BONNEG — Films bidimensionnels épitaxiés BN/epigraphène/SiC pour la nanoélectronique

Cette proposition aborde les deux principaux obstacles au développement du graphène pour la nano-optoélectronique à haute performance : comment l’intégrer de manière efficace, fiable, et sans contamination dans des dispositifs électroniques et comment exploiter ses propriétés exceptionnelles. Il est proposé de valider le principe de fonctionnement de transistors tunnel à effet de champ ultra-minces (UB-TFET), construits à base d’hétérostructures épitaxiales graphène / nitrure de bore bidimensionnelles (2D) avec un schéma d’intégration viable à grande échelle. Les transistors TFET sont une alternative efficace aux transistors à effet de champ standards, inopérants pour le graphène en l'absence de bande interdite. Ils devraient dépasser la limite de pente de sous-saturation des transistors communs, d’où le grand intérêt que leur porte l’industrie. Le TFET sera basé sur du graphène épitaxié sur monocristal de SiC (épigraphène ou EG) ; la mise en œuvre la plus avancée utilisera la conductance exceptionnelle des nano-rubans EG récemment découverte. Ceux ci sont des conducteurs balistiques quantifiés à température ambiante. Mais avoir un excellent graphène est loin d’avoir un dispositif et le composant actif doit être intégré. Ce projet est basé sur l’idée fondamentale que seule une croissance (hétéro) épitaxiale peut fournir le contrôle atomique requis pour des dispositifs fiables. La croissance épitaxiale assure des interfaces propres et une orientation précise des couches empilées, en évitant les molécules piégées et le caractère aléatoire inhérent au transfert de couche. Cependant, très peu de progrès ont été accomplis jusqu'à présent dans la fabrication de couche diélectriques 2D sur le graphène; la plupart des dépôts nécessitent une altération de la surface du graphène pour leur adhérence, ce qui compromet irrémédiablement ses performances électroniques. Les couches de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sont considérées comme le meilleur substrat pour le graphène, mais seuls des flocons de BN de taille micrométrique sont disponibles, rendant l'intégration fastidieuse, peu fiable et impossible à grande échelle. Nous proposons donc de développer l'épitaxie de h-BN sur EG par dépôt en phase vapeur d’organométallique (MOVPE). Nos travaux préliminaires montrent que cette technique fournit des interfaces épitaxiales graphène / h-BN inégalées, compatibles avec l'électronique haute performance et des capacités de montée en gamme immédiate. L'hétérostructure SiC / EG / h-BN donnera accès aux propriétés du graphène dans un environnement exceptionnellement reproductible et propre, non disponible autrement. Les conditions de croissance seront étudiées pour produire un h-BN ultra mince sur EG, qui n'a pas encore été atteint. Cette proposition suivra ensuite deux voies pour construire des prototypes UB-TFET verticaux et latéraux. C'est une alternative extrêmement prometteuse au paradigme standard des FET, qui pourrait permettre un fonctionnement à très haute fréquence ainsi qu'un fonctionnement à faible consommation. Ce projet est un partenariat étroit et bien ciblé entre trois équipes ayant un passé de collaboration très réussie et une parfaite complémentarité: CNRS-Institut Néel (Grenoble), CNRS / ONERA-Laboratoire d’étude des Matériaux (Châtillon) et CNRS / Georgia Institute de la technologie -UMI 2958 (Metz, en collaboration avec GT Atlanta). Nous nous appuierons sur l’important jalon de la croissance épitaxiale de h-BN sur EG, pour développer le BN ultra-mince et la fabrication de dispositifs transistors. L’IN se chargera de la fourniture d’épigraphène, concevra et réalisera les dispositifs et effectuera les mesures de transport; l'équipe UMI produira le film épitaxial BN et fournira une étude structurale de base pour une optimisation rapide du processus de croissance; le LEM réalisera les études structurales et optiques avancées, notamment des études HR-TEM, essentielles à la caractérisation des couches de films 2D ultra-minces.