le transistor 1 comporte : un substrat flexible 2 transparent de poly-ethyleneterephtalate (PET) de 250 μm d'épaisseur,
- une première électrode métallique de source 5,
- une deuxième électrode métallique de source 4,
- une électrode de drain 3,
- deux doigts de grille 6 et 7. Chacune des électrodes métalliques de contact (drain et source) 3, 4 et 5 comprend une première couche de palladium recouverte d'une seconde couche d'or. On notera cependant que les métaux cités ici sont donnés ici à titre d'exemple ; d'autres métaux (ou alliages de ceux-ci) tels que le Ti, Al, Cr, Cu, Pt ou Co peuvent également être utilisés. De même, Nous avons décrit un substrat flexible PET mais d'autres types de substrats flexibles tels que des polyesters, des polyimides (KAPTON...), du polydimethylsiloxane (PDMS) ou du polydimethylsiloxane peuvent également être utilisés. L'utilisation d'un substrat transparent peut s'avérer intéressante dans le cas de certaines applications, par exemple celles nécessitant un éclairage du dispositif par sa face arrière ou celles incorporant des dispositifs émettant de la lumière (comme des journaux électroniques pour lesquels l'électronique peut éventuellement se trouver au dos de la page lue).
Chacun des doigts de grille 6 et 7 a une largeur de 1 μm et est réalisé en aluminium sur une épaisseur de l'ordre de 50 nm. Cette largeur est évi- demment donnée à titre d'exemple. Les doigts de grilles 6 et 7 sont recouverts d'une couche diélectrique d'oxyde de grille AI2O3 de faible épaisseur (de l'ordre de 2 nm). L'utilisation d'un diélectrique mince et à haute permitti- vité (de l'ordre de 8 pour l'oxyde d'aluminium) permet d'obtenir une excel- lente qualité de la commande de grille. Il en découle qu'une faible polarisation de la grille est suffisante pour commander le transistor. Il est à noter qu'un tel oxyde mince augmente les capacités parasites au niveau des recouvrements source-grille et drain-grille tels qu'ils seront définis plus loin. Ces capacités parasites limitant la montée en fréquence, un compromis sur l'épaisseur de l'oxyde est à trouver. Il est possible que la meilleure fréquence ne soit pas obtenue pour l'oxyde le plus mince. Cette remarque vaut de la même façon pour la constante diélectrique. Le meilleur compromis peut ne pas correspondre à la plus haute permittivité. Par ailleurs, selon le mode de réalisation décrit ici, le diélectrique utilisé est l'oxyde d'aluminium mais d'autres diélectriques peuvent également être utilisés ; on peut citer à titre d'exemple des oxydes de métaux (comme le TÏO2 ou le Ta2θ5 par exemple) ou d'autres matériaux comme le Siθ2 ou des polymères isolants. Dans ces derniers cas, ils sont déposés au dessus d'une électrode de grille métallique par la mise en œuvre de méthodes connues de l'homme du métier.
La couche diélectrique d'A^Os est recouverte de nanotubes de carbone 13 ; ces nanotubes de carbone sont des nanotubes mono-paroi de diamètre compris de préférence entre 1 ,2 et 1 ,6 nm. Ces nanotubes sont sensiblement alignés sur un canal entre une électrode de source 5 ou 4 et l'électrode de drain 3 de façon à former deux zones de conductions (respectivement entre la source 5 et le drain 3 et entre la source 4 et le drain 3). Chacune des zones de conduction présente une largeur L ici égale à environ 800 nm. La densité de nanotubes est supérieure à 10 nanotubes par micron et de préférence supérieure à 100 nanotubes par micron. Comme nous pouvons le vérifier sur l'image d'une partie de doigt de grille obtenue par mi- croscopie à force atomique de la figure 1 (C), la méthode de diélectropho- rèse utilisée pour le dépôt de ces nanotubes (sur laquelle nous reviendrons par la suite) permet d'obtenir une très large densité de nanotubes de carbone avec un degré d'alignement très élevé. Les aspérités visibles sur l'image ne sont pas des impuretés provenant de la solution de nanotubes. Elles sont dues à la rugosité initiale du substrat de PET. A ce propos, le substrat de PET peut être choisi de façon à présenter la rugosité la plus faible possible (de l'ordre de 10 nm en moyenne par exemple). Comme nous le constaterons par la suite, la forte densité de nanotubes permet au transistor 1 de fonctionner à haute fréquence. Des mesures en courant continu (DC) sur un ensemble de dispositifs tels que représentés en figure 1 (a) ont été réalisées et des courant DC de plusieurs milliampères (avec Vos < 700 mV) ont été obtenus, ce qui confirme le grand nombre de nanotubes impliqués dans le transport.
L'épaisseur de la couche de nanotubes sur chacune des zones de conduction est de préférence inférieure à 5 nm, le contrôle de la grille étant d'autant plus efficace que l'épaisseur est faible (plus les nanotubes sont éloignés de la grille, moins ils sont influencés par celle-ci). Préférentielle- ment, la zone de conduction est réalisée par une monocouche de nanotubes
(i.e. l'épaisseur moyenne de la couche est sensiblement égale au diamètre d'un nanotube).
Comme la tension de commande, la tension drain-source nécessaire est également faible ; ceci s'explique par :
- la densité importante des nanotubes couplée à la forte mobilité des charges s'y propageant (>105 cm2Λ/.s versus 1 à 10 cm2Λ/.s pour un polymère) qui permet d'obtenir un courant très significatif à faible champ électrique, l'utilisation du palladium pour les électrodes de source et de drain permet de bons contacts électriques (quasi-ohmiques) avec les nanotubes évitant de ce fait une chute de potentiel à la jonction métal- nanotube.
Chacune des électrodes de source 4 et 5 forme un recouvrement R sur l'oxyde de grille respectif des doigts 7 et 6, ce recouvrement mesurant sensiblement 100 nm.
De même, l'électrode de drain 3 forme de part et d'autre un recou- vrement R sur l'oxyde de grille des doigts 7 et 6, ce recouvrement mesurant sensiblement 100 nm.
Le fait de prendre une largeur de canal L courte favorise la montée en fréquence. De même, une faible largeur de recouvrement R source-grille et drain-grille limite les capacités parasites (capacité métal-oxyde-métal entraînant une fréquence de coupure) et favorise ainsi les montées en fréquence. On notera que les deux doigts de grilles 6 et 7 se trouvent sous les nanotubes ; une telle configuration permet d'envisager un traitement, notamment chimique, ultérieur des nanotubes. Toutefois, une configuration avec une électrode de grille localisée au-dessus des nanotubes (du type « top-gated CNTFET ») rentre également dans le cadre de la présente invention. En prenant une largeur de doigt de grille plus faible (par exemple 400 nm), et des recouvrements R plus faibles également (par exemple de l'ordre de 50 nm), on obtient des largeurs de zones de conduction avantageusement plus faible (par exemple de l'ordre de 300 nm).
Il est également possible d'augmenter le nombre de doigts de grille ; une telle configuration permet d'augmenter le nombre total de nanotubes de carbone à densité constante. Grâce à cette augmentation, on améliore la qualité du signal (par l'augmentation du courant total). Pour cela, les électrodes de sources doivent être connectées entre elles : cette connexion peut être réalisée en utilisant des procédés connus tels que des via métalliques dans un matériau isolant.
Le transistor 1 à effet de champ représenté schématiquement en figure 1 (a) représente concrètement une partie du transistor complet 8 tel que représenté en figure 1 (b) (cf. partie 1 encadrée sur la figure 1 (b)). Le motif utilisé pour le transistor 8 correspond à un motif adapté au mesure haute fréquence selon une configuration Masse-Signal-Masse ou GSG (Ground-Signal-Ground en anglais) connue. Ainsi, on observe que les doigts d'électrode de grille 6 et 7 possèdent un prolongement 12 constituant un accès 12 de plus grande dimension. Il en va de même pour les électrodes de contact de source (respectivement 5 prolongée par un accès 9 et 4 pro- longée par un accès 10) et de drain (3 prolongée par un accès11 ). Ces accès agrandis permettent de venir faire des mesures à haute fréquence à l'aide d'une sonde RF à pointe triple. On notera que la configuration GSG impose la présence de deux électrodes de source pour positionner la sonde à pointe triple. Ainsi, le transistor 1 tel que représenté en figure 1 , de par la présence des deux sources et des deux doigts de grille, possède en réalité la structure de deux transis- tors. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à une configuration GSG ; ainsi, selon un autre mode de réalisation, le transistor selon l'invention peut n'avoir qu'une seule électrode de source. Une autre alternative peut consister à relier les deux électrodes de sources (par des via par exemple).
Les figures 2 (a) à 2 (c) permet de caractériser électriquement le tran- sistor tel que représenté sur les figures 1 (a) à 1 (c) c'est-à-dire un transistor présentant une densité de nanotubes de l'ordre de 100 nanotubes par micron, une largeur de zone de conductivité de l'ordre de 800 nm et un recouvrement R sensiblement égal à 100 nm.
La figure 2 (a) présente la caractéristique de transfert ID = f(VGs) d'un transistor selon l'invention lorsque la tension de polarisation source / drain est -600 mV. Elle indique clairement le caractère de type p du transistor. A partir de la pente de la courbe, on en déduit une transconductance DC de 150 μS à polarisation de grille nulle. Cette excellente transconductance résulte de l'effet combiné de : (i) la méthode de dépôt sur laquelle nous reviendrons par la suite,
(H) la qualité de la grille (oxyde mince en alumine) et (Hi) la qualité des contacts (en palladium).
Des mesures hautes fréquences sont représentées sur les figures 2 (b) et 2 (c). Ces mesures hautes fréquences ont été effectuées en utilisant un analyseur de réseau vectoriel dans une gamme de fréquence allant de 40 MHz à 6 GHz. D'après les paramètres de « scattering » (paramètres S), on en déduit la transconductance dynamique gm = (1Y21-Y12O, le gain en courant (1H21I2 = 1Y21/Y11 I2) et sa fréquence de coupure (fj), et le gain maximum stable (MSG = 1S21/S12I). La figure 2 (b) montre l'évolution de la trans- conductance dynamique gm en fonction de la fréquence. Cette transconductance AC reste quasi constante sur l'ensemble de la plage de fréquence, donc au moins jusqu'à 6 GHz. Cette valeur de fréquence est limitée seule- ment par le dispositif expérimental. Sa valeur à 1 GHz est -143 μS, proche des 150 μS de la valeur DC.
La figure 2 (c) représente l'évolution du gain en courant lH2i leχt (dB) et du gain maximum stable (MSG = 1S21/S12I) en fonction de la fréquence. Le dispositif est polarisé à VDs = -600 mV et VGs = 0 V. Nous pouvons extraire de la figure une fréquence de coupure du gain en courant égale à 470 MHz. Le gain MSG est encore égal à 2,5 dB à 1 GHz. Ces deux courbes démontrent les excellentes aptitudes de ces dispositifs flexibles à nanotubes de carbone pour un fonctionnement à haute fréquence. Nous pouvons remar- quer que les pentes du gain en courant et du gain MSG sont respectivement égales à -17 dB/dec et -7 dB/dec. Les déviations de ces valeurs par rapport aux valeurs théoriques (-20 dB/dec et -10 dB/dec) peuvent être attribuées à l'influence des parties extrinsèques au dispositif. En effet, la fréquence de coupure fj est principalement limitée par les capacités parasites résultantes des recouvrements entre la grille et la source et entre la grille et le drain. L'influence de ces capacités peut être supprimée en utilisant une structure dite « ouverte », strictement identique à la structure mesurée mais sans les nanotubes de carbone. Il s'agit d'une procédure de découplage qui consiste simplement à soustraire les paramètres d'admittances (paramètres Y) de la structure « ouverte » à ceux de la structure mesurée (pour plus de détail sur la méthode, l'homme du métier pourra se référer à l'article « An 8-GHz fτ carbon nanotube field-effect transistor for gigahertz range applications » (J. M. BETHOUX et al. - Institute of Electrical and Electronics Engineers Electronic Device Letters volume 27 n°8, 460 (2006)). La figure 2 (c) pré- sente le gain en courant intrinsèque lH2i_iπtl résultant de la procédure de découplage. En utilisant une pente à -20 dB/dec, on en déduit une fréquence de coupure intrinsèque égale à environ 8,4 GHz.
La figure 3 (a) représente la fréquence de coupure du gain en courant fτ en fonction de la tension VDs pour plusieurs dispositifs selon l'invention sur différentes puces. Dans la gamme de tension Vos étudiée, fj augmente linéairement avec Vos ce qui reflète directement l'augmentation de la trans- conductance. La demanderesse s'est limitée à une tension Vos = -700 mV afin de ne pas détériorer l'oxyde de grille. On observe une variation de fj d'un dispositif à l'autre de 400 MHz à 1 GHz.
Les gains en courant extrinsèque et intrinsèque du dispositif correspondant le plus rapide (1 GHz) en fonction de la fréquence sont représentés sur la figure 3 (b) pour une tension Vos = -700 mV et VGS = 0 mV.
Pour résumer, les transistors selon l'invention permettent de fonctionner à des fréquences extrinsèques de l'ordre du GHz (correspondant à des fréquences intrinsèques corrigées pouvant atteindre 8,4 GHz).
Comme nous l'avons évoqué plus haut ces mesures ont été obtenues pour un transistor présentant une densité de nanotubes de l'ordre de 100 nanotubes par micron, une largeur de zone de conductivité de l'ordre de 800 nm et un recouvrement R source/grille et drain/grille sensiblement égal à 100 nm. Toutefois, il est tout à fait possible et avantageux de prendre une largeur de doigt de grille et des recouvrements R plus faibles, formant ainsi des largeurs de zones de conduction plus faibles. De même la densité de nanotubes peut être augmentée. Par exemple, une configuration avec une largeur de doigt de grille de l'ordre de 400 nm et des recouvrements R de l'ordre de 50 nm, donnant des largeurs de zones de conduction de l'ordre de 300 nm peut permettre d'atteindre des valeurs de fréquences intrinsèques fj de l'ordre de 30 GHz.
La figure 4 représente l'évolution de la transconductance DC (à VDs = 50 mV) en fonction de la flexion (l'unité en abscisse est l'inverse du rayon de courbure) afin d'illustrer les performances des transistors selon l'invention lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Durant les premiers cycles de flexions, la demanderesse a constaté une diminution de la transconductance DC lorsque les flexions excédaient 0,3 mm"1 (c'est-à-dire un rayon de courbure inférieur à 3,3 mm). Cette diminution correspond certainement à la déconnection progressive de nanotubes de carbone initialement mal connectés par les électrodes. Toutefois, après quelques cycles, les per- formances en flexion se stabilisent et restent constantes même après plusieurs cycles sous des flexions correspondant à des rayons de courbure aussi petits qu'environ1 ,5 mm. On peut noter que la transconductance reste constante jusqu'à 0,6 mm"1 avant de finalement chuter à zéro alors que le courant conduit dans le dispositif à VGs = 0 V reste inchangé. Cette dernière situation indique vraisemblablement une rupture de l'électrode de grille. Une manière de repousser le seuil de rupture peut consister à réaliser des électrodes mixtes à base de métal et de nanotubes de façon à profiter au maxi- mum de la flexibilité des nanotubes. En parallèle, le suivi de l'évolution du courant entre la source et la grille d'une part et entre le drain et la grille d'autre part ont permis de constater l'absence de courant de fuite de grille significatif ce qui indique l'absence de rupture dans l'oxyde de grille.
Les figures 5 à 11 illustrent les différentes étapes du procédé de fa- brication selon l'invention.
Chacune de ces figures 5 à 11 représente sur sa partie gauche une vue de dessus du dispositif selon l'invention à chaque étape du procédé et sur sa partie droite, une vue partielle en coupe agrandie selon la ligne N-Il de la partie encadrée en pointillé du même dispositif. Selon la figure 5, la première étape consiste à réaliser une première lithographie à faisceau électronique pour déposer sur le substrat 2 en PET les plots métalliques de source et de drain selon une configuration Masse- Signal-Masse (GSG) déjà décrite plus haut. Ces plots métalliques comportent une couche de chrome Cr recouverte d'une couche d'or Au. Les différentes étapes du procédé de lithographie utilisée lors du procédé de fabrication selon l'invention sont illustrées sur les figures 12 (a) à 12 (d).
Selon la figure 12 (a), chacune des lithographies entreprises lors de la conception des dispositifs requiert le dépôt préliminaire de trois couches: une première couche de résine de MMA (méthacrylate de méthyle) est déposée à la tournette avec une vitesse de rotation de 4000 tours / minute pendant 1 minute. Un recuit à l'air sur plaque chauffante à 120 0C est effectué pendant 5 minutes. Préférentiellement, la température ne doit pas excéder 1200C pour ne pas endommager le substrat 2 en PET. De manière ana- logue, une deuxième couche de résine de PMMA (Poly(méthacrylate de méthyle) est ensuite déposée. Un nouveau recuit est effectué à 100 0C pendant 30 minutes. Enfin, une troisième couche d'aluminium de faible épaisseur (typiquement de l'ordre de 5 à 10 nm) est déposée par évaporation. Cette couche est très importante pour effectuer la lithographie électronique sur un substrat isolant comme le PET car elle permet d'évacuer les charges lors de l'irradiation par le faisceau d'électrons. Une couche trop épaisse pourrait empêcher le passage des électrons. On notera que l'aluminium est particu- lièrement adapté dans la mesure où il absorbe peu les électrons du faisceau. On notera en outre qu'il est également possible d'utiliser une couche unique de résine en PMMA.
Selon la figure 12 (b), les trois couches étant déposées, la lithographie par faisceau électronique est effectuée. Avant développement de la résine, la couche d'aluminium est enlevée par gravure chimique (dans une solution de KOH).
Selon la figure 12 (c), après développement, 5 nm de chrome et 50 nm d'or sont déposés de manière à former les plots métalliques de source qui sont ici représentés à titre d'exemple (le plot de drain est réalisé de ma- nière identique).
Selon la figure 12 (d), La résine est ensuite retirée dans l'acétone chauffée à environ 50 0C (étape de « lift-off »). L'étape de « lift-off » consiste à effectuer le retrait de la résine par dissolution et à ne conserver les couches métalliques que sur les parties en contact direct avec le substrat. Ainsi, les plots métalliques représentés en figure 5 et comportant une couche de chrome Cr recouverte d'une couche d'or Au sont obtenus par la mise en œuvre du procédé de lithographie tel que décrit ci-dessus.
Selon la figure 6, en utilisant un procédé de lithographie électronique semblable à ce lui décrit précédemment, les deux doigts d'électrode de grille 6 et 7 en aluminium ainsi que l'accès 12 de dimensions supérieures dans leur prolongement sont déposés. Les doigts de grille 6 et 7 sont larges de 1 μm. Une épaisseur de 50 nm d'aluminium est ainsi déposée sous un vide inférieur à 5.10"6 torr (cette valeur est donnée à titre indicatif mais il est également possible de travailler sous des vides plus élevés). Selon la figure 7, les doigts de grille 6 et 7 sont ensuite exposés à du gaz oxygène pur à une pression de 20 mbar pendant 20 minutes. L'ensemble est finalement recuit à l'air à 120 0C pendant 2 heures (ce recuit permet la diffusion de l'oxygène et la création du revêtement en AI2O3). Le retrait de la résine effectué, on procède à un nouveau recuit à l'air sur plaque chauffante à 120 0C afin d'assurer l'oxydation des flancs verticaux des doigts de grille. Ce procédé d'oxydation permet d'obtenir le revêtement en oxyde d'aluminium d'environ 2 nm d'épaisseur. Comme nous l'avons déjà évoqué plus haut, l'utilisation de ce revêtement mince et à haute permittivité permet d'obtenir une excellente qualité de la commande de grille. Comme nous l'avons également expliqué plus haut, il est aussi possible d'utiliser d'autres procédés (un dépôt par exemple) qu'un procédé d'oxydation pour obtenir un revêtement diélectrique de grille. Selon la figure 8, les nanotubes de carbone 13 sont déposés par un procédé de diélectrophorèse. Les nanotubes de carbone 13 utilisés sont des nanotubes mono-paroi de diamètre préférentiellement compris entre 1 ,2 et 1 ,6 nm. Le procédé de diélectrophorèse permet d'optimiser la densité et l'alignement des nanotubes de carbone. Pour cela, une goutte de solvant de N-methylpyrolidone de 3 μL dans laquelle sont dispersés les nanotubes de carbone mono-parois (à une concentration de 5 mg /L) est déposée sur l'ensemble du dispositif. Un champ électrique alternatif d'amplitude 10 V (+ à - 5V) à une fréquence de 15 MHz est alors appliqué entre les deux électrodes de sources séparées de 7 μm. Guidé par ce champ électrique, les nano- tubes de carbone 13 se déposent entre les électrodes métalliques et sur les couches de diélectrique en AI2O3. Réaliser le dépôt à cette étape et recouvrir ensuite les tubes d'un prolongement (dit aussi par la suite « reprise de contact ») des électrodes de source et drain (comme cela sera décrit plus loin) présente deux avantages : (i) les contacts électriques métal-nanotubes sont meilleurs lorsque le métal est déposé au-dessus des nanotubes et,
(ii) si le dépôt était réalisé avec un espacement faible entre les électrodes (comme les 800 nm obtenus après reconnexion), cela imposerait des contraintes sur le champ électrique maximal utilisa- ble. En effet, un champ de 10 V aurait tendance à casser les nanotubes au fur et à mesure de leur dépôt si la distance source- drain était inférieure à la longueur typique des nanotubes utilisés (de l'ordre de un micron ici). On notera au passage que les nanotubes s'alignent non seulement entre les électrodes de source mais aussi entre chacune des électrodes de source et l'électrode de drain : en effet, le potentiel flottant du drain entraîne également la présence d'un champ électrique entre chacune des électrodes de source et l'électrode de drain. Cette méthode de diélectrophorèse permet d'obtenir une très large densité de nanotubes de carbone avec un degré d'alignement très élevé. La densité de nanotubes peut être ajustée en réglant les paramètres du dépôt (concentration de la solution, tension, durée du dépôt). On réalise ainsi des dépôts aussi denses que 100 à 1000 nano- tubes par micron. Les nanotubes s'alignent suivant les lignes de champ ; ainsi, plus on dépose de nanotubes plus ces nanotubes vont avoir tendance à court-circuiter les électrodes entre elles : un tel mécanisme va entraîner une diminution du champ électrique et une autolimitation du procédé de diélectrophorèse. En conséquence, l'utilisation du procédé permet d'obtenir des épaisseurs relativement faibles de couches de nanotubes. En outre, les nanotubes se déposent beaucoup mieux sur la surface du diélectrique que sur eux-mêmes. Dès lors, les nanotubes vont avoir tendance à remplir l'ensemble de la surface disponible avant de créer une couche supplémentaire de nanotubes. Pour les deux raisons cités précédemment, le procédé de diélectrophorèse permet sensiblement d'obtenir une monocouche de nanotubes.
Comme nous l'avons expliqué plus haut, la présence de deux électrodes de source est dictée par la configuration GSG de mesure HF ; en présence d'une seule électrode de source, il est tout à fait possible de créer une zone de conductivité à base de nanotubes sensiblement alignés en appliquant directement un champ électrique entre l'électrode de source et l'électrode drain.
On notera en outre que la goutte de solvant comporte un mélange indifférencié de nanotubes métalliques et semiconducteurs. Il est possible d'utiliser une goutte appauvrie en nanotubes métalliques. Cette goutte est réalisée en répétant plusieurs étapes de diélectrophorèse successives sur différents dispositifs: le principe consiste à appauvrir la goutte de solvant en nanotubes métalliques lors d'un premier dépôt à haute fréquence favorisant le dépôt sur un premier dispositif des nanotubes métalliques avant les nano- tubes semiconducteurs. Cette étape est répétée plusieurs fois en utilisant la même goutte dont l'appauvrissement en tubes métallique s'accroit. Ainsi, en utilisant la goutte après plusieurs étapes d'appauvrissement sur le transistor final, il est possible d'augmenter le rapport entre les nanotubes semiconducteurs et les nanotubes métalliques. L'augmentation de ce rapport permettra d'obtenir un état bloqué beaucoup plus efficace. Une autre manière de procéder peut consister à utiliser une technique de claquage des nanotubes métalliques en rendant isolant les nanotubes semiconducteurs et en faisant circuler un courant de claquage dans les nanotubes métalliques. On peut également utiliser un traitement chimique visant à détruire en premier lieu les nanotubes métalliques et à arrêter l'opération avant que les nanotubes semiconducteurs ne soient détruits. Pour plus d'informations sur ces techniques de séparation des nanotubes par type (métallique/semiconducteur) l'homme du métier pourra par exemple se référer à l'article « Sorting carbone nanotubes by electronic structures using density différenciation » (M. S. ARNOLD et al. - Nature Nanotechnology volume 60, 60 (2006) ou à l'article «Sélective etching of metallic carbon nanotubes by gas-phase reaction » (G. ZHANG et al. - Science volume 314, 274 (2006)). Selon la figure 9, après le dépôt des nanotubes, des reprises de contact de source et de drain sont effectuées (10 nm de palladium et 45 nm d'or). Les recouvrements R entre la grille et la source d'une part et entre la grille et le drain d'autre part s'étendent sur 100 nm. Le canal source-drain mesure donc L= 800 nm (pour mémoire, les doigts de grille sont larges de 1 μm).
Selon la figure 10, les nanotubes indésirables NI déposés directement entre la grille et la source et entre le drain et la source sont détruits par une attaque avec des ions oxygène à travers un masque de résine. Les conditions de dépôt du masque sont les suivantes: - premier dépôt de résine MMA à 3000 tr / mn pendant 60 secondes puis, recuit à 120 0C pendant 2 minutes puis, - deuxième dépôt de résine PMMA à 4000 tr / mn pendant 60 secondes puis,
- recuit à 120 0C pendant 15 minutes.
Les nanotubes indésirables sont alors détruits par attaque ionique (les con- ditions de l'attaque ionique sont de 130 μbar d'O2 avec une tension d'accélération de 130 volts pendant 1 min 40).
La figure 11 représente le transistor 8 selon l'invention après retrait des résines MMA et PMMA (par exemple dans l'acétone chauffé à environ 50 0C). Ce transistor 8 est identique à celui présenté en figure 1 (b). Comme nous l'avons évoqué plus haut, une faible largeur de recouvrement R source-grille et drain-grille limite les capacités parasites et favorise ainsi les montées en fréquence. Dès lors, une absence de recouvrement R permet au transistor de monter plus haut en fréquence. Une manière de procéder consiste à écarter légèrement les électrodes de source et de drain afin qu'il n'y ait plus de recouvrement avec la grille. La figure 13 illustre le passage d'une configuration C1 avec recouvrement (telle que celle représentée en figure 1 (a)) à une configuration C2 sans recouvrement. Le transistor selon la configuration C2 comporte donc des zones Z munies de nanotubes, les zones Z séparant les électrodes de source et de drain de l'électrode de grille. Ce faisant, on perd les performances en commutation car les parties de nanotubes situés dans ces zones Z ne sont plus commandées par la grille et sont donc isolantes (ou peu conductrices). Pour compenser cet inconvénient, on peut réaliser un dopage de ces parties de nanotubes (ou de l'ensemble des nanotubes). Le dopage des nanotubes peut être par exemple réalisé via un traitement chimique permettant d'améliorer la conductivité des nanotubes. L'homme du métier pourra pour plus de détails se référer à l'article de S. AUVRAY et al. (NANO LETTERS, 5 (3): 451-455 MAR 2005).
Une autre manière pour doper les nanotubes peut consister à réaliser un dépôt (ou un greffage) de molécules ou un dépôt d'un film de polymère sur les nanotubes; l'homme du métier pourra pour plus de détails se référer à l'article de J. BORGHETTI et al (ADVANCED MATERIALS, 18 (19): 2535- + OCT 4 2006). On notera que ces molécules et le film de polymère peuvent être photosensibles, le dépôt étant alors combiné avec une étape d'éclairement.
On notera que la position de la grille sous les nanotubes facilite les traitements ultérieurs tels que les procédés de dopage décrits ci-dessus, On notera par ailleurs qu'en l'absence de recouvrement, il est préférable que l'oxyde grille soit le plus mince possible (épaisseur de préférence inférieure à 4 nm, par exemple 2 nm).

Claims

REVENDICATIONS
1. Transistor (1 ) à effet de champ comportant :
- au moins deux électrodes (3, 4, 5) de contact respectivement de drain et de source, une zone de conduction électrique connectée auxdites électrodes de contact, ladite zone comportant une pluralité de nanotubes de carbone mono-paroi (13) sensiblement alignés, une électrode de grille (6, 7) pour le contrôle du courant électrique circulant dans ladite zone,
- un substrat flexible (2) sur lequel sont déposées lesdites électrodes de contact et de grille (3, 4, 5, 6, 7), ledit transistor (1 ) étant caractérisé en ce que la densité de nanotubes dans ladite zone de conduction est strictement supérieure à 10 nanotubes par micron.
2. Transistor (1 ) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la densité de nanotubes est supérieure ou égale à 100 nanotubes par micron.
3. Transistor (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite électrode de grille (6, 7) comporte un revêtement de diélectrique tel qu'un oxyde d'aluminium, ledit revêtement présentant une épaisseur tox et une permittivité relative εr telles que le rapport εr / tox est supérieur à 0,2.
4. Transistor (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit rapport εr/ tox est sensiblement égal à 4.
5. Transistor (1 ) selon l'une des revendications précédente caractérisé en ce que la largeur (L) de ladite zone de conduction électrique est inférieure à 800 nm.
6. Transistor (1 ) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite électrode de grille (6, 7) est partiellement recouverte par l'électrode de source (4, 5) et/ou par l'électrode de drain (3), la largeur de recouvrement (R) étant inférieure ou égale à 100 nm.
7. Transistor (C2) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite électrode de grille et lesdites électrodes de contact ne présentent aucun recouvrement.
8. Transistor (C2) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite électrode de grille comporte un revêtement de diélectrique tel qu'un oxyde d'aluminium, ledit revêtement présentant un rapport εr/ tox supérieur à 2.
9. Transistor (C2) selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que les nanotubes situés dans la zone (Z) séparant ladite électrode de grille et lesdites électrodes de contact sont dopés.
10. Transistor selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits nanotubes sont des nanotubes de diamètre compris entre 0,8 et 2,5 nm.
11. Transistor selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche de nanotubes disposée sur la zone de conduction a une épaisseur inférieure ou égale à 5 nm.
12. Transistor selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche de nanotubes disposée sur la zone de conduction est sensiblement une monocouche de nanotubes.
13. Transistor (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit substrat flexible (2) est un substrat transparent tel qu'un substrat en Poly-ethyleneterephtalate.
14. Transistor (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite électrode de grille (6, 7) est située sous ladite zone de conduction de sorte que ladite zone de conduction est rendue accessible.
15. Transistor (1 , 8) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite électrode de grille comporte deux doigts (6, 7) dans le prolongement d'un plot commun (12), ledit transistor (1 , 8) comportant : o deux électrodes de source (4, 5, 9, 10), o deux zones de conductions comportant une pluralité de nanotubes (13) sensiblement alignés, chacune desdites zones connectant l'une des électrodes de source (4, 5) avec l'électrode de drain (3) et chacun desdits doigts (6, 7) commandant respectivement le courant électrique circulant dans l'une desdites zones de conduction.
16. Transistor selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'électrode de grille comporte une pluralité de doigts de grilles commandant chacun le courant électrique circulant dans une zone de conduction comportant une pluralité de nanotubes sensiblement alignés, ledit transistor comportant autant d'électrodes de source et de drain que de doigts d'électrode de grille, lesdites électrodes de source étant connectées entre elles et lesdites électrodes de drain également.
17. Procédé de fabrication d'un transistor selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt des nanotubes de carbone réalisée par un procédé de diélectrophorèse incluant les étapes suivantes : - dépôt d'une goutte de solvant dans laquelle est dispersée une pluralité de nanotubes de carbone mono-paroi,
- application d'un champ électrique alternatif entre deux électrodes de contact.
18. Procédé selon la revendication précédente pour la fabrication d'un transistor selon la revendication 15 caractérisé en ce que le champ électrique est appliqué entre les deux électrodes de source.
19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18 caractérisé en ce que la réalisation de chacune des électrodes est obtenue par lithographie à faisceau d'électrons, ladite réalisation comportant les étapes suivantes : o dépôt d'au moins une couche de résine telle du Po- ly(méthacrylate de méthyle) sur le substrat flexible, o recuit de ladite couche de résine, o dépôt d'une couche de métal absorbant peu le faisceau d'électrons et d'épaisseur inférieure à 10 nm, o exposition au faisceau d'électrons pour la réalisation du motif de l'électrode, o retrait de ladite couche de métal, o développement de la résine, o dépôt du matériau métallique pour la réalisation de l'électrode, o retrait de la résine.
20. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit dépôt de la couche de résine est précédé du dépôt d'une première cou- che de résine telle que du méthacrylate de méthyle.
21. Procédé selon l'une des revendications 19 ou 20 caractérisé en ce que ladite couche de métal absorbant peu le faisceau d'électrons est une couche d'aluminium,
22. Procédé selon l'une des revendications 17 à 21 caractérisé en ce que ladite électrode de grille est réalisée en aluminium, le procédé comportant une étape d'oxydation de ladite électrode de grille suivant les étapes suivantes : o exposition de ladite électrode d'aluminium à un gaz oxygène, o recuit de ladite électrode d'aluminium pendant une durée suffi- santé pour réaliser un revêtement d'oxyde d'aluminium sur une épaisseur inférieure à 20 nm.
23. Procédé selon l'une des revendications 17 à 22 caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable d'appauvrissement en nanotubes métalliques de la goutte de solvant contenant initialement un mélange indifféren- cié de nanotubes métalliques et semiconducteurs, l'appauvrissement étant réalisé en répétant plusieurs étapes de diélectrophorèse successives.
24. Procédé selon l'une des revendications 17 à 23 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de destruction des nanotubes métalliques compris dans ladite pluralité de nanotubes sensiblement alignés.
25. Procédé selon l'une des revendications 17 à 24 pour la réalisation d'un transistor selon la revendication 9 caractérisé en ce que le dopage des nanotubes situés dans la zone séparant ladite électrode de grille et lesdites électrodes de contact est réalisé suivant un traitement chimique permettant d'améliorer la conductivité des nanotubes localisés dans ladite zone.
26. Procédé selon l'une des revendications 17 à 24 pour la réalisation d'un transistor selon la revendication 9 caractérisé en ce que le dopage des nanotubes situés dans la zone séparant ladite électrode de grille et lesdites électrodes de contact est réalisé par un dépôt de molécules ou d'une couche polymérique sur les nanotubes localisés dans ladite zone.
27. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdites molécules ou ladite couche polymérique sont photosensibles de sorte que la conductivité des nanotubes est améliorée par éclairement.
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