Design, study and modeling of a new generation of silicon nanowire transistors for biosensing applications
Conception, étude et modélisation d’une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs
Résumé
A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field.
Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible.
Origine : Version validée par le jury (STAR)