Projet ANR -21-CE24-0030

TUNNE2D

Diodes tunnel miniaturisables à base de matériaux 2D

La société de l’information et de la communication requiert des réseaux de transmission et de traitement des données à très haut débit, nécessitant des composants haute fréquence (HF). Les dispositifs à effet tunnel (DTs) représentent un élément de base essentiel, aux performances potentiellement supérieures à celles des dispositifs thermoïoniques. En effet, le transport de porteurs par effet tunnel inter bandes ne souffre pas des limitations dues à l’activation thermique et peut conduire à une résistance différentielle négative (RDN), caractéristique unique et différenciante pour le développement des sources et détecteurs HF. Cependant, les DTs sont très sensibles à la structure chimique et électronique de l’interface tunnel et leurs performances restent limitées par la nature covalente des liaisons à l’interface lorsqu’ils sont fabriqués à l’aide de semi-conducteurs tridimensionnels (3D) tels Si, Ge ou III-Vs.
Au contraire, l’absence de liaisons pendantes de surface dans les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (DMTs) permet la formation d’hétérostructures van der Waals (vdW) sans adaptation de réseau et une intégration sans contrainte. L’un des principaux objectifs du projet TUNNE2D est d’étudier la fabrication d’hétérostructures  vdW sans liaisons pendantes aux interfaces. Des résultats expérimentaux récents ont confirmé la valeur ajoutée des DMTs pour les DTs gouvernés par le transport tunnel bande à bande. Toutefois, à ce jour, ces dispositifs ont été élaborés à partir de couches exfoliées ou transférées. Ces procédés se traduisent par une faible intégrité des interfaces ainsi que par une fiabilité et un passage à l’échelle limités.
Cette proposition vise à évaluer les capacités des DMTs pour les dispositifs à effet tunnel. À cette fin, des diodes tunnel backward, Esaki et résonantes seront fabriquées à l’échelle du wafer et entièrement caractérisées à basse et haute fréquence. Les objectifs sont: i) la croissance de couches et d’hétérostructures de DMTs par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et épitaxie par jets moléculaires (EJM); ii) la caractérisation complète des couches et des hétérostructures, y compris les propriétés d’interface et l’alignement des bandes; iii) la conception de diodes tunnel basée sur des calculs DFT des propriétés des matériaux et du transport quantique dans les dispositifs; iv) la fabrication de diodes tunnel; v) la comparaison entre les DTs fabriqués par CVD ou EJM afin de donner à la communauté un aperçu des avantages/inconvénients des deux approches; vi) l’évaluation comparative des diodes à base de DMTs par rapport aux diodes conventionnelles à base de semi-conducteurs 3D.
Le projet se concentrera sur la famille des DMTs à base de Se offrant la variété de matériaux requise pour fabriquer ces diodes, à savoir des couches métalliques, semi-conductrices de type p et n avec différentes affinités électroniques. Notre approche repose sur la forte interaction entre les aspects matériaux, la modélisation et la simulation et l’étude électrique des dispositifs. Elle rassemble 3 partenaires académiques (IEMN, CINTRA, C2N) ayant des compétences et des équipements complémentaires dans l’élaboration et la caractérisation des matériaux, la fabrication et la simulation des dispositifs. L’IEMN a récemment installé un système EJM entièrement dédié à la croissance des DMTs et est expert dans le développement de dispositifs 2D avec des techniques de fabrication avancées. CINTRA est très actif dans le domaine de la croissance des DMTs par CVD et a récemment démontré la polyvalence de cette technique pour plus de 30 matériaux. Le C2N a une longue expérience dans les simulations de dispositifs à effet tunnel et s’est récemment concentré sur les DMTs. Le succès du consortium s’appuiera à la fois sur un partenariat à long terme de plus de 10 ans entre l’IEMN et CINTRA et sur la longue expérience de collaboration au sein de projets de l’IEMN et du C2N.

Partenaires

Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, IEMN

Coordinateur : Xavier Wallart

CNRS International – NTU – Thalès reserach Alliance, CINTRA

Responsable scientifique : Pr. Beng Kang Tay

Centre de nanosciences et de Nanotechnologies, C2N

Responsable scientifique : Marco Pala

Catalyse, Polymérisation, procédés et matériaux, CP2M

Responsable scientifique : Stéphane Daniele

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