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Des dispositifs microélectroniques fabriqués en combinant chimie et lumière

Des chercheurs de l'Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / UHA), en collaboration avec une équipe du National Chiao Tung University de Hsinchu (Taiwan), ont mis au point un matériau semi-conducteur préparé par voie liquide et mis en forme par écriture laser. Ils ont montré que la lumière permet non seulement de fabriquer des structures avec une résolution inédite mais que ce procédé photochimique améliore les propriétés électriques du matériau. Cette voie permet d'envisager d'intégrer très simplement des dispositifs microélectroniques sur différents types de substrat en simplifiant les étapes de dépôt, gravure et post-traitement du matériau. Ces résultats viennent d'être publiés dans la revue Scientific Reports.

Les composants utilisés dans les dispositifs microélectroniques (transistors, circuits intégrés …) sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs comme le silicium au moyen de diverses technologies dont la photolithographie. Les oxydes métalliques amorphes sont aujourd'hui considérés comme une alternative au silicium. En effet, la forte mobilité des porteurs de charge (conductivité électrique) en phase amorphe et l'uniformité des couches à grande échelle ont permis de développer récemment des applications en électronique comme des afficheurs, des capteurs ou des détecteurs de rayons X. De plus, préparés par voie liquide et transparents, ces matériaux ouvrent de nouveaux horizons dans le domaine de l'électronique à bas coût par impression pour des composants transparents et intégrables sur des substrats plastiques.

Dans ce contexte, les chercheurs ont utilisé une source laser émettant dans l'UV profond (DUV) pour écrire les microstructures qui vont constituer le matériau semi-conducteur. Le matériau est initialement préparé par voie liquide, par chimie sol-gel, à partir de complexes métalliques, précurseurs d'oxyde. Sous cette forme, il peut être déposé simplement sous forme de film mince. Le rayonnement DUV est ensuite capable d'induire une réticulation locale du matériau , ce qui permet d'écrire des microstructures par laser . Cette étape étant conduite sans échauffement, les atomes n'ont pas le temps de se réorganiser. La répartition aléatoire des atomes dans le matériau amorphe qui en résulte améliore les propriétés électriques. Ainsi, les chercheurs ont pu fabriquer des transistors film mince (TFT). Les TFT fabriqués avec une étape de "recuit" photochimique présentent les meilleures performances en terme de conduction électrique. Le gain est d'autant plus important que la température du recuit est basse. Typiquement, des mobilités de l'ordre de 10 cm2/Vs sont alors obtenues, comparables aux valeurs obtenues pour des TFT élaborés avec des procédés beaucoup plus complexes.

L'absence de chauffage rendue possible par le laser présente un autre avantage : elle évite des phénomènes de condensation du matériau sol-gel par effet thermique dans les zones non-irradiées, ce qui est difficilement évitable avec d'autres sources lumineuses comme les lampes UV. Ainsi, il est possible d'augmenter sensiblement la résolution de la gravure et des structures de semi-conducteur d’une largeur de 300 nm ont ainsi pu être produites. En utilisant par ailleurs d'autres propriétés de la lumière laser, il est également possible de produire par interférence, en une seule étape, des réseaux de lignes semi-conductrices, structures pouvant présenter un intérêt pour la réalisation de capteurs.

Les auteurs remercient le CNRS pour cette collaboration franco-taïwanaise qui a débuté en 2010 avec un projet d’échange scientifique CNRS/MOST.

soppera

Procédé de fabrication d'un transistor TFT à partir d'une solution de précurseur d'InGaZnO par lithographie laser et réponse électrique typique pour un matériau traité photochimiquement et à 300°C.

Référence

Hung-Cheng Lin, Fabrice Stehlin , Olivier Soppera, Hsiao-Wen Zan, Chang-Hung Li, Fernand Wieder, Arnaud Ponche, Dominique Berling, Bo-Hung Yeh, Kuan-Hsun Wang,

Deep ultraviolet laser direct write for patterning sol-gel InGaZnO semiconducting micro/nanowires and improving field-effect mobility

Scientific Reports, 2015, 5, 10490 (doi:10.1038/srep10490)

Brevet

Stehlin Fabrice, Hung-Cheng Lin, Olivier Soppera, Hsiao-Wen Zan, Chang-Hung Li, Fernand Wieder, Process for obtaining patterned metal-oxide thin films deposited onto a substrate, filmed substrates obtained thereof, and semiconductor nanodevices comprising them, brevet européen déposé EP15166292.

Contact chercheur

Olivier Soppera, Institut de science des matériaux de Mulhouse

Courriel : olivier.soppera@uha.fr

Tél. : 03 89 60 87 00

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken