Observer la "piézo-résistance géante" dans un nanocristal de silicium
Publié par Adrien le 01/08/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Grâce à une utilisation originale de la spectroscopie d'impédance, des chercheurs ont mis en évidence l'origine de la grande variabilité de résistance électrique d'une plaquette commerciale de silicium-surisolant, lorsqu'elle est soumise à une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...).

L'industrie micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.) cherche en permanence à améliorer les performances des circuits intégrés. La réduction de la taille des dispositifs jusqu'à l'échelle nanométrique, ainsi que la contrainte mécanique constituent les approches les plus utilisées. La contrainte mécanique permet de modifier la résistance électrique des cristaux parfaits du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), un effet physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) appelé "piézo-résistance" qui est à la base des technologies dites "strained silicon", où les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de silicium sont serrés en deçà de la distance interatomique normale.


Hors de contrainte (à gauche) une partie des trous est piégée sur des états associés avec des défauts cristallins à la surface de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) en silicium (flèche orange). En pliant le substrat (à droite), pour lui appliquer une contrainte, le piégeage est partiellement éteint, ce qui augmente considérablement le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de trous dans la bande (vb), réduisant ainsi fortement la résistance électrique (flèche jaune).
© LPMC (CNRS/X)

Depuis quelques années est apparue dans la littérature scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) une grande variété d'effets piézo-résistifs contradictoires dans les nanodispositifs en silicium. Certains groupes prétendent que la piézo-résistance du nanosilicium peut être bien plus importante que celle du "strained silicon" habituel, d'autres, majoritaires, affirment qu'elle reste comparable. L'origine et l'existence même d'un tel effet géant de piézo-résistance était donc sur la sellette.

En utilisant une technique expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il...) plus communément employée par les électro-chimistes, la spectroscopie d'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:), les physiciens du laboratoire Physique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) condensée (LPMC, CNRS/Ecole Polytechnique) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du...) (IEMN, CNRS/ISEN Lille, Univ. Polytechnique Hauts-de-France/Ecole Centrale de Lille/Univ. Lille) en France, et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Melbourne en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus...) ont mis en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) un effet géant de piézo-résistance dans une couche ultra-mince de silicium.

La spectroscopie d'impédance permet de mesurer l'impédance électrique sur une large gamme de fréquences, ce qui a constitué un élément clé de cette découverte. Cela revient en effet à injecter dans le silicium ultramince des trous libres qui parcourent l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) dans un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) plus ou moins long (selon la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) de mesure) par rapport à un temps caractéristique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) ; le temps de piégeage de ces trous sur des défauts cristallins de surface. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) clé des chercheurs est que la piézo-résistance géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux...), là où la contrainte mécanique modifie considérablement la résistance de la plaquette, n'apparaît que quand le temps de parcours des trous est comparable au temps de piégeage, c'est-à-dire pour des fréquences intermédiaires. Pour des fréquences plus basses, comme pour celles plus élevées, l'effet géant est absent. Ceci suggère qu'une modification du temps de piégeage induite par la contrainte mécanique est à l'origine de l'effet. Grâce à la spectroscopie d'impédance, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des effets piézo-résistifs revendiqués dans un large éventail de nano-objets en silicium ont donc été observés dans une seule plaquette commerciale.

Ce résultat apporte un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) nouveau dans le débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des...) sur la piézo-résistance du nano-silicium et du fait qu'il est observé dans une plaquette commerciale, ouvre la voie au développement de technologies des défauts sous contraintes pour des applications telles que les nano-capteurs de contrainte ultra-sensibles, les diodes à commutation rapide ou les protocoles de lecture électrique pour les technologies quantiques.

Référence

Giant, anomalous piezoimpedance in silicon-on-insulator, H. Li, C.T.K. Lew, B.C. Johnson, J.C. McCallum, S. Arscott et A.C.H. Rowe, Physical Review Applied, le 3 avril 2019.
DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.044010.
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