Technologie durable et stratégique des transistors à effet de champ à base de 2D-InSe pour les applications à haute fréquence

Sustainable and strategic technology 2D-InSe-based-Field Effect Transistors for high frequency applications

• Auteur / Autrice : Manis Souallah
• Direction : Sylvain Bollaert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

Tec

Matériau 2D

Haute fréquence

Fet

2D material

High frequency

Résumé

Cette thèse porte sur le développement de transistors à effet de champ (FET) durables et stratégiques à base de 2D-InSe pour des applications à haute fréquence, en se concentrant sur les limites et les perspectives d'avenir des technologies III-V. Les technologies III-V, remarquables pour leurs performances élevées dans les applications électroniques et photoniques en raison de la grande mobilité des matériaux, des capacités d'ingénierie de la bande d'énergie et de la bande interdite directe, sont essentielles pour le futur réseau mobile 6G et de nombreux dispositifs THz. Toutefois, ces technologies se heurtent à des difficultés liées au coût élevé et à la rareté de matériaux tels que le gallium et l'indium, qui proviennent essentiellement de Chine, et à l'impact environnemental de leurs processus d'extraction. Pour atténuer ces problèmes et réduire la dépendance géopolitique, cette thèse explore l'utilisation de matériaux bidimensionnels (2DM), en particulier l'InSe, pour les FET sur des substrats en silicium. Les matériaux bidimensionnels offrent des avantages tels que des exigences minimales en matière de matériaux et une compatibilité d'intégration avec les plaquettes de silicium, évitant ainsi le recours à des matériaux rares. La thèse vise à développer des FET à base d'InSe en utilisant d'abord des méthodes d'exfoliation pour créer des contacts ohmiques et des contacts MOS (Metal Oxide Semiconductor), étant donné l'indisponibilité initiale d'InSe 2D de qualité microélectronique. La recherche consiste à optimiser les contacts ohmiques en variant le choix du métal, la préparation de la surface et le recuit, et à réaliser des contacts de grille en mettant l'accent sur la qualité de l'oxyde, en utilisant la croissance de l'oxyde natif ou le dépôt de couches atomiques (ALD). Ces processus seront examinés à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM), de la microscopie électronique à balayage (SEM), de la diffraction des rayons X et de la spectroscopie Raman. Les transistors terminés sur des substrats InSe-silicium feront l'objet d'une caractérisation approfondie en courant continu et de mesures de micro-ondes sur plaquette jusqu'à 110 GHz. Les propriétés de l'InSe, telles qu'une bande interdite passant d'indirecte à directe avec l'augmentation de l'épaisseur, une mobilité élevée des porteurs et un rapport ION/IOFF important, en font un candidat prometteur pour les applications photoniques, la fabrication de memristors et la thermoélectricité. L'étude vise à démontrer le potentiel des FET à base d'InSe pour répondre aux demandes croissantes de communication à haut débit et d'applications IoT, tout en répondant aux préoccupations environnementales et de la chaîne d'approvisionnement .

This thesis addresses the development of sustainable and strategic 2D-InSe-based Field Effect Transistors (FETs) for high-frequency applications, focusing on the limitations and future prospects of III-V technologies. III-V technologies, notable for their high performance in electronic and photonic applications due to high material mobility, energy band engineering capabilities, and direct bandgap, are critical for the upcoming 6G mobile network and numerous THz devices. However, these technologies face challenges due to the high cost and scarcity of materials like Gallium and Indium, predominantly sourced from China, and the environmental impact of their extraction processes. To mitigate these issues and reduce geopolitical dependency, this thesis explores the use of two-dimensional materials (2DMs), specifically InSe, for FETs on silicon substrates. 2DMs offer advantages such as minimal material requirements and integration compatibility with silicon wafers, avoiding the need for rare materials. The thesis aims to develop InSe-based FETs by first utilizing exfoliation methods to create ohmic contacts and Metal Oxide Semiconductor (MOS) contacts, given the initial unavailability of microelectronic-grade 2D-InSe. The research involves optimizing ohmic contacts through variations in metal choice, surface preparation, and annealing, and realizing gate contacts with a focus on oxide quality, employing native oxide growth or Atomic Layer Deposition (ALD). These processes will be examined using Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. The completed transistors on InSe-silicon substrates will undergo extensive characterization in DC and on-wafer microwave measurements up to 110GHz. InSe's properties, such as a band gap transitioning from indirect to direct with increasing thickness, high carrier mobilities, and a significant ION/IOFF ratio, make it a promising candidate for photonic applications, memristor manufacturing, and thermoelectricity. The study aims to demonstrate the potential of InSe-based FETs to meet the growing demands for high-speed communication and IoT applications, while also addressing environmental and supply chain concerns