etude des detecteurs demolecules biologique a base …

République Algérienne Démocratique et PopulaireMinistère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

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UNIVERSITE D'ORANFACULTE DES SCIENCES

DEPARTEMENT DE PHYSIQUE______

MEMOIRE

Présenté par Mademoiselle

MAHI Fatima

Pour obtenir

LE DIPLOME DE MAGISTER

Spécialité : PHYSIQUEOption : Micro-Opto-Electronique

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Intitulé :

Soutenu le 23.01.2008 devant le Jury composé de MM. :

M. SEBBANI Professeur, Université d’Oran, PrésidentK.ZITOUNI Professeur, Université d’Oran, RapporteurL. DAHMANI M.C. , Université d’Oran, ExaminateurA.KADRI Professeur, Université d’Oran, ExaminateurA.ZANOUN Professeur, ENSET d’Oran, Examinateur

ETUDE DES DETECTEURS DEMOLECULESBIOLOGIQUE A BASE D’UN NANO-MESFET DE

GaN/AlGaN

MAHI Fatima Etude d’un détecteur de molécules biologiques à base d’un Nano-MESFET de GaN/AlGaNMagister en Micro-Opto-Electronique Dpt de Physique Université d’Oran 2008

2


3

Remerciements_________

Ce mémoire de magister de Micro-Opto-Electronique a été effectué au sein du

Laboratoire D’Etude des Matériaux, Optoélectronique et Polymères (LEMOP); au

département de Physique; à l’université d’Oran Es-Sénia. Sous la direction de

Madame le Professeur K KADRI-ZITOUNI.

Mes sincères remerciements et reconnaissance à Madame le Professeur K KADRI-

ZITOUNI et Monsieur le Professeur A KADRI de m’avoir accueilli au laboratoire

LEMOP et d’avoir été compréhensif pendant que je traversais une période très

difficile.

Je remercie particulièrement Madame le Professeur K KADRI-ZITOUNI qui m’a

encadré durant ces deux années de préparation de thèse.

Je voudrais également remercier Monsieur le Professeur A KADRI de m’avoir

toujours éclairé sur le domaine des composants semi-conducteurs.

Je remercie aussi madame et messieurs les membres du jury :

Monsieur le Professeur M SEBBANI, de l’université d’Oran, d’avoir accepté de

présider le jury et d’examiner mon travail.


4

Monsieur le Maître de Conférence L DAHMANI de l’université d’Oran, d’avoir

accepté d’examiner mon travail.

Monsieur le Professeur A ZANOUN, de l’ENSET d’Oran, d’avoir accepté d’examiner

mon travail.

Un grand merci à mes collègues et amis que j’ai eu la chance de côtoyer et travailler

avec ; en particulier : BENHARRATS Farah, AYAT Maha, TOURABI Nawel, MAMI

Fatima, BOUCHIKHAOUI Houari, HAMMAR Salim, DJELLAL Abdellah et HEBALI

Khaled, Belmiloud Nawel, BENTABET Hafif; qui tout au long de mon travaille m’ont

aidé et soutenu.

Pour finir, je tiens à remercier ma famille pour son soutien et surtout mes parents

pour leur patience et leur compréhension.

Sans oublier la personne qui compte le plus pour moi, mon cher mari: FAKIR Amine.


5

Je dédie ce travail à mes parents :

Charef et Khouira ;

A mes sœurs:

Khadidja, Nadia, Sarah et ma très chère Hanane ;

A mes tantes & mon oncle Habib ;

A Yacine ;

A mon mari Amine

Et à tous ceux qui ont cru en moi.


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TABLE DES MATIERES_____

Introduction générale………………………...………………………………………………7

Chapitre I: Introduction à la détection d’entités biologiques…………...……………….10I. Introduction…………………………………………………………………………11II. Types et classification des molécules ………..……………………………………11III.Propriétés d’un détecteur……………………………………………………………12IV. Classification des détecteursde molécules biologiques……………………………13V. Les nanotechnologies……………………………………………………………. ….186. Conclusion ………………………………………………………………………………….27

Chapitre II : Propriétés des Matériaux & Héterostructures de GaN/AlGaN…………...291. Introduction………………………………………………………………………………….302. Matériaux nitrures III-N……………………………………………………………………303. L’hétérostructure GaN/AlGaN…………………………………………………………….434. Conclusion………………………………………………………………………………......48

Chapitre III : Transistors à effet de champs à semiconducteurs III-N : MESFET……..52I. Introduction………………………………………………………………………......53II. Le transistor MESFET………………………………………………………………..55III.Le transistor MODFET ………………………………………………………………57IV.Le transistor HEMT …………………………………………………………………61V. Influence du dopage de la barrière et de la composition d’alliage sur les

caractéristiques des transistors à effet de champ à base de GaN/AlxGa1-xN…………64VI. Les nanostructures MESFET…………………………………………………………66VII. Conclusion……………………………………………………………………70

Chapitre IV :Propriétés du Gaz 2DEG à l’interface: Interface bio-électronique……..74I. Introduction…………………………………………………………………………..76

2. Effets électrostatiques à l’Interface entre deux matériaux……………………………76III.1 Effets de Polarisation dans le gaz bidimensionnel……………………………82IV.1 Interface bio-électronique……………………………………………………855. Conclusion……………………………………………………………………………90

Chapitre V : Application à la détection de molécules biologiques……………………….921. Introduction…………………………………………………………………………...932. Principe de la détection biologique…………………………………………………...933. Application à la détection de molécules biologiques…………………………………974. conclusion…………………………………………………………………………...102

Conclusion générale………………………………………………………………………103


7

Introduction générale

Les nouveaux progrès dans le domaine des Nanotechnologies ont ouvert de

nouvelles voies pour la fabrication et la structuration de composants, en particulier

des composants bio-électroniques de taille nanométrique c’est-à-dire la

miniaturisation à l’échelle du nanomètre.

Les nanostructures se trouvent aujourd’hui au centre d’intérêt de plusieurs domaines

scientifiques allant de la physique, chimie, en passant par la science des matériaux

jusqu’aux nouvelles applications en biologie en particulier dans le domaine de la

biodétection, dont les propriétés spécifiques sont :

Haute sensibilité,

Capacité d’intégration,

Grande stabilité,

Rapidité et Débit.

Notre travail consiste à étudier la faisabilité d’un détecteur de molécules biologiques

élaboré à partir d’un Nano-MESFET (Metal-Semi-conductor-Field-Effect-Transistor) à

nanostructure de nitrures III-V (GaN/AlGaN).

L’intérêt particulier de ce type de composants bio-électroniques est qu’il associe sur

un même support des organismes biologiques et électroniques connectés entre eux.

La réalisation de ce détecteur nécessite de surmonter la difficulté d’associer des

entités biologiques fonctionnalisées qui sont des détecteurs biologiques [naturel

(neurone, nerfs, ADN, enzymes, protéines …)] et des composants électroniques au

niveau des signaux électroniques.

Les entités biologiques sont les membranes sensibles à l'espèce à détecter comme

les virus, enzymes, protéines, neurocapteurs, anticorps ....., dont elles sont fixées à

ou près de la surface de la grille des transistors à effet de champ par une absorption

physique, ou chimique ou par piégeage dans une membrane inerte.


8

D’autre part, les transistors à effet de champ sont des composants électroniques

unipolaires, qui sont utilisés dans des dispositifs actifs, tels que les amplificateurs, et

leurs fabrications sont compatibles avec la réalisation des circuits intégrés.

L’élaboration de ces transistors est à base de Semiconducteurs à grand gap:

matériaux nitrures qui présentent une polarisation spontanée et piézoélectrique,

dont l’alliage AlGaN, sont chimiquement inertes dans les solutés et non-toxiques aux

cellules vivantes, qui sont des conditions de base pour l'application comme matériau

de substrat pour les biodétecteurs

Ces transistors sont d’un grand intérêt pour les applications bioélectroniques comme

la détection électronique de biomolécules.

Au Chapitre I, nous présentons une introduction à la détection d’entités biologiques.

On donne une classification des molécules; qu’elles soient minérales, organiques ou

biologiques selon leurs natures, leurs forces de liaisons et leurs propriétés

physicochimiques.

Le Chapitre II est consacré à l’étude des propriétés physiques des différents

matériaux nitrures III-N qui nous intéressent dans ce travail : GaN, AlN, et leurs

alliage ternaire AlGaN.

Nous traiterons en particulier les effets de polarisation spontanée et piézo-électrique

qui caractérisent ces matériaux et jouent un rôle essentiel dansl’amplification.

Au chapitre III, nous présentons une étude comparative des différents types de

transistors à effet de champ tel le MESFET, MODFET et HEMT à base de différents

matériaux : matériaux à faible gap tels l’Arséniure de Galium GaAs/AlGaAs et les

matériaux à grand gap tels les nitrures GaN/AlxGa1-xN. On s’intéressedans ce travail

à la fabrication d’un transistor à effet de champ MESFETminiaturisé à base de

GaN/AlGaN, qui possède un canal conducteur appelé aussi gaz d’électrons à deux

dimensions (2DEG).

Le chapitre IV est consacré à l’étude des propriétés particulières de ce gaz

d’électrons bidimensionnels à haute mobilité qui se forme à l’interface de

l’héterostructure GaN/AlGaN, grâce a la discontinuité de la bande de conduction et

au champ électrique interne qui résultent d’une part de la structure Wurtzite des

matériaux nitrures, dans lequel les barycentres des charges positives et négatives ne


9

coïncident plus (polarisation spontanée), et d’autre part, de la polarisation induite

crée à l’interface par la contrainte (polarisation piézoélectrique) Ceci rend l’étude de

cegaz crée à l’interface de ces matériaux d’importance capitale.

Enfin au dernier chapitre, on va étudier le principe de fonctionnement de ce détecteur

qui va être réalisé à partir d’un nano-transistor à effet de champ qui présente la

particularité d’être une association de deux entités de nature totalement différente:

un Semiconducteur minéral sur lequel on va fonctionnaliser une entité biologique.

Ensuite, nous présentons les applications à la détection de molécules biologiques

dans plusieurs domaines qui se trouvent dans des secteurs sensibles de la société.


10

Chapitre I

Introduction à la détection d’entitésbiologiques

V. Introduction

VI. Types et classification des molécules

VII. Propriétés d’un détecteur.

VIII. Classification des détecteurs de molécules biologiques:

IV.1. Détecteurs optiques (la fluorescence sous UV).

IV.2. Détecteurs physicochimiques.

IV.3. Détecteurs électroniques (capteurs).

IV.4. Détecteurs biologiques.

IV.5. Détecteur bioélectronique.

V. Les nanotechnologies.

V.1 Biocapteurs.

V.2 Biopuce.

V.3 Détecteurs BioFET.

VI. Conclusion.


11

I. Introduction :

Les molécules biologiques et les nano-objets physiques ont à présent les mêmes

dimensions, de l’ordre du nanomètre [1].

Les technologies-clés nécessaires au développement de micro et nanosystèmes

innovants en sciences de la vie sont : la fonctionnalisation, la détection, la

manipulation et les systèmes intégrés.

L’une des plus grandes initiatives intellectuelle est de relever le défi technologique

d’arriver à joindre circuits électroniques et organismes biologiques (neurone, nerfs,

ADN, enzymes, protéines …) au niveau des signaux électroniques et ioniques [2].

La détection de la présence d’un ou de plusieurs agents pathogènes pour l’homme et

pour l’environnement est basée sur le principe de la reconnaissance moléculaire.

La réalisation d’un détecteur de molécule biologique nécessite de surmonter la

difficulté d’une connexion entre le détecteur biologique (naturel (enzymes, protéines,

neurocapteur, anticorps,…etc)) avec par exemple dans notre cas la grille d’un

MESFET qui régule par une polarisation de l’élément extérieur (capté) le courant à

travers la régulation.

Ainsi l’étude du courant, ou du signal, reviendra à identifier la molécule biologique

captée par la zone sensible.

II. Types et classification des molécules [3] :

On définit la molécule comme étant la plus petite entité d’une matière à l’état libre,

composée d’atomes.

On classe les molécules selon :

La nature des atomes et leurs nombre.

Les forces de liaisons à l’intérieur.

La symétrie de la molécule.

Leurs propriétés physicochimiques.

On fonction de ces paramètres, on les classe en trois grand groupes : les molécules

minérales ; les molécules organiques et les molécules biologiques.


12

1. Les molécules minérales :

Les molécules minérales sont composées par les éléments minerais présent sur

l’écorceterrestre, elles sont constituées par un atome, voir deux où trois. Elles ne

sont pas libres à l’état naturel, d’où la nécessite de les purifier par des techniques de

purification.

2. Les molécules organiques :

Les molécules organiques sont des macromolécules constituantes du monde

vivant. En général, elles contiennent beaucoup plus d’atome que les molécules

minérales. Dans ce type il y a toujours du carbone, d’hydrogène et de l’oxygène.

3. Les molécules biologiques :

Les molécules biologiques sont des molécules organiques vivantes (ADN, ARN,

protéines, anticorps, virus, bactérie …).

C’est ce type de molécules que notre biodétecteur devra détecter et identifier.

Il faudra trouver la meilleure entité qui peut jouer le rôle d’un bon capteur pour les

différents types de molécules.

III.Les propriétés d’un détecteur[3] :

1. Définition d’un détecteur:

Un détecteur est un système soit électronique, chimique, biologique ou thermique

destiné à reconnaître et à identifier un objet (signal) par un processus.

2. La réalisation d’un biodétecteur est basée sur des propriétés

spécifiques :

Spécificité : définit la capacité d’un détecteur de sélectionner une molécule

parmi d’autres et qui est définit par le croisement des sensitivités par rapport aux

autres molécules.

Sensibilité : conduit à détecter le moindre changement du signal de sortie a

partir d’une moindre quantité de molécule.

Le temps de réponse : on décrit l’intervalle de temps entre l'application de la

simulation et la sortie du signal.


13

Stabilité : le Biodétecteur ne change pas de propriétés bio-physico-chimique

après chaque détection.

IV.Classification des détecteurs de molécules biologiques :

En médecine et pharmacologie, la détection des molécules biologiques que ce soient

des molécules a fins curatives ou préventive à l’échelle micrométrique ou à l’échelle

nanométrique reste une opération effectuée par un groupe restreint de méthodes

comme [4] :

La spectrométrie de masse locale par ablation [4].

Les méthodes de marquage radioactif (autoradiographie) [4].

Les méthodes optiques, par exemple la fluorescence sous UV (pour détecter

certaines cellules malades ou marquer des molécules biologiques notamment

l’ADN).

Les méthodes acoustiques [3].

Il existe plusieurs types de détecteurs, ces détecteurs sont classifiés selon plusieurs

procédés comme [3] :

l’entité biologique: ADN, protéines, Enzymes.

Processus physique : optique, mécanique, électrique, magnétique,

électrochimique.

la sensibilité

la sélectivité

la nature des matériaux : membrane biologique, des composants, des

polymères, des S.C.

On peut envisager plusieurs types de biodétecteurs pour traduire le signal biologique

en signal électrique.

IV.1 Détecteurs optiques (la fluorescence sous UV) [5] :

Pour la détection de biomolécules, on utilise deux méthodes de détection optique :

la fluorescence et résonance plasmon de surface [5].


14

i. La fluorescence :

La détection de molécule biologique est la plus souvent réalisée par la fluorescence.

Les biomolécules sont étudiées par des molécules fluorescentes (fluorophores ou

fluorochromes), c-à-d le principe est basé sur le marquage des molécules biologique.

Cette méthode est basée sur la détection d’un signal optique provenant directement

des molécules étudiées.

L’énergie absorbée par les molécules peut provoquer des réactions chimiques qui

altèrent de façon irréversible les propriétés de fluorescence [5].

Exemple :

La figure I.1 représente une image obtenue par le micrographe de fluorescence.

ii. Résonance de plasmon de surface (SPR) :

Cette méthode est basée sur la modification des propriétés optiques de surface ou

de guide d’onde, engendrée par la formation de complexes cible-sonde.

Cette technique ne nécessite aucune étape de marquage des molécules à analyser

contrairement aux méthodes de détection optique basées sur la fluorescence [5].

V.1 Détecteurs électrochimiques :

Les méthodes de chois pour une détection de molécules biologique basées sur des

propriétés électrochimiques présentent un avantage majeur.

Les réactions électrochimiques conduisent à un signal électronique directement

mesurable sans avoir recourt à un système de lecture complexe.

Les stratégies électrochimiques envisagées sont fondées sur l’oxydation ou la

réduction des bases d’ADN, l’utilisation de molécules oxydo-reductrices,

l’amplification électrochimique de nanoparticules ou encore sur le transport de

charge à travers l’entité biologique [6].

Figure I.1 [2] :micrographe de fluorescence d’une adhésion entre

l’astrocyte de rat et une puce de silicium.


15

VI.1 Détecteurs électroniques (capteurs) :

Un détecteur électronique est un dispositif électronique qui sert à transformer une

grandeur physique, chimique, biologique en un signal électrique exploitable.

VII.1 Détecteur biologique :

Un détecteur biologique (naturel) est la membrane sensible à l'espèce à détecter

comme le virus, ADN, enzymes, protéines, neurocapteur, anticorps.....

Le virus :

Les virus se situent à la limite de la matière inerte et de la matière vivante. Ils ne

peuvent se multiplier qu’après avoir envahi les cellules d’un autre être vivantes et ne

contiennent qu’un acide nucléique [8].

Dans notre étude, on utilise des virus qui produisent des substances après un

contact avec des molécules biologiques utilisées comme signal d’entrée (une

modification du potentiel électrochimique) et transformé en un signal électrique grâce

à un dispositif électronique.

ADN (acide désoxyribonucléique):

L’ADN est la molécule qui porte l’information génétique nécessaire à l’organisation

et à l’activité cellulaire des organismes. Cette information est inscrite sous forme

Grandeur physiqueà mesurer

(mesurande)

Corpsd’épreuve

Elément detransduction

Signal desortie

Grandeur physiqueintermédiaire

Grandeur physiqueexploitable

Figure I.2. [7]: schéma de principe d’un capteur


16

Chimique: L’ADN est un polymère constitué par l’assemblage de nucléotides portant

chacun l’une des quatre bases Adénine (A), Thymine (T), Guanine (G) ou Cytosine

(C). L’association entre bases s’effectue par des liaisons hydrogène.

C’est l’ordre d’apparition de ces bases le long du brin d’ADN qui constitue

l’information génétique [9].

L’ADN est la carte d’identité unique et infalsifiable de chaque être vivant, utilisable

autant qu’un conducteur électrique dans certain biocomposants nanoélectroniques.

L’hybridation est l’une des propriétés spécifique qu’on peut trouver dans l’ADN

Protéine :

Les protéines sont les produits de l’expression des gènes. Elles constituent les

agents d’exécution de la cellule. Ce sont des polymères d’acides aminés, donc des

macromolécules [10].

Enzyme :

Ce sont des protéines qui ne sont pas modifié au cours d’une réaction.

Les enzymes sont des molécules indispensables aux réactions métaboliques

puisqu’elles jouent le rôle d’un catalyseur en abaissant l’énergie d’activation [11].

Anticorps, Antigène :

Un anticorps est une protéine qui se fixe spécifiquement à une substance

particulière, son antigène. Chaque molécule d’anticorps a une structure unique qui lui

permet de se lier spécifiquement à son antigène. Tous les anticorps partagent

Figure I.3 [5] :Représentation schématique de la structure de la molécule d’ADN.


17

cependant la même structure générale et sont classés dans la famille des

Immunoglobulines ou IgG [8].

On appelle antigène toute molécule qui se fixe spécifiquement à un anticorps. Leur

nom provient de leur capacité à générer des anticorps.

Il peut être un virus, une bactérie, un parasite, un vaccin, une cellule cancéreuse [8].

VIII.1 Détecteur bioélectronique :

C’est la connexion entre un composant électronique (un FET, un transducteur,) un

élément biologique (un brin d’ADN, neurotransmetteur, un virus, un nerf, enzymes,

protéines, anticorps…) et à fin de créer un composant dit Bioélectronique qui utilise

la sensibilité de la membrane biologique pour obtenir un signal transformé en un

signal électronique par le composant électronique [12].

Détecteur

Virus

Transducteur, FETreconnaissance Traitement de signal

Amplifier

Temps

Sig

nalmolécule

Figure I.4 [12] : Le principe du fonctionnement d’un détecteur bioélectronique


18

V. Les nanotechnologies :

Dans le domaine des Nanotechnologies, les récents progrès ont ouvert de nouvelles

voies pour la structuration et la fabrication de composants de taille nanométriques.

La somme des connaissances accumulées depuis plus de 20 ans dans le domaine

des nanotechnologies couplée à la convergence des disciplines de la chimie, de la

biologie et de la physique ouvrent à l'avenir la voie de nouvelles applications en

particulier dans le domaine de la biodétection [5].

Les propriétés spécifiques de la biodétection sont: haute sensibilité, capacité

d’intégration et rapidité.

V.1 Les Biocapteurs :

Un Biocapteur est un outil permettant de transformer un phénomène biochimique en

un signal électrique.

Il associe un composé biologique qui est un élément de reconnaissance moléculaire

« Biorécepteur » à un système physique « Transducteur » qui convertit en signal

électrique la modification biochimique survenue au niveau du récepteur [13].

Le 1er biocapteur (développé par Clark et Lyons en 1962 pour la détection du

glucose) était constitué de la glucose oxydase (GO) piégée à la surface d’une

électrode de Pt par une membrane à dialyse permettant la diffusion des substrats et

produits à/de la couche enzymatique [14].

Un biorécepteur: c’est un élément de reconnaissance moléculaire comme le

virus, enzymes, protéines, neurocapteur, anticorps ...., il est fixé à ou près de la

surface du transducteur par une absorption physique,ou chimique ou par

piégeage dans une membrane inerte [14].

Le choix du biorécepteur dépend [13] :

De la spécificité.

De sa réponse.

De sa durée de vie.

De sa stabilité opérationnelle et environnementale.


19

Un transducteur : est un composant soit électrochimique, soit à fibres optiques ou

piézoélectrique [13] qui détecte les changements physiques se produisant dans le

biorécepteur suite à la liaison d’une molécule et les convertit en un signal de

sortie qui peut être amplifié, affiché et sauvegardé [14].

Le choix du transducteur dépend [15]:

Du type de réaction et de substances libérées ou consommées

Ex: modification de charge, de PH, variation de fluorescence…

De l’utilisation du biocapteur:

Ex : application biomédicale: biocapteurs à usage unique miniaturisés

Des possibles interférences:

Ex: dans les milieux troubles, la détection optique peut être perturbée

Élément de reconnaissancemoléculaire

Transducteur Élément de reconnaissancemoléculaire

Transducteur

Figure I.5 [14] :Illustration schématique de l’architecture d’un biocapteur.


20

V.1.1 Biocapteurs à base d’un nanotube de carbone:

Nanostructures de carbone et nanotubes :

Le carbone peut exister sous trois formes cristallines différentes, les structures les

plus connues sont le diamant et le graphite, la troisième structure du carbone

regroupe les structures de type fullerènes (voir la figure I.6). Il s’agit d’une nouvelle

classe de matériaux formés par l’enroulement de plans graphitiques en sphère

(fullerènes de type C60 ou C70 semblables à un ballon de football) ou en cylindre

(nanotubes) [16].

Les nanotubes de carbone sont constitués de feuillets de graphite enroulés sur eux-

mêmes de façon à former des cylindres,

Les différentes structures de nanotubes :

On distingue deux types :

SWNT "Single Walled NanoTubes" :

Ce sont des nanotubes monoparois, ils sont constitués d’un seul feuillet graphitique.

Le nanotube a une forme d’une hélice qui dépend de la façon dont les deux bords de

la feuille de graphène vont se recouper. Chaque tube pourra être désigné par deux

entiers (m, n), valeurs dans la base unitaire du réseau hexagonal des composantes

du vecteur reliant un même point le long de la circonférence [17].

Les SWNTs sont classée en trois familles suivant leurs propriétés de symétrie [16] :

Figure I.6 : une structure de type fullerènes.


21

i. La structure "armchair" (m, m) : certaines liaisons C-C sont perpendiculaires à

l’axe du nanotube.

ii. La structure "zig-zag" (n, 0) : certaines liaisons C-C sont parallèles à l’axe.

iii. La structure appelée chirale (m, n) : présentant une symétrie miroir.

MWNT " Multi Walled Nanotubes" :

Lorsque deux parois ou plus forment le tube, on parle de nanotube multi-parois

(MWNT). Ces nanotubes ont des diamètre de 2 à 30 nm où l’espacement entre les

parois est d’environ 0.34nm, et une longueur peu atteindre plusieurs micromètres

(figure (1.8)) [16].

Figure I.7 [16]: Les trois structures d’un nanotube de carbone mono-paroi. Deux d’entre

elles correspondent à des nanotubes à haute symétrie (zig-zag et armchair) alors que la

troisième (chirale) présente une structure vis (droite ou gauche)comme l’ADN


22

Il existe plusieurs procédés qui servent à produire les nanotubes de carbone :

Arc électrique : C’est un procédé catalytique, cette méthode est basée sur la

décharge par arc électrique entre deux électrodes de graphite ayant

préalablement été contaminées par des métaux tels que Fe, Ni et Co [18].

Ablation laser : c’est un procédé catalytique utilisant des impulsions laser afin

de sublimer un substrat de graphite. Le catalyseur (2% atomique) est intégré au

substrat sous forme de clusters métalliques [19].

Les nanotubes peuvent être fabriqués par évaporation de carbone, du graphite le

plus souvent.

Afin d’élaborer des biocapteurs plusieurs entités biologiques été greffées sur des

nanotubes de carbone monoparois SWNTs, soit par couplage sur les groupes

carboxyliques de surface, ou par le greffage d’une protéine par le mécanisme

d’encrage [10].

Fig. 1.8 [16]: Exemple d’une structure de nanotube multi-parois.


23

V.1.2 Biocapteurs à base d’un transistor à effet de champ:

i. CHEMFET « Chemical field effect transistor »:

C’est un transistor a effet de champ basé sur l’utilisation d’une capacité chimique sur

la grille du MOSFET. Il peut détecter des atomes, des molécules et des ions en

liquide et gaz [12].

ii. ISFET «Ion Sensitive Field-Effect Transistor»:

Est le sous-type le plus connu des dispositifs de ChemFET. Il est employé pour

détecter des ions en électrolytes et pour la mesure du pH (pH-ISFET) [12].

Ces capteurs apparaissaient comme des outils promoteurs pour la mesure des

paramètres électrophysiologiques.

Le principe de fonctionnement consiste à utiliser les variations de charges de surface

de la grille pour modifier le courant traversant le transistor [11].

Substrat silicium type P

isolant

NN

électrolyte

Grille

DrainSource

Figure I.10 : structure schématique du biocapteur CHEMFET (CNRS 2006)


24

iii. ENFET«ENzyme Field-Effect Transistor»:

Est un CHEMFET spécialisé pour la détection des enzymes spécifiques.

Comme la détection de l'urée (U-EnFET) [12].

iv. EOSFET « Electrolyte-Oxyde-Semiconductor-Field Effect Transistor »:

L’EOSFET est un FET où on remplace le métal du MOSFET par une solution

d’électrolyte.

Il est conçu pour la détection de l’activité neuronale et est intégré dans un Neurochip

[12].

Enzyme

Figure I.11 [9] : Configuration de nanobiocapteur en ChemFET

Figure I.12 [7]: Puce neuronale (Neurochip)


25

V.2 Les Biopuces :

Définition d’une Biopuces:

Les biopuces sont conçues à partir de la microélectronique, les microsystèmes, la

biologie et la chimie, qui permettent une étude, une analyse hautement parallèle en

biologie des événements discrets au sein d’une cellule unique( ADN, et détection de

cellules cancéreuses)

Ces derniers ont une dimension de quelque mm2, elles sont crées pour analyser,

pour automatiser et miniaturiser des réactions enzymatiques ou pour analyser des

événements discrets au sein d’une cellule unique [20].

Les différents types de Biopuces :

Les biopuces à cellules (cell-on-chips) :

Ce sont des microsystèmes qui hébergent le vivant. Leurs rôles sont d’analyser, à

grande échelle et de façon individualisée, la cellule vivante. Elles représentent un

grand enjeu pour la recherche de demain [20].

Les puces à ADN (DNA chips) :

Les puces à ADN, outils de choix pour l’analyse rapide et simultanée d’un grand

nombre de séquences d’ADN, portent des sondes génétiques (molécules d’ADN) à

leur surface et permettent d’analyser des échantillons biologiques pour des

applications de diagnostic génétique, d’études des programmations cellulaires

(développement, réponses à l’environnement, cancérisation, réponses aux stress,

aux drogues...). Sur une seule puce, l’ensemble du génome humain (30 000 gènes)

peut être analysé en une étape [20].


26

Le fonctionnement des puces à ADN passe par la maîtrise et le contrôle de trois

étapes importantes (Fig. 1.13) [21]:

i. Le greffage des brins d’ADN (brins sondes) sur une surface solide

fonctionnalisée,

ii. L’hybridation (ou reconnaissance) entre les brins sondes et les

brins cibles complémentaires,

iii. La détection de cette réaction biologique.

Les laboratoires sur puces (lab-on-chips) :

Véritables laboratoires miniaturisés, ils sont conçus pour intégrer des étapes

successives de transformation et d’analyse de l’échantillon. Ils répondent à un besoin

d’analyse automatique, à haut débit et à faible coût [20].

Figure I.13 [21] : Schéma de principe de puces à ADN


27

V.3 Détecteur BioFET :

Un détecteur BioFET est un système bioélectronique où le détecteur est constitué

d’un FET (Field Effect Transistor) qui consiste à détecter la présence d’un

composant biologique [12].

VI. Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons présenté les différents détecteurs d’entités biologiques.

On a classé les molécules qu’elles soient minérales, organiques ou biologiques selon

leurs natures, leurs forces de liaisons et leurs propriétés physicochimiques. Ces

détecteurs sont classifiés selon plusieurs procédés comme l’entité biologique,le

processus physique et la nature des matériaux utilisés (membranes biologiques, les

polymères, les semi-conducteurs, les nanotubes de carbone, les transistors à effet

de champ).

L’efficacité de ce détecteur dépend de ses propriétés:

La sensitivité.

La sélectivité.

La résolution.

Le temps de réponse.

Canal:2 DEG

GaNSubstrat non dopé

n

S DG

n

Composant biologiqueEx : Virus

Figure I.14 [12] : structure schématique d’un détecteur BioFET


28

Références bibliographiques :

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[21] V.Stambouli-Sené, M.Labeau, J.Joud, E.Appert, « Caractérisation par XPS de

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29

Chapitre II:

Matériaux et Héterostructures

de GaN/AlGaN

II. Introduction

II. Matériaux nitrures III-N.

II.1 Binaires de GaN, AlN.

II.2 Ternaire : AlGaN.

II.3 Substrats.

II.4 Méthodes de croissances.

III. L’hétérostructure GaN/AlGaN.

III.1 Propriétés de l’héterstructure GaN/AlGaN

III.2 Polarisation piézoélectrique et spontanée dans les nitrures.

IV. Conclusion.


30

I. Introduction :

Les nitrures III-V (GaN, AlN, InN) sont des semiconducteurs à large bande interdite

[1], ils présentent des avantages d’une grande stabilité chimique, de très bonnes

propriétés mécaniques [2], et de propriétés physiques intéressantes qui les rendent

attractifs pour l’électronique haute température, haute puissance et haute fréquence

[3].

Cette famille de matériaux a connu un formidable essor au niveau mondial, qui a

permet de réaliser divers dispositifs électroniques ou optoélectroniques tels que :

Les diodes électroluminescentes LEDs de couleur ou blanches, pour la

signalisation, l’affichage couleur ou l’éclairage [4], et les diodes lasers LDs

bleues ou violettes pour l’impression (laser) ou le stockage optique de

données (CD et DVD) [5],

Les détecteurs UV "solar blind" pour l’identification ou le guidage des missiles,

pour la détection des incendies, ou pour des dosimètres UV personnels [6],

Les transistors haute-fréquence haute-puissance pour les radars ou la

communication [7].

Capteurs physiques et chimiques, et composants optoélectroniques à haute

puissance comme les MESFET a base de GaN pour l’amplification et la

détection [8].

II. Matériaux nitrures III-N :

II.1 Binaires (GaN, AlN)

II.1.2 Structure cristalline et structures de bandes du GaN et AlN

Le nitrure de gallium, d’aluminium et d’indium cristallise sous deux formes différentes

[9]

La phase hexagonale : c’est un polytype thermodynamiquement stable

(structure wurtzite).

La phase cubique: c’est un polytype thermodynamiquement métastable, peut

être également obtenu en choisissant des conditions de croissance adaptées

(structure Zinc Blende).

On représente les deux structures cristallographiques, et les propriétés électroniques

de chacune des deux phases du GaN et du AlN


31

a. Structure cristalline :

La phase hexagonale : La structure wûrtzite est constituée de deux

réseaux hexagonaux compacts [9], l’un avec les atomes de gallium

(aluminium), l’autre avec les atomes d’azote, interpénétrés et décalés suivant

l’axe c de 5/8éme de la maille élémentaire[10]. Ces sous réseaux forment un

empilement de type ABAB (figure1) [9].

Figure II.1 : Arrangement des atomes dans la maille élémentaire dans la phase

hexagonale [9].

A

a

B

A

a

a

c

b

Structure wurtzite


32

La phase cubique : La structure Zinc-Blende est constituée de deux

réseaux cubiques à faces centrées l’un par les atomes d’azote, et l’autre par

ceux de l’élément Ⅲ [9].

Ces deux réseaux sont décalés l’un de l’autre de 414141 du paramètre

de maille a dans le plan [10].

Cette structure peut être vue comme un empilement compact de couches

successives AaBbCcAaBbCc selon la direction (111) (figure2) [9].

Figure II.2 : Arrangement des atomes dans la maille élémentaire dans la phase

cubique [9].

Structure zinc blende

A

B

C

A

a

b

c

a

a


33

On représente une illustration de la différence entre l’orientation des tétraèdres pour

les deux phases cristallines: pour l’hexagonal lesdeux tétraèdres sont identiques

pour le cubique il sont opposés (figure3).

Figure II.3 : Seconds voisins dans les structures wurtzite et Zinc-Blende [9]

b. Structure de bande :

Pour la réalisation de dispositifs, le paramètre essentiel est la connaissance de la

structure de bande d’un semi-conducteur [10].

Le binaire GaN est un semiconducteur à gap direct d’énergie égale à 3,4 eV pour la

phase hexagonale et 3,38 eV pour la phase Zinc-Blende. Le maximum de la bande

de valence et le minimum de la bande de conduction sont tous les deux situés au

centre de la zone de Brillouin (pointΓ) [10].

Pour le binaire AlN en phase cubique, il est important de remarquer que le minimum

absolu de la bande de conduction se trouve au point X, le maximum de la bande de

valence est situé au pointΓ, donc le gap du AlN en phase cubique est supposée

indirect [10], mais en phase hexagonale le AlN a un gap direct de l’ordre de 6,28 eV

[11].

Ga, Al

N

Hexagonal [0001] Cubique [111]


34

Le AlN est utilisé comme couche tampon dans les hétéroépitaxies où il assure une

bonne nucléation de la croissance, et dans les alliages où il assure un ajustement du

gap [11].

La figure 4 donne les premières zones de Brillouin dans le cas des structures de type

(a) wurtzite et (b) zinc blende. La figure 5 donne les structures de bandes de GaN et

AlN de structure wurtzite et blende.

Figure II. 4 : Zones de Brillouin de GaN de type (a) wurtzite et (b) zinc blende[12].

De nombreux calculs basés sur diverses méthodes ont été réalisés pour déterminer

la structure de bande des binaires. Nous présentons dans la figure 5 les structures

de bandes obtenues pour GaN et AlN dans la phase hexagonale et la phase cubique

par la méthode empirique des pseudo potentiels et par la méthode du premier

principe de l’énergie

kz

II.1.1.1II.1.1.2

Σ M Γ’

Λ

∆

II.1.1.2.1.1.1.1.1H

P

ky

kz

(a)

Γ Δ Q x Σ ky

k z

ΛL U S

kx

kz

(b)


35

Figure II. 5 : Structure de bandes suivant les directions principales calculées par

la méthode empirique des pseudopotentiels en trait continu et par la méthode du

premier principe de l’énergie en trait discontinu [10].

II.1.2 Principales propriétés physiques :

GaN cubique GaN hexagonal

AlN cubique AlN hexagonal


36

Les principales propriétés physiques des nitrures III-N en phase cubique et enphase hexagonale sont représentées dans le tableau 1.

La phase cubiqueParamètre physique GaN AlNEg(eV) 3.272a 5.34b

a(A°) 4.452c 4.34c

0* mme 0.15d 0.25d

0*/mmh 86.0*hm b

29.0* som b47.0* som b

47.1* hhm b

1

2

3

3.06d

0.91d

1.03d

2.42d

0.58d

0.71d

C11 (Gpa-1)C12 (Gpa-1)

296e

154e

348e

168e

14e (C/m2) -1.110f 0.526f

Δso(meV) 11g 11f

εr 10.69i 8.5f

La phase hexagonaleEg(eV) 3.504m 6.2n

a(A°) a = 3.189o

c = 5.185oa = 3.112o

c = 4.982o

)( 0* mme 2.0 zete mm p 28.0tem , 32.0zem q

)( 0* mmh*hm = 1p *hhm =1.14r

A1

A2

A3A4

A5

A6

-6.56-0.915.65

-2.83-3.13-4.86

-3.95-0.273.68

-1.84-1.95-2.91

C11 (Gpa-1)C12 (Gpa-1)

396s

144s398s

140s

e33(C/m2)e31 (C/m2)

0.73t

-0.60t1.46t

-0.49t

Δso 15u 20.4u

εr 9v 8.5v

Tableau 1 : propriétés physiques des nitrures en phase cubique et en phasehexagonale.

Eg: est l’énergie du gap

a : le paramètre du réseau

*em : la masse effective des électrons


37

*hm : la masse effective des trous.

*som : la masse effective des trous de la bande spin-orbite.

*hhm : la masse effective des trous lourds

γi : les paramètres de Luttinger

Cij: constantes d’élasticités.

14e : coefficient piézoélectrique.

Δso: l’énergie spin orbite.

ε: la constante diélectrique.

C/m2 : coulombs par mètre carré.

Gpa : giga-Pascal.

Ai : les paramètres de Luttinger.eij : les coefficients piézoélectriques.

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39

GaNAlNNGaAl axaxaxx

.1.1

bxxExExE gGaN

gAlN

gNGaAl xx

.1..1.1

II.2 Ternaire AlxGa1-xN

La barrière de confinement dans les structures optoélectroniques à base de nitrures

est souvent réalisée à partir de l’alliage AlxGa1-xN [9].

La maîtrise de sa croissance est nécessaire pour le développement des composants

en particulier dans le domaine de l’UV lointain [9].

Paramètre de maille :

Les paramètres de maille d’AlxGa1-xN peuvent se déduire des paramètres de GaN et

AlN par interpolation linéaire [9].

L’équation suivante est dite loi de Végard:

(1)

L’énergie de gap:

La variation de l’énergie de bande interdite de l’alliage en fonction de la composition

n’est pas linéaire mais quadratique.

Dans l’équation suivante, on a le coefficient du terme de second degré noté b

c-à-d bowingen anglais vaut environ 1 eV pour l’AlxGa1-xN hexagonal [9].

(2)

II.3 Les substrats :

Le choix d’un substrat est un des paramètres essentiels à la réalisation de couches

cristallines de meilleures qualités [10].

Les substrats utilisés pour la croissance des nitrures GaN et AlN différent des autres

substrats par Les paramètres de maille et les coefficients de dilatation thermiques [9].

Les couches épitaxiées ont des densités de dislocations très élevées [9].


40

Saphir (Al2O3) :

Le substrat le plus utilisé pour l’épitaxie des nitrures est le saphir. Le désaccord de

maille est alors de 14% après rotation de la couche épitaxiée par rapport au substrat.

Le principal inconvénient est la faible conductivité thermique du saphir [13].

Les effets combinés du désaccord de maille et de la différence de coefficient de

dilatation thermique entraînent une densité de dislocations très élevée entre 109 et

1010/cm2de les couches de GaN et d’AlN épitaxiées directement sur le saphir [13].

Carbure de silicium (SiC) :

Le second substrat qu’on peut utiliser après le saphir est le carbure de silicium car Il

a une bonne conductivité thermique, ce qui est particulièrement important pour les

applications aux dispositifs de puissance. Le désaccord de maille est de 3.5% avec

le GaN.

La densité de dislocations des couches de GaN épitaxiées est de l’ordre de 109-

1010/cm2 qui est comparable à celle de substrat saphir. Le principal inconvénient du

SiC est son coût élevé [13].

Silicium :

Il est moins utilisé que les deux précédents malgré son faible coût, de la qualité

cristalline et de disponibilité en grandes surfaces [9].

Le désaccord de maille par rapport au GaN est de 17% et l’état de l’art pour la

densité de dislocations de l’ordre de 5·109/cm2 [13].

Sa conductivité thermique est intermédiaire entre celle du saphir et celle de SiC [9].

GaN massif :

La croissance par homoépitaxie de GaN nécessite des monocristaux de GaN

massifs, mais sa fabrication reste difficile et coûteuse [10].

Ces substrats, dont la croissance s’effectue à très haute pression et haute

température (1.5 GPa et 1400 - 1700°C), ont la plus faible densité de dislocations

obtenue à ce jour dans GaN : de l’ordre de 102 cm-2 [13].


41

AlN :

L’AlN est aussi très prometteur comme substrat pour les nitrures. Ses avantages

sont une bonne conductivité thermique, une bonne résistivité électrique et un

coefficient de dilatation thermique adapté au GaN [13].

II.4 Méthodes de croissance :

Les nitrures d’éléments III ont des propriétés spécifiques, ce sont des matériaux

durs, très stables et quasiment inertes chimiquement [2], ils jouent un rôle

considérable dans le développement et la fabrication des composants à hautes

performances [3].

Mais les III-N présentent une difficulté de croissance à cause de la faible mobilité des

atomes qui est du en très forte liaison III-N et aussi à la production de radicaux libre

azote [2].

Les méthodes les plus utilisées de croissance pour les nitrures d’éléments III sont

l’épitaxie par jets moléculaire EJM ou MBE (molecular beam epitaxy) et le dépôt en

phase vapeur par précurseurs organométalliques MOCVD (metal organic chemical

vapor deposition) [9].

Croissance MOCVD :

La MOCVD est la technique de croissance la plus fréquemment utilisée dans les

applications industrielles c'est-à-dire pour la production des composants

optoélectroniques destinés à la commercialisation [9].

Cette technique consiste à réaliser une pyrolyse de l’ammoniac, source d’azote et

d’un composé organométallique à la surface d’un substrat chauffé. La croissance

s’effectue à une température de l’ordre de 1080°C. Les éléments gallium et

aluminium sont transportés par des molécules organométalliques telles que le

triméthylgallium et triméthylaluminium respectivement [13].


42

Croissance MBE :

Lors d’une croissance par l’épitaxie par jet moléculaire EJM (ou MBE en anglais),

les atomes adsorbent et diffusent sur la surface en croissance, jusqu'à trouver un

site favorable a leur incorporation [9].

Il existe plusieurs possibilités d’incorporation [9]:

S’incorporer en bord de marche, c'est-à-dire que les atomes qui arrivent sur

la surface rejoignent d’autres atomes pour former un groupe de nucléation.

Ils peuvent également être désorbés.

Dans la croissance MBE, on peut connaître en temps réel [9]:

Le nombre de couches déposées.

La rugosité du front de croissance.

La variation du paramètre de maille.

Les transitions 2D-3D c'est-à-dire la croissance de boîtes quantiques.

Les reconstructions de surface.

Figure II. 6 [10] : Schéma de principe de la croissance en épitaxie par jets moléculaires


43

III. Hétérostructure GaN/AlGaN :

III.1 Propriétés de l’héterstructures GaN/AlGaN

Les héterostructures GaN/AlGaN à base de puits quantiques sont les constituant de

base des dispositifs optoélectroniques actuels. L’intérêt principal de cette structure

est le confinement de porteurs dans le puits quantiques suivant la direction de

croissance. Ces héterostructures sont de type I. Les niveaux énergétiques

accessibles aux porteurs sont discrétisés par ce confinement, et l’écartement entre

ces niveaux déterminera l’énergie des transitions inter bandes et inter sous bande de

l’héterostructure [10].

Les hétérostructures GaN/AlxGa1-xN outre leurs spécificités de posséder un grand

gap, elles permettent d’atteindre des champs électriques internes très intenses,

résultant à la fois de la polarisation spontanée à l’interface et les effets

piézoélectriques résultant de la contrainte entre les couches,

BV

BC

EgP= 3440 meV

GaNAl0,20Ga0,80N Al0,20Ga0,80N

ΔEC= 444 meV

Δcr = 16 meV

Etr

Figure II. 7 : Structure de bandes d’un simple puits quantique GaN/AlXGa1-XN qui

cristallise dans la phase wurtzite.


44

III.2 Polarisations spontanée et piézoélectrique dans les nitrures :

Dans les nitrures de type wurtzite, il existe un champ de polarisation spontanée dû

au décalage entre le barycentre des charges positives et celui des charges

négatives. De plus, les contraintes dans le matériau peuvent également générer un

champ piézoélectrique. Le champ électrique interne résultant de la superposition de

ces deux contributions peut atteindre plusieurs MV/cm [9].

III.2.1 Polarisation spontanée :

Les matériaux nitrures en phase wurtzite montrent une polarisation électrique

appelée la polarisation spontanée et ceci en l’absence de toute contrainte.

Cette polarisation s’explique par une superposition des barycentres des charges

positives avec celui des charges négatives. Ce décalage entre les deux barycentres

des charges à deux origines [10] :

La non idéalité de la structure wurtzite, c’est à dire l’irrégularité des tétraèdres

formant le cristal.

Une raison de rupture de symétrie dans le cristal à partir du troisième voisin.

III.2.2 Polarisation piézoélectrique :

On peut définir l’effet piézoélectrique comme l’apparition d’une polarisation électrique

dans le matériau lorsque celle-ci est soumise à une contrainteσqui modifier la maille

d’un cristal en brisant sa symétrie [15].

Nous avons vu que les nitrures peuvent se cristalliser suivant deux phases

cristallines, zinc blende et la wurtzite qui sont non centrocymétriques

Ga

N

[0001]Psp

Psp≠ 0

Figure II.8 [14]: la polarisation spontanée dans la Structure de

GaN wurtzite à l’équilibre.


45

ijkd

jk

pziP

La valeur de cette polarisation en fonction de la contrainte qui est présentée dans la

couche, est donnée par [10]:

jkijkpz

i dP (3)

où :

: est la polarisation piézoélectrique dans la direction i

: un tenseur représentant les coefficients piézoélectriques propres du matériau

: est le tenseur de contrainte

Dans le cas de la symétrie hexagonale, la relation (3) se réduit à [10] :

Ppz3 = d31σ1. (4)

Ga

N

[111]

Psp= 0Ppz= 0

Structure GaN cubique à l’équilibre

Figure II.9 [15] : polarisation piézoélectrique dans GaN.

Ppz [111]

Psp= 0Ppz≠ 0

Structure cubique sous contrainte

Ga

N

Ppz

Psp

[0001]

Psp≠ 0Ppz≠ 0

Structure Würtzite sous contrainte

Ga

N


46

pzsp PPP

Et si on représente la contrainte en fonction de coefficient élastique, la relation (4)

devient [10] :

Ppzz = 2d31 (C11+C12 +C13 (-2C13/C33))ε1. (5)

Où :ε1= (a-a0)/a0 est la déformation dans le plan.

a0 : est le paramètre de maille non contraint.

a : est le paramètre de maille contraint.

III.2.3 Polarisation résultante :

La polarisation totale dans la phase hexagonale sera alors la somme des deux

polarisations, spontanée et piézoélectrique.

(6)

III.2.4 Polarités de faces gallium et azote :

Dans le cas de la polarité galliumen phase hexagonale, l’orientation de la liaison

Ga-N suivant la direction [0001].

Figure II.10 [16] : Polarisation des couches de GaN hexagonales,

(a) polarité Gallium, (b) polarité Azote.

Surface

[0001]

(a)

[0001]Substrat

Surface

(b)

Substrat


47

xPPZ 044.0

xPPS 052.0

Dans les nitrures de galium, les polarisations spontanée et piézoélectrique sont

orientées suivant la direction de croissance, par contre le sens de la polarisation

piézoélectrique dépend de la contrainte présente dans la couche (voir la figure II.9)

[17].

III.2.5 Variation de la polarisation en fonction de la composition d’alliage x:

La polarisation piézoélectrique varie en fonction de la concentration d’aluminium

dans l’alliage AlxGa1-xN selon la relation suivante [18] :

(6)

La polarisation spontanée entre AlxGa1-xN et GaN est aussi en fonction de la

composition x par [18] :

(7)

(2)(1)

Axe de croissance[0001]

Figure II.11 [14] : Orientation des polarisations spontanée et piézoélectrique pour les

nitrures de polarité gallium suivant la contrainte :

1) la couche A est en tension sur la couche B.

2) la couche A est en compression sur la couche B.

Ppz (A)

Psp (A)

Psp (B)

A

B

Psp (A)

Psp (B)

Ppz (A)

A

B


48

La variation de la polarisation piézoélectrique, spontanée et totale en fonction de la

composition d’alliage x est représentée sur la figure II.12 [18].

Le champ électrique dépend de la composition en aluminium des barrières

AlxGa1-xN. Ce paramètre joue à la fois sur le champ piézoélectrique (la

contrainte étant fixée par la différence du réseau cristallin entre GaN et AlxGa1-

xN), et sur la polarisation spontanée (pour celle-ci, une simple interpolation

linéaire entre les valeurs de GaN et AlxGa1-xN est utilisée pour décrire l’alliage)

[19].

IV. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié les propriétés structurales et de bandes de GaN

et AlN dans les deux phases : Zinc-Blende qui est métastable, et la wûrtzite qui est

plus stable, et leurs alliages ternaires.

Nous avons aussi étudié les variations des propriétés de AlxGa1-xN en fonction

de la composition d’alliage x. La croissance des nitrures est réalisés par deux

techniques, la MOCVD et la MBE, et ce qui concerne les substrats les plus

utilisés se sont, le saphir (Al2O3), le carbure de silicium (SiC).

Les hétérostructures GaN/AlxGa1-xN permettent d’atteindre des champs électriques

internes très intenses, résultant à la fois de lapolarisation spontanée à l’interface et

les effets piézoélectriques résultant de la contraintes entre les couches, et elles

peuvent présenter des effets pyroélectriques.

Figure II.12 [18] : Variation de polarisation piézoélectrique,

spontanée et totale.

Composition d’alliage (x)

TotalP

PSPPZP

0.1

0.0

-0.10.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

AlxGa1-xN/GaN


49

Ces champs électriques dans ces hétérostructures présentent une polarisation

permettant de modifier les propriétés électriques des hétérostructures : en

particulier la création d’un gaz bidimensionnel d’électrons de très haute

mobilité aux interfaces GaN/AlxGa1-xN quand va l’étudié en détail dans le

chapitre 4.

Dans ce type d’héterostructure, les avantages résident dans les points suivants :

Grands band-offsets permettant un meilleur confinement de porteurs

Grande mobilité électronique; grande vitesse de pic et de saturation de

porteurs

Champs électriques très intenses (~ 1 M.V/cm, car superposition des

effets de polarisation spontanée et piézoélectrique) génère

l’apparition de gaz bidimensionnel d’électrons,

Hautes tensions de claquages,

Grande stabilité chimique et thermique

Tout cela nous montrent l’intérêt de matériaux nitrurestel que le GaN et leurs

applications dans plusieurs domaines: l’électroniques, l’optoélectroniques et

la bio-électroniques.

Les matériaux nitrures ont les conditions d’être appliqué comme substrat pour

les biodétecteurs parce qu’ils sont non-toxiques aux cellules vivantes, et ils

indiquent la stabilité chimique à long terme dans des conditions

physiologiques.


50

Références bibliographiques

[1] A DENIS, Doctorat de Physico-chimie de la matière condensée, école doctorale

des sciences chimiques, Université BORDEAUX I, (2003).

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Phys. 1995;78:1033-8.

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Lett.75. 962, 1999.

[5] S Nakamura, M Senoh, S Nagahama, N Iwasa, T Yamada, T Matsushita, et

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layer superlattices”.Jpn. J.Appl. Phys. 1997;38: L1578.

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des sciences appliquées de Lyon, (2002).

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51

[17] R Cingolani, A Botchkarew, H Tang, H Morkoç, G Tracha, M Lomasculo,

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[18] H Morkoç et al. Solid-state Electronics 46 (2002) 157-202.

[19] B Daminalo, N Grandjean, F Semond, J Marssies, and M Leroux. Appl. Phys.

Lett.75. 962, 1999.


52

Chapitre III

Les transistors à effet de champs à base de

semiconducteurs III-N : MESFET.

VIII. Introduction

IX. Le transistor MESFET

X. Le transistor MODFET

XI. Le transistor HEMT

V. Influence du dopage de la barrière et de la composition d’alliage

sur les caractéristiques des transistors à effet de champ à base

de nitrures GaN/AlxGa1-xN.

VI. Les nanostructures MESFET

VII. Conclusion.


53

LSgds

II. Introduction :

Dans ce chapitre on va étudier les différents types de transistor à effet de champ à

base de semiconducteur III-V

Les transistors à effet de champ sont des composants électroniques unipolaires, ils

sont utilisés dans des dispositifs actifs, tels que des amplificateurs de puissance et

leurs fabrications sont compatibles avec la réalisation des circuits intégrés.

Le FET possède un canal conducteur fabriqué à partir d’un barreau semiconducteur

dont les deux extrémités portent deux électrodes appelées source et drain [1].

Dans un FET le courant est crée par le déplacement d’un seul type de porteurs, les

majoritaires [1], et il est commandé par la tension appliqué par la troisième électrode

appelée grille (Fig II.1).

Son principe de fonctionnement est basé sur la modulation du courant traversant le

dispositif.

Puisque la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous, le canal est

souventde type ‘n’. La tension grille–source Vgs permet de faire varier la résistance

drain–source Rds ou de façon équivalente, la conductance gds du dipôle drain–source

qui est donnée par la relation suivante [3]:

oùσ= q × n ×μ représente la conductivité du matériau, S et L sont respectivement

la section et la longueur du canal [2].

Canal type n

DrainGrilleSource

n+n+

Zone de charge d’espace

Figure III. 1 [2] : Schéma de principe d’un transistor à effet de champ.


54

La variation de la conductance gds peut être obtenue par modulation de la section du

canal ou par modulation de la densité des porteurs de charge.

Il existe plusieurs types de transistors à effet de champ comme la montre la figure II-2

[3] :

Dans notre travail, on étudie le MESFET pour l’amplification, modulation et

démodulation du signal électrique qu’on obtient lorsque on a une identification d’une

entité biologique par un biodétecteur.

Les transistors à effet de champ basés sur des hétérostructures d'AlGaN/GaN sont

de grand intérêt pour des applications chimiques et biochimiques de sonde. En plus

de leur stabilité à hautes températures, qui a été exploitée dans la réalisation des

dispositifs sensibles de gaz pour la détection de l'hydrogène et des hydrocarbures

jusqu'aux températures de 600C, les alliages d'AlGaN sont chimiquement inertes

dans les solutés et non-toxiques aux cellules vivantes, qui sont des conditions de

base pour l'application comme matériel de substrat pour les biodétecteurs [4].

IGFET(Grille isolée)

JFET(Grille à jonction pn)

MESFET(Grille Schottky)

MOSFET/MISFET(Oxyde/diélectrique)

HFET(Grand gap)

MODFET(Grand gap dopé)

HIGFET(Grand gap non dopé)

Figure III. 2 [3]: les trois familles des transistors à effet de champ.

FET


55

III. Le transistor MESFET :

Le transistor à effet de champ à barrière Schottky, MESFET (MEtal Semiconductor

Field Effect Transistor) est représenté dans la figure (II-3) [3].

Le fonctionnement du MESFET est basé sur la modulation de l’épaisseur du canal

sous la grille [1].

La zone de déplétion est obtenue par polarisation inverse d'un contact métal

semiconducteur.

II.1 MESFET GaAs/AlGaAs :

II.1.1 Structure du transistor MESFET :

Les transistors MESFETs sont réalisés à partir de l’arséniure de gallium GaAs pour

faire des dispositifs fonctionnent à très haute fréquence (jusqu’à 100 GHz).

Pour améliorer les performances de ces dispositifs, on étudier l’héterostructure qui

est représentée sur la figure II.4 [3].

///////////////////EF

EV

EF

EC

Ei

qBn

p-GaAs

Couche d’inversion

AlXGa1-XAs

Figure III.4 [3]:Diagramme de bande d’énergie en équilibre thermique

Déplétion

Canal-nL

Source Grille métallique Drain

Substrat semi-isolant ou p-

aWD

b

Figure III. 3 [3]: structure schématique du transistor MESFET


56

II.2.2 Réseau de caractéristiques d’un transistor à effet de champ

Les caractéristiques ID-VD de sortie d’un transistor à effet de champ est illustrée à la

figure (II.6)

Figure III. 5 [3] : coupe d’une hétérojonction MESFET ayant une couche d’inversion

Substrat semi-isolant

p-GaAs

DrainGrille

Source

n+

/////

Couche d’inversion

AlXGa1-XAs

Figure III.6 [1] : Réseau caractéristique I-V d’un transistor à effet de champ (MESFET).

Saturation

Linéaire

Non linéaireID

VD

VG

IDsat vs. VDsat


57

II.2 MESFET GaN/AlGaN :

Les transistors MESFET-GaN ont été réalisés au départ avec des performances

relativement modestes: un canal de 0.2 mm d’épaisseur, a une densité d’électrons

de l’ordre de 2 1017cm-3, et une grille de l’ordre de 1µm de longueur, un courant de

drain, une transconductance, et une fréquence de coupure respectivement de l’ordre

de 200 mA/mm, 20 mS/mm, et 5 GHz [1]. Ces transistors restent toutefois

opérationnels jusqu’à 400°C avec une transconductance de 10 mS/mm, mais avec

un courant de fuite qui devient rédhibitoire à 500°C [5].

IV. Le transistor MODFET :

Le principe de base du MODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistor)

consiste à mettre à profit les propriétés de haute mobilité d’un gaz d’électron

bidimensionnel formé à l’interface d’une hétérojonction [1].

La méthode utilisée dans les transistors MODFET consiste à moduler le dopage

dans la barrière. L’intérêt de ce dopage réside dans le fait que les électrons du canal

sont spatialement séparés des ions donneurs localisés dans les barrières [7].

Figure III. 7 [6] : Structure du transistor MESFET-GaN/AlGaN.

S DG

I-SiC/Saphir

AlN

GaNAlGaN


58

III.1 MODFET GaAs/AlGaAs :

III.1.1 Structure du transistor MODFET :

La structure du MODFET GaAs/AlGaAs est représentée sur la figure (III.8.a), ou

cette structure peut être comparée à celle du MESFET GaAs dans lequel une couche

mince de AlGaAs est intercalée entre l’électrode métallique et le GaAs [1].

Figure III- 8[1] : (a)Schéma de principe d’un transistor MODFET et(b) Diagramme énergétique.

(b)

E1

EFm

-eVg

Eb

EV2EV1

EC2

EC1

EF

∆EC

∆EV

0xd xi x

dddi

VgGaAs

non dopéAlGaAsdope n

AlGaAsnon

dopé

Métal

(a)

VS = 0 VdVg

Substrat

AlGaAs dopé n

AlGaAs non dopé

n+

n+


59

Dans les transistors MODFET à base de l’hétérojonction GaAs/AlGaAs, les centres

pièges présents à l’interface sont responsables d’une réduction de la mobilité des

porteurs qui résulte une réduction du courant et de la transconductance qui sont dus

aux défauts et aux imperfections et une réduction de la fréquence de fonctionnement

et de coupure [8].

III.2 MODFET GaN/AlxGa1-xN :

III.2.1 Structure du transistor MODFET GaN/AlXGa1-XN

Dans les transistors MODFET GaN/AlxGa1-xN, les électrons du canal sont

fournis par la couche de AlxGa1-xN à dopage modulé. La structure

schématique de ces transistors à modulation de dopage est représentée sur la

figure (III-9). Le canal du transistor est constitué d’une couche de GaN avec

une densité résiduelle d’électrons estimée à 5 1016 cm-3. Le transistor est

façonné par structure mesa par érosion ionique réactive (RIE). La barrière est

conçue pour recevoir le contact supérieur de Schottky de la grille ainsi que les

deux contacts latéraux de la source et du drain [1].

Cette hétérojonction GaN/AlxGa1-xN présente des conductances du canal élevées, de

grandes mobilités de porteurs, et des fréquences de coupures très importantes qui

sont limitées par la densité de porteurs et les résistances séries de parasite [10].

(a)

Grille -T

DrainSource

Substrat

GaN

AlGaN

Figure III.9 [9] : (a) Schéma de principe du MODFET GaN/AlxGa1-xN,

(b) Diagramme énergétique.

di

(b)

xx=x2

EC

EF2

ED

E1

E0 EFi

EC

EF

ΔEC


60

III.2.2 Réseau de caractéristiques du MODFET

Le réseau de caractéristiques de sortie d’un transistor MODFET à base de

GaN/AlxGa1-xN est représenté dans la figure (III.10)

Le transistor MODFET est le composant dominant dans le régime des

hyperfréquences, car il permet d’atteindre de très bonnes performances liées

à leur valeur élevée de la tension de claquage de la diode de grille.

Ce claquage se produisent généralement côté drain. La tension de claquage

VC du transistor varie en raison inverse de la distance grille-drain Lds et par

voie de conséquence de la longueur L du canal.

Figure III.10 [1] :Réseau de caractéristiques d’un MODFET GaN/AlxGa1-xN avec L=1.5 µm et

W=40 µm. La courbe supérieure correspond à Vg=2.5 V, les autres

sont portées par pas de–0.5 V (Mohammad S.N.-1996)

Vg=2.5 V20

15

10

5

00

2 46 8 10VDS [Volt]


61

III.2.4 Variation de la vitesse de dérive en fonction de champ électrique :

Dans le domaine des micro-ondes de puissance, la vitesse de saturation des

électrons dans les transistors MODFET GaN/AlxGa1-xN est le paramètre le plus

important qui conditionne les performances des composants, car le canal du

transistor est très étroit en régime de fort champ électrique et les performances en

fréquence de coupure du transistor [11].

La figure (II-8) représente la variation de la vitesse de dérive en fonction de champ

électrique dans les transistors MODFET GaN/AlxGa1-xN.

V. Le transistor HEMT :

Le HEMT (High Electron Mobility Transistor) a le même principe de base que le

MODFET, qui consiste à mettre à profit les propriétés de haute mobilité d’un gaz

d’électron bidimensionnel formé à l’interface d’une hétérojonction [1].

Il apparaît comme une évolution majeure du MESFET qui constitue la structure de

base des transistors à effet de champ élaborés à partir des semiconducteurs III-V

[12].

Le transistor HEMT (High Electron Mobility Tansistor) fonctionne également par les

propriétés de l’hétérojonction formée à partir du matériau ternaire et du matériau

binaire qui le constituent.

Figure III.11 [11] : Variations de la vitesse de dérive en fonction de champ

électrique dans les MODFET à base de GaN/ AlxGa1-xN.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Champ électrique (105 V/cm)

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

GaN/AlxGa1-xN


62

Le but de la structure d’un transistor HEMT est de séparer les électrons libres de la

couche de semi-conducteur contenant les atomes donneurs ionisés et de les faire

circuler dans une couche de semi-conducteur non dopé.

IV.1 HEMT GaAs/AlGaAs :

L’hétérojonction du HEMT est formée entre un premier semi-conducteur GaAs qui

possède un faible gap, et un deuxième semi-conducteur GaxAl1-xAs, possédant un

grand gap qui dépend de la proportion x.

Cette hétérojonction crée un puit de potentiel du côté GaAs de l’hétérojonction qui a

été délibérément non dopé. Le matériau GaAlAs étant dopé N, des électrons en

provenance de la partie dopée s’accumulent dans le puit de potentiel en franchissant

le pic d’énergie ΔEc par effet tunnel. C’est ce puit de potentiel de forme quasi-

triangulaire, ou couche d’accumulation, qui constitue le canal du transistor. Cette

couche d’accumulation est appelée habituellement gaz d’électrons à deux

dimensions (2DEG) [13].

Couche d’accumulation des électrons (2DEG)

Figure III.12 [13] : Structure d’un HEMT AlGaAs/GaAs et son diagramme debande de conduction


63

IV.2 HEMTà base de GaN/AlGaN:

Les transistors à effet de champ de type HEMTs à matériaux à grand gap

(AlGaN/GaN) présentent de nombreux avantages (tension de claquage élevée,

fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, excellente conductivité

thermique,…) qui en font des composants à fortes potentialités.

En effet, que ce soit au niveau transistor ou au niveau amplificateur, des résultats

récents présentent des mobilités électroniques records de 75000 cm2/Vs à 4 K et

1500 cm2/Vs à température ambiante. Ce type d’hétérostructures donne un excellent

candidat pour la réalisation de transistors à haute mobilité électronique (HEMT)

pouvant fonctionner à température ambiante [14].

L’accumulation des électrons dans le canal est le résultat de l’effet cumulé de la

polarisation spontanée présente dans les matériaux AlGaN et GaN, mais aussi de la

polarisation piézoélectrique dans l’AlGaN [15].

.

DGS

Al30Ga70N

2 DEG AlN

GaN

Substrat

2,5 µm

1 nm

22 nm

Figure III.13 [16] : (a)Schéma de principe d’un HEMT GaN/AlxGa1-xN


64

V. Influence du dopage de la barrière et de la composition d’alliage

sur les caractéristiques des transistors à effet de champ à base

de nitrures GaN/AlxGa1-xN :

Dans les transistors à effet de champ à base de GaN/AlxGa1-xN, L’augmentation de

la densité de porteurs et l’amélioration de la mobilité des porteurs se fait par deux

méthodes [17] :

La modulation de dopage de la couche barrière AlxGa1-xN.

La modulation de la composition d’alliage x de la barrière AlxGa1-xN.

V.1 Influence du dopage de la barrière sur les caractéristiques des

transistors à effet de champ à base de nitrures GaN/AlxGa1-xN :

La modulation de dopage de la couche barrière AlxGa1-xN permet de diminuer les

défauts d’interface de l’hétérojonction de type GaN/AlxGa1-xN.

Elle permet d’améliorer la mobilité électronique et d’augmenter la densité de porteurs

dans le canal du transistor et donc d’augmenter la conductance du canal,

d’augmenter la fréquence de coupure, une vitesse de saturation élevée, et de réduire

le courant de fuite des transistors à effet de champ à base de nitrures GaN/AlxGa1-xN

[18].

III.1.2 Effet de la composition d’alliage sur les propriétés des transistors

à effet de champ GaN/AlxGa1-xN :

Le paramètre le plus important dans la caractéristique d’un matériau semiconducteur

constitué de matériau ternaire est la composition d’alliage, sa variation entraîne la

variation des propriétés électroniques tels que : la mobilité des porteurs, la bande

interdite, la discontinuité de la bande de conduction, la masse effective, la vitesse de

saturation, la conductivité, la densité de porteurs, et la tension de claquage… .


65

Dans les transistors à effet de champ, les bonnes performances sont reliées à la

valeur élevée de la fraction molaire d’aluminium dans l’alliage AlxGa1-xN de la

barrière qui entraîne une forte discontinuité de bandes à l’interface de

l’hétérojonction et résulte à la fois en un bon confinement des électrons dans le puits

quantique de l’hétérojonction et un faible courant de fuite de la diode Schottky de

grille [1].

La modulation de la composition d’alliage x de la barrière AlxGa1-xN permet de

diminuer les centres pièges dans le canal du transistor en raison de l’augmentation

de la fréquence de coupure (la durée de vie n’est pas limité).

V.2.1 Influence de la composition d’alliage sur la tension de pincement et

du courant de saturation :

Dans le tableau suivant, on remarque que la tension de pincement et le courant de

saturation du transistor augmentent avec la composition d’alliage de x=0.2 à x=0.4.

Composition d’alliage x Tension de pincementVp [Volt]

Courant de saturation

IDSsat [A/mm]

x = 0.2 - 4.4 2.4

x = 0.4 - 9.5 3.7

Tableau III-1 : Résultats obtenus sur la tension de claquage et sur le courantde saturation pour différentes valeurs de la composition l’aluminium.

L’augmentation de la densité d’électrons dans le canal d’un FET est due à

l’augmentation de la polarisation de charge qui résulte de cette même augmentation

de la composition d’alliage [19].


66

II.2Variations de la bande interdite et de la discontinuité de bande de

conduction en fonction de la composition d’alliage x:

Les variations de la bande interdite et de la discontinuité de bande de conduction en

fonction de la composition d’alliage x à l’interface de l’hétérostructure GaN/AlxGa1-xN

en fonction de la composition d’alliage x sont représentées dans le tableau suivant

[20].

Composition d’alliage x Eg [eV] ΔEc [eV]

x = 0.1 3.62 0.17x = 0.2 3.85 0.33x = 0.3 4.09 0.51

x = 0.4 4.35 0.69

Tableau V-2 [19] :Variations de l’énergie du gap et de la discontinuité de bande de conduction à l’interface de l’hétérostructure GaN/AlxGa1-xN.

Les performances des transistors sont reliées à la valeur élevée de la composition

molaire d’aluminium qui provoque une hauteur de barrière qui entraîne à la fois un

bon confinement des électrons dans le puits quantique de l’hétérojonction

GaN/AlxGa1-xN et un faible courant de fuite de la diode Schottky de grille [1].

VI.Les Nanostructures MESFET :

Il existe deux types de techniques de fabrication des nanotechnologies :

"Top-down" celles liées à la miniaturisation des transistors à effet de champ qui

deviennent coûteuses et complexes à l’échelle du nanomètre par rapport au

"Bottom-up" qui sont encore en voie d’exploration.


67

VI.1 Miniaturisation des transistors à effet de champ :

La miniaturisation des transistors à effet de champ est accompagnée par des effets

quantiques.

Parmi les avantages de cette miniaturisation, on a la réduction de la consommation

de puissance, utile pour augmenter la durée d’autonomie des systèmes mobiles mais

aussi pour améliorer la fiabilité des systèmes hautes performances [21].

La réalisation et la caractérisation de ces Nano-FET à hétérostructure III-N se

composent en deux parties:

La réduction de la longueur de grille des composants à des valeurs inférieures à

30nm.

les effets de canal court comme l'injection de porteurs dans le substrat qui

freinent ainsi les performances fréquentielles.

La diminution des dimensions verticales dans ces transistors ou leurs longueurs de

grille est inférieure à 5 nm s’accompagne de l’augmentation des fuites à travers

l’isolants de grille SiO2 de l’ordre de 1 nm, ainsi que l’augmentation de la résistance

série en amont du canal ou la profondeur de la source et le drain est de l’ordre de 10

nm [22].

Figure III.14 : le plus petit transistor fonctionnel (LETI laboratoire

d’électronique à Grenoble 1999).


68

En diminuant leurs tailles, le temps de passage de l’état "off" à l’état "on" diminue

linéairement du fait de l’évolution du temps de réponse intrinsèque longueur de

canal/vitesse des porteurs [21].

Le principal avantage du Nano-FET vient du fait que la croissance des

hétérostructures permet le confinement des porteurs dans un puits bidimensionnel,

créant ainsi un gaz d’électrons bidimensionnel 2DEG à très forte mobilité.

Les paramètres importants du transistor sont les suivants [21] :

La tension sous le seuil (VT H) est la tension de grille nécessaire à la formation

d’un canal de conduction (couche d’inversion) entre la source et le drain.

La transconductance ou gain (gm) est définie par :

La transconductance augmente très rapidement lorsque la longueur de canal devient

inférieure à 100 nm.

La conductance du canal (g DS) donnée par :

IV.1.2 Les transistors à nanotube de carbone :

Dans le premier chapitre, nous avons décrire les propriétés physiques des nanotubes

de carbone.

Pour réaliser des transistors à nanotubes de carbone (CNTFET pour "Carbon

NanoTube Field-Effect-Transistor"), on utilise la structure suivante : métal/nanotube

semiconducteur/métal [21].

Le comportement des jonctions pn dans ces nanotubes de carbone diffère fortement

de celui des jonctions dans les semi-conducteurs classiques.

Le dopage des nanotubes est néanmoins connu et se réalise deux façons :

cteVG

Dm

DSVI

g

(1)

cteVDS

DDS

GVI

g

(2)


69

Dopage par des impuretés substitutionnelles (typiquement B et N [23])

Dopage par insertion d’atomes alcalins ou halogènes à l’intérieur du tube [24].

Les CNTFETs se schématisent par deux barrières Schottky connectées par un

nanotube.

Par contre, les barrières Schottky des interfaces nanotube/métal, et leur réponse aux

champs appliqués déterminent leurs performances électriques.

Le principe de fonctionnement de ce type de transistor, est de moduler le courant

tunnel de la barrière Schottky de la source.

Les premiers CNTFETs ont été fabriqués en déposant un nanotube entre deux

contacts et présentaient une grille arrière dont l’épaisseur d’oxyde atteignait plusieurs

dizaines de nanomètres.

Le couplage grille/nanotube est faible, ce faible couplage nécessitait une forte

tension de grille (>5V) pour rendre le transistor passant.

Figure III.16 : Une connexion entre un transistor

et un nanotube de carbone

Figure III.15 [21] : la structure d’un

CNTFET à grille avant ("top gate").


70

VI.3 Les transistors à nanotube de carbone bio-fonctionnalisés :

Les propriétés électriques des fullerènes notamment des nanotubes de Carbone sont

très sensibles à tout contact extérieur. Les dimensions nanométriques (2 à 30 m ) de

ces nanoobjets ; leurs confèrent des capacités détectrices, puisque leur décoration

(fonctionnalisation) avec des agents biologiques (ADN, enzyme) (voir figure III.16)

augmente leurs sensibilités et leurs conductances qui est très influencée dès qu’une

molécule entre en collision ou en contact avec ces agents [25]. Des nanofils de

silicium sont aussi utilisé pour les mêmes propriétés [26].

VII. Conclusion :

Au cours de ce chapitre nous avons présenté une étude comparative des transistors

à effet de champ à base des différents matériaux : les matériaux à faible gap

GaAs/AlGaAs et les matériaux à grand gap GaN/AlxGa1-xN.

Figure III.16 [22] : transistor à nanotubes de carbonefonctionnalisé (protéine).

I

Air / gaz


71

Nous nous sommes également intéresser aux transistors à effet de champs à base

de matériaux à grand gap

Et nous avons constater l’avantage intrinsèque des transistors à effet de champ à

hétérostructures GaN/AlxGa1-xN réside dans les points suivants :

Grandes mobilités d’un gaz d’électrons bidimensionnel crée à l’interface de

hétérojonctions de type GaN/AlxGa1-xN,

Grandes intérêts pour les applications chimiques et biochimiques de sonde.

une vitesse de commutation très élevée, et une forte conductivité thermique

(régime thermique),

Ces transistors sont à très hautes mobilités à cause de large band-offset de

bande des héterostructures lui conférant de très bonnes propriétés de

confinement.

Dans ce chapitre, on a étudié l’influence du dopage de la barrière et de la

composition d’alliage sur les caractéristiques du transistor à effet de champ à base

de nitrures GaN/AlxGa1-xN. La modulation du dopage de la couche barrière AlxGa1-xN

permet d’améliorer la mobilité, augmenter la densité de porteurs dans la couche

formant le canal GaN non dopé, entraîne une conductivité élevée du canal du

transistor et diminuer le nombre de défauts d’interface et de réduire le courants de

fuite, par contre la deuxième méthode du dopage permet de diminuer les centres

pièges dans le canal du transistor en raison de l’augmentation de la fréquence de

coupure.

Ces transistors sont très performants, ils sont relier à la valeur élevée de la fraction

molaire d’aluminium dans l’alliage Al0.4Ga0.6N de couches barrière qui induisent un

bon confinement des électrons, d’où un faible courant de fuite de la diode de

Schottky de grille.

La structure de nano-transistor a été adaptée par les techniques de fabrication dite

Top down, Avec des dimensions de grilles inférieures à 30 nm.

Cette miniaturisation des transistors a été conçue pour améliorer la fiabilité de notre

biodétecteur.


72


[1] H Mathieu.‘’Physique des semiconducteurs et des composants électroniques’’.


[2] R Khlil, Thèse de Doctorat de Physique, université de Reims Champagne

Ardenne, (2005).

[3] S M Sze.“Semiconductors Devices Physics and Technology”. At. Bell, Marry

Hill. New Jersey. May 1985.

[4] M.Eickhoff, G Steinhoff, B Baur, M Stutzmann Université München, Walter

Schottky Institut, AM Coulombwall 3, Garching D-85748, Allemagne de Technische

[5] H. Morkoç, S Strite, G B Gao, M E. Lin, B. Sverdlov, and Burns M. Large-

band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device

Technologies’’. J. Appl. Phys, 1994. Vol.74, n°3, p 1363-1398.

[6] M S Shur, CIE and ECSE department, RPI, Troy, 12180, US, July 25, 2004.

[7] A T Ping, Q Chen, J W. Yang, M A Khan, I Adesida.“DC and microwave

performance of high-current AlGaN/GaN heterostructures field effect transistors

grown on p-type SiC substrates’’. IEEE. Electron Dev Lett, 1952: 54-6.

[8] R Oberhuber, G Zandler, P. Vogl. Appl. Phys . Lett. 1998;73:818.

[9] H D Morkoç, A. Di Carlo, and R. Cingolani. ‘’GaN-Based Modulation Doped

FETs and UV Detectors’’. Condensed Matter New, 2001. Vol.8, n°2, p.4-49.

[10] F Wuy, B P Keller, P Fini, S Keller, T J Jenkins, L T Kehias, et al.“High

Al-Content AlGaN/GaN MODFETs for Ultra-High-performance”. IEEE.

Electron Dev. Lett. 19 (2): 50-3 (1998).

[11] J Singh.“AlGaN/GaN and AlGaAs/GaAs HFETS: Scattering rates and

Velocity-Field relations”.WWW.eecs.umich.edu/~singh.

[12] M GASSOUMI, Doctorat de Matière condensée, INSA de LYON, (2006).

[13] S DELLIER,Doctorat de l’Electronique des Hautes Fréquences et

Optoélectronique, Université de LIMOGES, (2005).

[14] Y F Wu, D Kapolnck, P. J. Ibbetson, P. Parikh, B. P. Kellor, and U. K. Mishra.

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[15] C CHARBONNIAUD, Doctorat de Electronique des Hautes Fréquences et

Optoélectronique, Université de limoges, (2005).


73

[16] S Russo, A Di Carlo, “Scaling Issues for AlGaN/GaN HEMTs: Performance

Optimization via Devices Geometry Modelling”.

[17] A Kadri « communication privée », (2007).

[18] R Allan, C. Kolanowski, D. Theran, and Y. Crosnier.“Subhasmonic gate mixer

on a multichannel HEMT”. IEEE Microwave and Guided wave Lett. Vol.5, no.4.

pp.122-123. Aprail 1995.

[19] H Morkoç, A Di Carlo, R Cingolani. Solid State Electronics 46(2002) 157-202.

[20] R. Oberhuber, G. Zandler, P. Vogl. Appl Phys. Lett. 1998;73:818.

[21] M BESCOND, Doctorat de Physique et modélisation des systèmes complexes,

Université de Provence (Aix-Marseille i), (2004).

[22] « Le nanomonde de la science aux applications » clefs du CEA

N° 52 (2005).

[23] JY Yi, and J Bernholc, "Atomic structure and doping of microtubules," Phys. Rev.

B 47, 1708 (1993).

[24] Y. Miyamoto, A Rubio, X. Blase, M.L Cohen, and S. Louie, "Ionic cohesion and

electron doping of thin carbon tubules with alkali atoms," Phys. Rev. Lett. 74, 2993

(1995).

[25] P R Nair and M A Alam, Performance limits of nanobiosensors .App.Phys.Letters

88,233120 (2006)

[26] S HAMMAR, « Les Nez nano-bio-électroniques », colloque international sur les

Biotechnologies (2007).


74

Chapitre IV:

Propriétés du Gaz 2DEG à l’interface:Interface bio-électronique

III. Introduction

II. Effets électrostatiques à l’Interface entre deux matériaux

II.1 Jonction pn

II.2 hétérojonction

II.3 héterostructure.

IV. Effets de Polarisation dans le gaz bidimensionnel

III.1 Polarisation spontanée

III.2 Polarisation piézoélectrique.

III.3 Effets des champs de polarisation sur la concentration du 2DEG

III. Interface bio-électronique

IV.1 Interface Iono-électronique

IV.2 Interface neuro-électronique

IV.3 Nano-interface

V. Conclusion.


75

zdzd

2

2

I. Introduction :

Dans un transistor à effet de champ à hétérostructure GaN/AlGaN, le canal forme un

puits quantique dans lequel les porteurs sont confinés suivant la direction

perpendiculaire aux couches.

À l’interface de cette hétérostructure se forme un gaz d’électrons à deux dimensions

(2DEG) dû aux plusieurs effets, comme l’électrostatique, la contrainte appliquée, et il

est dû aussi à une polarisation spontanée et piézo-électrique de la structure [1].

Le GaN possède d’excellentes propriétés électriques, en plus de ses propriétés

optiques exceptionnelles. Si on compare avec le GaAs, on trouve que le GaN a une

plus grande vitesse de saturation des électrons, qu’il a une plus grande tension de

claquage et qu’il possède une plus grande stabilité thermique et chimique [1]. De

plus, grâce à la formationd’un gaz d’électron bidimensionnel (two dimension électron

gaz ou 2DEG) à l’interface de l’hétérostructure AlGaN/GaN, il est possible de

fabriquer des transistors à haute mobilité électronique pouvant fonctionner à haute

température, haute fréquence et haute puissance. Ces transistors sont très

recherchés car la grande mobilité des électrons leurs permet de commuter plus

rapidement.

Dans notre travail le gaz d’électron bidimensionnel joue le rôle d’un amplificateur

II. Effets électrostatiques à l’Interface entre deux matériaux :

À l’interface d’une hétérojonction (GaAs/ AlxGa1−xAs) se forme un gaz d’électron

bidimensionnel dans un puits triangulaire dans la bande de conduction de largueur,

où les porteurs sont libres dans les directions x, y et sont confinés suivant la direction

de croissance z par un potentiel de confinement V (z).

Ce potentiel est composé d’une part de la discontinuité de la bande de conduction

ΔEc.Y (z) et d’autre part du potentiel électrostatique Φ (z) issu du processus de

transfert de charges [2].

Le potentiel électrostatique dépend de la charge d’espace ρ (z) à l’interface et de la

constante diélectriqueεsuivant la loi de Poisson :

(IV.1)


76

Dans ce puits de potentiel, les niveaux d’énergie sont quantifiés et les électrons qui

s’y trouvent sont confinés à se déplacer de façon parallèle au plan de l’interface (2D).

xy,

E5

E4

E3

E2

E1

z__ _ _ ___ __

_ ____ _ _ ___

___ _

_

Fig. IV.2 : Un puits de potentiel triangulaire quantifier

GaAs

(GaAl)As dopé Si (GaAl)As nondopé

GaAs

++

+ ++

+

E0

E1

E

ΔCéner

gie

2DEG

niveau discretd’énergieSi+

Fig.IV.1[2] : Alternance des couches déposées et profil des bandes d’une hétéro-

jonction GaAs/AlxGa1−xAs et formation du gaz bidimensionnel d’électron (ou de trou)

à l’interface entre GaAs et AlxGa1−xAs.


77

II.1 Jonction pn :

Une jonction pn est constituée par la mise en contact de deux régions de types

différents p et n d’un même monocristal de semiconducteur pour créer une barrière

de potentiel [3].

Dans cette barrière de potentiel, la hauteur est contrôlée par une tension appliquée à

l'un (ou au deux) matériaux.

Quand on applique une tension positive du côté de la région P, les porteurs

majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le même temps,

les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la

jonction.

On peut distinguer des homojonctions et des hétérojonctions. Dans une

homojonction on utilise un seul semiconducteur avec deux régions dopées N et P.

Une hétérojonction utilise deux semiconducteurs différents.

Fig.IV.3 [4]: Jonction pn (a) bandes, en non-équilibre à cause de la

différence des niveaux de Fermi EF (b) jonction en équilibre avec le

niveau de Fermi constant tout du long, selon M. Savelli et al.


78

21 eb

2112 VVVd

viciggg 12

12 eci

12 egvi

II.2 Hétérojonction :

Une hétérojonction est un système constitué de deux semi-conducteurs dont la

bande interdite est différente. Pour le cas de GaAs/AlxGa1−xAs, elle est obtenue par

la croissance sur un substrat GaAs d’épaisseur de l’ordre de 2 μm d’une succession

de couches de grande bande interdite AlxGa1−xAs (qui jouent le rôle de barrières) et

de couches de petite bande interdite GaAs (qui jouent le rôle de puits). Ces deux

semiconducteurs formant le puits et la barrière sont pratiquement en accord de maille

[2].

Lorsque deux semiconducteurs différentes sont mit en contact, il apparaît une

barrière de potentiel à l’interface donnée par:

(1)

Ils échangent des électrons de manière à aligner leurs niveaux de Fermi.

La figure IV.4 représente le diagramme énergétique d’une hétérojonction en

l’absence de polarisation. Elle est caractérisée loin de la jonction (région neutre) par:

. (2)

(3)

Avec :

Donc, la différence des énergies des bandes de conduction et de valence des

régions neutres du semiconducteur, se compose de deux termes dont l’un est

spécifique des propriétés des matériaux et l’autre fonction de leurs dopages

respectifs [2].


79

VVeV dcicn

VVeV dvivn

cicc x 00

vivv x 00

Sous polarisation, la discontinuité de bandes est donnée par :

(4)

. (5)

Au voisinage de la jonction, la structure est caractérisée par :

. (6)

. (7)

Le calcul du potentiel et du champ électrique au voisinage de l’interface se fait par

l’intégration de l’équation de Poisson. Dans le cas d’une charge d’espace résultante

d’un régime d’accumulation, le calcul doit être auto-cohérent, car le potentiel est liée

à la distribution de charge, mais les charges étant de porteurs libres ; leur distribution

est fonction de potentiel [5].

Fig.IV.4 [5]:diagramme énergétique d’une hétérojonction

en l’absence de polarisation.

Ev1

Ec1

EF

Ev2

Ec2

z

1Fe

0c

2e1e

1g

NVdeV

0V2g

2Fe


80

II.3 Héterostructures :

Les hétérostructures à base de semi-conducteurs GaN présentent un enjeu

technologique majeur pour l’électronique de puissance.

À cause de la discontinuité de la bande de conduction (ΔEC) à l’interface d’une

hétérostructure, les électrons du côté AlGaN sont transférés vers la bande de

conduction du GaN afin de minimiser leur énergie. Ce surplus de charges négatives

dans le GaN fera en sorte que la bande de conduction du côté GaN va se courber

vers le bas. De la même façon, la charge résiduelle positive du côté AlGaN aura pour

effet de faire courber la bande de conduction vers le haut de ce côté avec la même

pente que de l’autre côté afin d’assurer la continuité du champ électrique à

l’interface. Donc, il y a formation d’un puits plus ou moins triangulaire dans la bande

de conduction du GaN (voir figure IV.6) l’à où il y a création d’un gaz d’électron

bidimensionnel 2 DEG. Dans ce puits de potentiel, les niveaux d’énergie sont

quantifiés et les électrons qui s’y trouvent sont confinés à se déplacer de façon

parallèle au plan de l’interface (2D) [6].

i. GaAs/AlGaAs :

Dans une hétérostructure à base de GaAs/AlGaAs le puit de potentiel est formé par

un effet électrostatique [1].

Ce puit de potentiel dépend de :

La nature des matériaux

Dopage.

Dans ce puit, plus l’effet électrostatique est grand, plus il est grand.

ii. GaAs/InGaAs :

Dans ce type d’hétérostructure, le gaz bidimensionnel est créé non seulement par

l’effet électrostatique mais par les contraintes bi-axiales appliquées par

l’hydrostatique et le cisaillement.

L’hydrostatique modifier le gap de la même manière, mais pas avec la même vitesse

par contre dans le cisaillement on a levée de dégénérescence [1].


81

iii. GaN/AlGaN

À cause du désaccord de maille entre le AlxGa1-xN et le GaN (Δa/a = 2,3% pour x ≈

0.15), la maille de AlGaN est généralement dilaté à condition bien sûr d’être en deçà

de l’épaisseur critique de relaxation. Cette dilatation génère une forte polarisation

piézoélectrique à cause des propriétés piézo-électriques prononcées du AlGaN et du

GaN [6].

La structure de bande de l’hétérostructure AlGaN/GaN est représentée dans la figure

suivante :

De plus l’hétérostructutre GaN/AlxGa1-xN possède une large band-offset lui conférant

de très bonnes propriétés de confinement.

AlGaN GaN

EFEc

Ev

Figure IV.5 [6]:Diagramme de bande de l’hétérostructure AlGaN/GaN

Ec

EF

E3

E2

E1

GaNAlGaN X

Figure IV.6 [6]: Détail de la bande de conduction à proximité de

l’interface


82

III. Effets de Polarisation dans le gaz bidimensionnel :

La non-centrosymétricité des matériaux nitrures GaN, AlN et leurs alliages, leur

permet d’être des matériaux piézoélectriques par excellence.

Cette piézoélectricité est très importante puisque la liaison III-N est fortement

polarisée, les électrons sont essentiellement localisés sur l’atome d’azote [7].

Les effets de polarisation rendent le gaz d’électron bidimensionnel très particulier, ou

il va amplifier des signaux électriques très faibles de l’ordre du pico Ampères.

III.1 Polarisation spontanée :

Comme nous l’avons déjà cité dans le chapitre II, en absence de toute contrainte, les

matériaux nitrures en phase wurtzite montrent une polarisation macroscopique non

nulle appelé la polarisation spontanée.

Elle s’explique par la non superposition des barycentres des charges positives avec

ceux des charges négatives [7].

Face NFace Ga

SubstratSubstrat

Figure IV.7 [7]:Représentation des séquences de couches d’atomes donnant

lieu à deux polarités différentes.


83

La séquence des couches d’atomes des constituants Ga et N pour les composés

binaires Ga-N de type wurtzite est inversée le long des directions [0001] et [000

1 ]

(Figure IV.7)

Dans les matériaux binaires GaN en phase hexagonale, il y a apparition d’une

succession de dipôles orientés dans la direction [0001] et création d’un champ

électrique dans le sens opposé à cette polarisation [7].

III.2 Polarisation piézoélectrique :

La polarisation piézoélectrique trouve essentiellement son origine dans la symétrie

du cristal.

Comme nous l’avons déjà mentionné dans le chapitre II, les nitrures peuvent

cristalliser suivant deux phases cristallines. Ces deux phases : zinc blende (cubique)

et wurtzite (hexagonale) sont non centrosymétriques. Ceci induit l’existenceen leur

sein de l’effet piézoélectrique.

+-

+ + + + + + + + + ++

+

+-

------------

P

E

σ-

σ+

Figure IV.8 [7] :Génération d’un champ électrique E par la polarisation spontanée

dans un échantillon de GaN relaxé sans champ extérieur appliqué


84

III.3 Effets des champs de polarisation sur la concentration du 2DEG :

La discontinuité de la polarisation à l'interface fait apparaître des charges fixes, selon

que le cristal est en tension ou en compression on a création de charges négatives

ou positives ; ce qui induit l'apparition d'un champ électrique interne E.

Le champ électrique interne dans les nanostuctures GaN/AlGaN modifie la

distribution des charges dans le puits quantique triangulaire, donc ce champ amplifie

la densité de gaz d’électrons bidimensionnel à l’interface.

Les charges mobiles existant sont attirées vers l'interface chargée positivement et

forment ainsi un gaz bidimensionnel (figure IV.7) [7].

ces effets de polarisations

Les polarisations spontanées pour les matériaux GaN et AlN sont environ cinq fois

supérieure que dans les matériaux III-V conventionnels (GaAs, InP).

Les polarisations piézoélectriques pour le GaN et AlN sont environ dix fois plus

importante que pour les matériaux III-V conventionnels [7].

_ __ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ __

+++++++++ + + +++++σ+

σ-

Substrat

GaN

AlxGa1-x N

2DEGPSP

PSP PPZ

_

Figure IV.7 [7]: Structure AlGaN/GaN face Ga où GaN est relaxé et AlGaN contrainten tension


85

IV. Interface bio-électronique :

Günther Zeck et Peter Fromherz, biochimistes à l’institut Max Planck de Munich, ont

réussi à construire un neurocircuit électrique complet, alliant une micropuce

électronique à deux neurones d'escargot [8].

IV.1 Interface Iono-électronique :

Un raccordement direct des signaux ioniques dans un neurone et des signaux

électroniques dans un semi-conducteur peut être atteint par une polarisation

électrique [8].

Le but de fabriquer ces dispositifs ionoélectronique est de :

Résoudre des problèmes dans la biologie moléculaire.

Développer des dispositifs Neuro-électroniques pour une physique expérimentale

de systèmes complexes tels que le cerveau.

Contribuer à la technologie de médecine et d'information en créant les neuro-

prothèses micro-électroniques et les processeurs ioniques de bases neuronales.

IV.2. Interface neuro-électronique :

IV.2.1 Le neurone :

Le neurone est l’unité fondamentale du système nerveux. C’est par lui que

convergent les ordres du cerveau à travers le corps. Il a une faculté de mémorisation

étonnante. Il interprète un stimulus extérieur à l’individu en le transformant en signal

électrique pour qu’il converge vers le cerveau. Cette cellule n’a qu’un

fonctionnement, elle transporte de l’influx nerveux de manière unidirectionnelle: elle

est donc polarisé [9].


86

Le neurone est composé comme tout d’autre cellule d’un noyau de mitochondrie et

d’une membrane phospholipidique pour le protéger.

Il possède une architecture spécifique lui permettant [11]:

i. d’intégrer l’information provenant en amont d’autre neurones ou cellules

sensorielles,

ii. de propager cette information sous forme d’un potentiel d’action le long de

sa membrane cellulaire,

iii. de transmettre l’influx nerveux à d’autres neurones ou cellules effectrices

Le transfert d’informations se réalise au moyen de molécules spécifiques, les

neurotransmetteurs.

IV.2.2 puce neuronale :

L’équipe de chercheur allemand Peter Fromherz a réalisé un mariage entre le

silicium et le vivant.

Le principe de base est simple [12] :

Toute cellule nerveuse a une certaine activité électrique.

Variation de potentiel à la grille d’un transistor MOSFET qui se

transforme en courant

Figure IV.8 [10] :Architecture d’un neurone


87

En cultivant des neurones sur une puce de silicone, on peut en effet transmettre des

signaux d’un élément à l’autre à travers l’interface silicone-neurone-neurone-silicone.

Les neurones forment des contacts synaptiques sur le circuit et peuvent délivrer des

impulsions sur la puce. En revanche, la stimulation électrique de cette dernière

permet d’activer le circuit neuronal. Cela prouve la grande flexibilité des connexions

neuronales [8].

L'expérience montre la faisabilité de la surveillance non envahi des systèmes

neuronaux par des puces de semiconducteurs, au niveau des cellules individuelles et

jette les bases pour des applications à très grande échelle d'intégration des

technologies dans les domaines des neurosciences et pharmacologie [8].

L'interface du neurone et du silicium est atténuée par un potentiel extracellulaire

transductif. Ce potentiel résulte des courants élevés par la membrane et le matériau

utilisés et d'une basse conductibilité de la jonction [8].

Figure IV.9 [8] : Neurones de cerveau de rat sur une gamme linéaire de

transistors à effet de champ. Le courant ionique dans la cellule en interaction

avec l'électronique actuelle dans le silicium


88

IV.2.3 La jonction silicium-neurone :

En 1995, Peter Fromherz, a mis au point un procédé de mesure efficace et ingénieux

: la jonction neurone silicium.

Le principe de cette jonction est d’établir un contact entre le neurone et un circuit

électrique qui lui enverra des stimuli, et pouvoir traiter un neurone sans le détériorer.

La structure suivante peut être appelée structure NOS (neurone-oxyde-

semiconducteur) par ce que le physicien a eu l’idée de faire une analogie avec le

transistor MOS (métal-oxyde-Semiconducteur).).

Le neurone est installé dans une boîte de pétri dans laquelle se trouve un milieu

nutritif lui permettant de survivre et raccordé avec un spot composé d’une couche de

silicium recouverte par une couche mince d’oxyde de silicium (SiO2). L’ensemble

constitue alors un transistor vivant qui fonctionnera comme un transistor à effet de

champ.

Dans le neurone, on plante une électrode en platine pour mesurer le potentiel

d’action et on en place une autre à l’extrémité de la membrane pour mesurer la

tension créée par le potentiel d’action.

Le neurone ne supporte pas les électrodes, il ne reste en vie que quelques heures

car il peut causer la destruction de membrane phospholipidique.

Le système ci-dessous ne permet pas d’étudier les interactions dans un réseau

neuronal biologique ni de réaliser des mesures sur des temps plus long [8].


89

Nous présentons dans la figure IV-10 la jonction silicium-neurone, il existe quatre

phénomènes :

a/ le champ électrique traversant la membrane polarise le dioxyde de silicium dans la

puce.

b / le champ électrique traversant le dioxyde de silicium polarise la membrane en

affectant la différence de potentiel des canaux ioniques.

Malheureusement, les protéines appartenant à la cellule de la membrane gardent

cette dernière à une certaine distance de la puce.

c/ l’activité neuronale dirige les courants ionique et de déplacement à travers la

membrane.

Le courant se propage au long de l’interface

Le potentiel extracellulaire transductif (TEP).

d/ la d.d.p appliquée au silicium induit un courant de déplacement à travers l’oxyde.

Le potentiel extracellulaire transductif (TEP).

Figure IV.10 [8] : la jonction silicium-neurone


90

On a pu réaliser ce genre de structure avec de silicium mais il serait plus intéressant

d’en réaliser avec du GaN/AlGaN, et ceci grâce aux intéressantes propriétés qu’offre

les structures à base de ces matériaux.

Ces Nano-FET à base de GaN/AlGaN sont caractérisés par [10]:

Une bonne stabilité sous des conditions physiologiques.

Une proportion du signal plus élevée que celle du silicium.

Exemple :

V. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié les propriétés du gaz d’électrons

bidimensionnel à l’interface de l’héterostructure GaN/AlGaN.

Ce gaz est crée grâce à la discontinuité des bandes de conduction et l’amplification

de ce gaz ce fait grâce à la polarisation spontanée et au champ piézo-électrique.

Cette origine du 2DEG lui confère des propriétés très importantes, comme une très

grande mobilité à basse température et une densité de porteurs presque

indépendante de la température.

Grâce à la formation d’un gaz d’électron bidimensionnel (two dimention electron gas

ou 2DEG) à l’interface de l’hétérostructure AlGaN/GaN, il est possible de fabriquer

des transistors vivants à effet de champ à haute mobilité électronique.

On a vu aussi les interfaces bioélectroniques, dont on a parlé des interfaces neuro-

électronique.

Figure IV.11 [10]: Les cellules des myocytes cardiaques cultivées sur la

surface de l’alliage GaN/AlGaN.

50 µm


91


[1] A KADRI, « communication privée »

[2] T NGUYEN QUANG, Thèse de doctorat de Physique des solides, Ecole

polytechnique, (2006).

[3] H Mathieu.‘’Physique des semiconducteurs et des composants électroniques’’.


[4] A DENIS, Thèse de Doctorat de Physico-chimie de la matière condensée, Ecole

doctorale des sciences chimiques, université BORDEAUX I, (2003).

[5] H Mathieu, physique des semiconducteurs et des composants électroniques

(1998).

[6] F GAUDREAU, «Etude sur les propriétés d’un gaz d’électron bidimensionnel»,

département de physique, université de SHERBOOKE, (2001).

[7] H BOUSBIA, Thèse de doctorat de Electronique des Hautes Fréquences et

Optoélectronique, ECOLE DOCTORALE Science–Technologie–Santé, Faculté des

Sciences et techniques, (2006).

[8] les interface neuroélectroniques

[9] Tom et Thomas, « Tout pour la science », (2006).

[10] Peter Fromherz, institut de Max Planck de Biochimie, (2005).

[11] C MOULIN, Doctorat de l’électronique, institut national des sciences appliquée

de Lyon, (2006).

[12] D Feigenbaum, A Nsamirizi, B S Desgagné « les nanotechnologies : leurs

bénéfices et leurs risques potentiels » 44éme scientific series, Montréal,

septembre 2004.


92

Chapitre V:

Application à la détection de moléculesbiologiques

IV. Introduction

V. Principe de la détection biologique

II.1Principe du biorécepteur

II.2Principe du Nano-transistor

VI. Application à la détection de molécules biologiques

III.1 Applications médicales et biologiques

III.2 Applications environnementales.

III.3 Applications industrielles agroalimentaires.

VII. conclusion


93

I. Introduction :

L’avènement de la nanotechnologie a permis de concevoir des biodétecteurs qui

sont utilisés dans divers domaines tels que la médecine, l’industrie agro-alimentaire

ou encore l’environnement.

Ce biodétecteur est élaboré à partir d’un transistor à effet de champs piézo-électrique

qui joue le rôle d’un amplificateur et est constitué de composants biologiques

(enzyme, virus,…) et de composants électroniques.

Dans le domaine médical, il est impératif de trouver un moyen d’atteindre

directement des cellules malades sans avoir des effets secondaires qui sont crées

par les traitements actuels et sans endommager les cellules seines. D’où la nano-

médecine qui a pour but la détection des modifications au niveau moléculaire avant

l’apparition d’une maladie.

II. Principe de la biodétection moléculaire:

La détection d’un virus ou d'une entité biologique en générale est faite à l'aide d'un

instrument de détection ou d'analyse associant de manière intégrée un élément de

reconnaissance biologique ou biorécepteur (neurone, anticorps, enzymes, ADN, ...)

et un transducteur physique (de type électronique, électrochimique, optique,

piézoélectrique, ...).

Ce biodétecteur a des propriétés spécifiques de telle manière qu’il soit sélectif et très

sensible, et il assure la transformation d’un phénomène biologique en un signal

électrique susceptible d’être traité et permettant laperception ou le dosage direct

d’une espèce biologique.

La piézoélectricité est d’une des propriétés utilisées à cette fin.

Le principe est basé sur la fixation de membranes sélectives (virus, bactérie, ADN,

protéine,…) qui joue le rôle de biorécepteur sur la grille d’un transistor MESFET

nano-structuré fabriqué à base d’un semiconducteur III-N qui joue le rôle d’un

transducteur électronique.


94

II.1 Le principe du biorécepteur :

Le biorécepteur est le premier maillon du biodétecteur. Il permet l'identification, en

temps réel, de l'espèce à détecter comme les enzymes, les bactéries, les virus, les

toxines et d'autres nano-composantes biologiques, grâce à son site particulièrement

sélectif en assurant la reconnaissance moléculaire, associée ou non à la

transformation de l'espèce [1].

Il existe plusieurs types de biorécepteurs :

1. Enzyme :

Les enzymes sont les biorécepteurs les plus utilisées, elles possèdent de nombreux

avantages comme la reproductibilité et une durée de vie connue mais aussi des

inconvénients dont une instabilité au niveau de leur fonctionnement [1].

2. ADN :

L’ADN est la carte d’identité unique et infalsifiable de chaque être vivant, utilisable

autant qu’un conducteur électrique dans certain biocomposants nanoélectroniques

[2].

2. Virus :

Dans notre étude, on utilise des virus qui produisent des substances après un

contact avec des molécules biologiques utilisées comme signal d’entrée (une

modification du potentiel électrochimique) et transformé en un signal électrique grâce

à un dispositif électronique [2].

Figure V.1 : les différentes types de virus


95

II.2 Le principe du nano-transistor :

Le nano-transistor est un dispositif permettant la mise en évidence de la réaction

assurée par le biodétecteur

Son principe est d’amplifier, moduler et démoduler le signal électrique qu’on obtient

lorsque on a une identification d’une entité biologique par le biorécepteur.

ce transistor consiste à mettre à profit les propriétés de haute mobilité du gaz

d’électrons 2DEG formé à l’interface de l’hétérostructure GaN/AlGaN, également et

surtout mettre à profit les propriétés piézoélectriques de ce 2DEG.

La grille représente la partie sensible du FET, qui est très sensible comme on l’a vu à

la piézoélectricité, et à des perturbations de polarisation, ce qui est très utile dans

l’interface bio-électronique.

Il faut que le transistor nano-structuré soit compatible avec le biorécepteur pour qu’on

puisse obtenir un signal sensible avec un minimum de bruit de fond.

Le canal du transistor à hétérostructure GaN/AlGaN forme un puits quantique

triangulaire dans lequel les porteurs sont confinés suivant la direction perpendiculaire

aux couches. À l’interface de cette hétérostructure se forme un gaz d’électrons

bidimensionnel (2DEG) dû aussi à une polarisation piézo-électrique de la structure,

ce gaz d’électron joue le rôle d’un amplificateur.

Les matériaux nitrures (GaN, AlN, AlGaN) sont utilisés dans ce biodétecteur comme

substrat, ils possèdent des propriétés intéressantes [2] :

ce sont des matériaux non-toxiques aux cellules vivantes, et ils indiquent une

stabilité chimique à long terme dans des conditions physiologiques.

Grande disponibilité

Grande résistance aux contraintes appliquées : Mécaniques, thermiques,

électriques…

Grande résistance aux agressionsdu milieu : chimiques, rayonnements, …

Grande dureté

Grande inertie chimique

Nous présentons dans la figure V-1 le principe de fonctionnement de ce détecteur de

molécule biologique à base Nano-MESFET de GaN/AlGaN, on a trois cas :

la figure V-1-a, le détecteur constitue l’état initial ou de référence.


96

la figure V-1-b, où on a l’apparition d’un gaz d’électrons bidimensionnel et cela

nous conduit à une détection c'est-à-dire que le détecteur a identifié l’entité

biologique.

la figure V-1-c: le détecteur n’a pas pu identifier, parceque l’élément de

reconnaissance moléculaire n’a pas reconnaît la molécule biologique c’est

pour cela on a pas l’apparition du gaz d’électron bidimensionnel (2DEG).

Figure V-2 : schéma illustrant le principe de fonctionnement d’un détecteur de molécule

biologique à base d’un Nano-MESFET de GaN/AlGaN

(a)l’état initial, (b)l’apparition du 2DEG c-à-d on a une détection, (c) pas de détection

Substrat

AlN

GaN

AlGaNDS G

(a)

Substrat

AlN

GaN

AlGaNDS G

2DEG

(b)

Substrat

AlN

GaN

AlGaNDS G

(c)


97

3. Application à la détection de molécules biologiques:

Les Biodétecteurs sont utilisées dans plusieurs domaines qui se trouvent dans des

secteurs sensibles de la société :

III.1 Applications en médecine :

Les nanobiodétecteurs présentent des éventualités extraordinaires dans les

applications médicales du futur : la nanomédecine où on utilise de nouvelles

technique ciblées et performantes de nano-diagnostic, nano-thérapie, …, les

médicaments intelligents à doses infinitésimales interactifs in-vivo, la médecine

génétique, la médecine in situ (nanorobots), et les labo sur puces [3].

La nanomédecine :

La nanomédecine est par définition la science et la technologie de diagnostique, de

traitement et de l’analyse, et on peut la définir encore comme le suivi, le

rétablissement, la construction et le contrôle des systèmes biologiques humains au

niveau moléculaire à l’aide de nanodispositifs et de nanostructures artificiels [4].

Elle se préoccupe d'établir un diagnostic au niveau moléculaire puis d'intervenir par

des thérapies capables de cibler des molécules uniques.

Avant qu'une maladie ne se déclare, elle est précédée par des modifications au

niveau des molécules des cellules. Détecter ces signes avant-coureurs permettrait

de prévenir plutôt que de guérir.

Dans la nanomédecine, on trouve de nouvelles techniques performantes et ciblées

pour mieux diagnostiquer et détecter à l’échelle nanométrique.

Ces biodétecteurs sont devenues un outil majeur dans le domaine de la génétique

pour l’étude de l’expression des gènes, la détection de mutations, la découverte de

médicaments ou les diagnostiques médicaux.

La biodétection permet un diagnostic rapide et efficace des maladies, ainsi qu’une

surveillance constante par un monitoring des donnés physiologiques chez un patient.

Elle exploite sa sensitivité afin d’éviter la détection de biomolécules sans marquage

et cela pour plusieurs échantillons à la fois (en parallèle) et elle contribuera à

l’élaboration de laboratoires sur puces.


98

La tendance est de permettre au médecin d'effectuer des analyses plus précises et

plus rapides avec moins de sang et dans son cabinet de consultation. Une goutte de

sang devrait suffire pour un diagnostic immédiat - c'est la direction que prennent les

choses [5]

Les biodétecteurs sont largement développées pour des applications thérapeutiques

(délivrance contrôlée de médicaments) ou diagnostiques (imagerie)

Nano-diagnostic : voir les molécules et analyser au niveau de la molécule.

Nano-thérapies : agir au niveau de la molécule.

La médecine génétique :

- Destruction des tumeurs :

Dans cette méthode on utilise des nanoparticules qui détruisent la tumeur lorsqu’on

les chauffe.

Ces nanoparticules sont conçues de façon à être invisible au système immunitaire.

Elles sont injectées dans le sang ou à proximité des tumeurs, puis pénètrent à

l’intérieur des cellules cancéreuses qui veulentabsorber les molécules de leur

enveloppe. Des ondes électromagnétiques sont appliquées sur la tumeur et mettent

en mouvement les nanoparticules ce qui entraîne la perturbation de la cellule et donc

sa destruction [5].

L’analyse génétique recourt de plus en plus à des moyens d'analyses sophistiquées.


99

La médecine in situ (les nanorobots) :

Les nanorobots sont des robots miniatures dont ils sont 10 fois plus petits que les

cellules, introduits à l'intérieur même du corps humain permettent d'ouvrir de

nouveaux horizons thérapeutiques, ils pourraient établir de meilleurs diagnostics et

réparer les tissus humains [5]

Parmi les applications potentielles des nanorobots, la construction de nanomachines

hypercomplexes et multifonctionnelles qui permettraient la reconstruction des tissus

vivants par une simple injection sous-cutanée. Ces nanorobots, assez petits pour

entrer dans une cellule vivante, pourraient remplacer ou réparer les organites,

modifier les acides nucléiques « donc le code génétique» ou effectuer d’autres

tâches impossibles sans une micro-chirurgie invasive [5].

Nano Eric Viktor 2006


100

Des applications dans le domaine médical sont envisageables. Par exemple, le

système animé par des fibres musculaires pourrait aider les patients dont les nerfs

phréniques sont endommagés, ayant donc du mal à respirer, à utiliser leurs propres

fibres cardiaques, en forçant leur diaphragme à se contracter. Placés dans le corps

humain, ces bio-robots feraient fléchir un matériau piézo-électrique plutôt qu'un fil de

silicium et l'émission de décharges de quelques millivolts stimulerait les nerfs

phréniques.

Les laboratoires sur puce (Lab-on-chip):

Les laboratoires sur puce sont des Laboratoire miniaturisé. Elles permettent de

réaliser des analyses biochimiques à partir d'une seule goutte de liquide (plasma

sanguin par exemple)

En principe, le laboratoire sur puce permettra de réaliser un grand nombre de

mesures biologiques (plusieurs dizaines de milliers) sur un seul échantillon de taille

réduite [6].

Figure v-3 [6] : Puce EWOD, microsystème permettant la manipulation de gouttes de 100

nanolitres par électromouillage. Grâce aux électrodes mises une à une sous tension, la

goutte d’échantillon sedéplace


101

III.2 Applications environnementales :

Les biodétecteurs se trouvent dans les applications environnementales pour

rechercher de polluants ou d’agents toxiques, pour contrôler la qualité de l’eau et la

pollution de l'air, de produits alimentaires ou cosmétique, dans les cas où on surveille

le niveau de contamination par des micro-organismes où pour détecter des pollutions

organiques ou microbiennes, et la certification de la qualité atmosphérique dans un

environnement de travail industriel et le contrôle du renouvellement de l'air dans les

espaces confinés[3].

Ils sont utilisés encore pour la détection rapide des organismes pathogènes utilisés

comme armes biologiques ou des contaminants environnementaux.

III.3 Applications industrielles agroalimentaires :

L'industrie agro-alimentaire est de plus en plus exigeante sur la qualité des produits

alimentaires et elle développe des procédés d'analyse en continu

Les biodétecteurs sont utilisé pour le suivi des différentes étapes de production en

ligne, et pour le contrôle de la qualité des produits finis [1].

Il existe plusieurs applications dans ce domaine comme l’évaluation de la fraîcheur,

recherche d'OGM ou de contaminants de type bactérie dans la nourriture, le contrôle

de la qualité sur les matières premières, les produits semi-finis et finis.

Ces biodétecteurs sont avantageux, car ils permettent des analyses à faibles coûts,

d’éviter des contaminations potentielles, de contrôler la qualité des aliments et de

détecter les polluants de l’environnement.[3]

On plus de tous ces avantages, ces biodétecteurs suppriment les opérations de

prélèvement, d'analyse et réduisent l'intervention humaine et le coût du personnel.

Ils interviennent dans le contrôle de processus, permettent l'automatisation. Ils

améliorent également la fiabilité des procédés et conduisent donc à un produit de

meilleure qualité [1].


102

IV. Conclusion :

Ce chapitre nous a permis de comprendre le principe de la biodétection moléculaire,

d’où ces propriétés, et sa présence dans divers domaines.

- diagnostic rapide de maladie

- Recherche génétique

- Industrie agroalimentaire

- Environnement et domaine militaire (recherche de polluants ou d’agents

toxiques)

Cependant, ces nanotechnologies appliquées à la biodétection ne sont pas sans

effets sur l’organisme vivant. Tel que les nano robots qui augmenteraient le nombre

de liaison entre les neurones et ainsi d’accroître les facultés mentales de l’homme et

donc l’être humain serait une personne biologique améliorée par des moyens non

biologiques.


[1] ’’ Les biocapteurs et leur utilisation dans les stations d'épuration et en agro-

alimentaire’’, www.univ-rouen.fr

[2] F MAHI ‘’les nano-bio-capteurs électroniques de GaN/AlGaN’’, colloque

international sur les biotechnologies, (2007).

[3] A.Kadri « Les nanotechnologies : défis & enjeux du 21éme siècle », COST N° 5,

page 1,8, janvier 2007.

[4] ‘’Les micro et nano technologies révolutionnent la médecine’’, www.tvlink.org,

(2007)

[5] ‘’les nanotechnologies dans la médecine’’, http://olivier33400.free.fr, (2006)

[6]‘’Le nanomonde de la science aux applications’’ Clefs du CEA N°52 (2005)


103

Conclusion générale

L’objectif principal de ce manuscrit consistait à étudier la faisabilité d’un détecteur de

molécules biologiques ultra-sensible.

La réalisation de ce type de composant se fait en fonctionnalisant une entité

biologique sur la grille d’un Nano-transistor à effet de champ à diode Schottky Nano-

MESFET à base de nanostructures de GAN/AlXGa1-XN, et ceci en exploitant les

effets piézoélectriques dans de telles structures.

Ce type de composant utilise la méthode de détection électronique.

On a utilisé le transistor à effet de champ dans ce détecteur parce qu’il joue le rôle

d’amplificateur.

La réalisation de ce détecteur qui est à base de matériaux nitrures repose sur des

propriétés spécifiques tel que :

forte sensitivité.

haute sélectivité.

grande résolution.

très court temps de réponse.

fiabilité de fonctionnement continu et in-situ (in-vivo)

En plus de ces propriétés, il présente certains avantages :

Obtenir une détection des biomolécules sans marquages.

Analyse d’un très grand nombre d’échantillons en parallèle

Création de dispositifs de type « laboratoire sur puce ».


104

Miniaturisation des dispositifs c-à-d d’obtenir des systèmes électriques

délivrant de faibles puissances sur une longue durée.

Dans le premier chapitre on a passé en revu les différents détecteurs de molécules

biologiques : optique, électrochimique, électronique, biologique, et bioélectronique en

particulier les détecteurs Bio-FETs.

Ces détecteurs sont classifiés selon plusieurs procédés comme la nature des entités

biologiques, le processus physique et la nature des matériaux utilisés (membranes

biologiques, les polymères, les semi-conducteurs, les nanotubes de carbone, les

transistors à effet de champ).

Par ailleurs, l’hétérostructure GaN/AlxGa1-xN outre leurs spécificités de posséder un

grand gap, elles permettent d’atteindre: des champs électriques internes, résultant à

la fois de la polarisation spontanée à l’interface et les effets piézoélectriques

résultant de la contraintes entre les couches. Ces champs électriques internes dans

les hétérostructures GaN/AlxGa1-xN présentent une polarisation permettant de

modifier les propriétés électriques des hétérostructures, en particulier, la création

d’un gaz bidimensionnel d’électrons de très haute mobilité aux interfaces

GaN/AlxGa1-xN.

L’intérêt principal de cette structure est le confinement de porteurs dans le puit

quantique suivant la direction de croissance.

Au troisième chapitre, nous avons présenté les différentes structures de transistors à

effet de champ à base de l’hétérostructure GaN/AlxGa1-xN et leurs propriétés

intéressantes.

Dans ces transistors, on constate plusieurs avantages intrinsèques comme les grandes

mobilités du gaz d’électrons bidimensionnel 2DEG créent à l’interface de

hétérojonctions de type GaN/AlxGa1-xN et les propriétés intéressantes de confinement.

Grâce à la formation d’un gaz d’électron bidimensionnel (two dimention electron gas

ou 2DEG) à l’interface de l’hétérostructure AlGaN/GaN, il est possible de fabriquer

des transistors vivants à effet de champ à haute mobilité électronique, ce qui nous

mène a la réalisation de notre Biodétecteur.


105

MAHI Fatima

Magister de Physique option : MICRO-OPTO-ELECTRONIQUE - Janvier 2008Intitulé :Etude d’un détecteur de molécule biologique à base d’un Nano-MESFET deGaN/AlGaN

Résumé :Ce travail a pour but d’étudier un détecteur de molécules biologiques à base d’un Nano-MESFET de GaN/AlGaN. L’intérêt est de concevoir un bio-détecteur nanostructurédont les applications potentielles sont prévues dans différents domaines et, enparticulier : - le domaine médical où on doit obtenir une meilleure qualité de diagnostic /thérapie, - le domaine biologique (génie biologique, manipulations génétiques, analyse,détection de sécurité,…).Le Nano-détecteur que nous étudions, est constitué d’une interface bio-électronique àbase de Semiconducteurs à grande largeur de bande interdite. Ces matériaux présententtoute une série de propriétés intéressantes pour notre détecteur. En plus de larobustesse, de la non toxicité, de la neutralité chimique, de la résistance aux agressionsde différents agents extérieurs (chimiques, mécaniques, électriques, rayonnement,…), ces matériaux présentent la particularité d’être piézo-électrique, ce qui leur confère lapropriété d’être ultra-sensibles et d’agir en amplificateurs de signaux électriques ultra-faible, tel que ceux éémis dans les divers influx vitaux biologiques.Le Chapitre I est consacré à une revue des différents processus de détection biologiqueset aux différents détecteurs biologiques.Au Chapitre II, nous présentons les propriétés des semiconducteurs III-V GaN, AlGaNet leurs héterostructures associées. Nous traitons plus particulièrement les effets depolarisation spontanée et piézo-électrique qui caractérise ces matériaux.Au chapitre III nous présentons une étude des différentes propriétés des transistors àeffet de champ MESFET fabriqués à base de nanostructures de GaN/AlGaN et, enparticulier le Gaz d’Electrons Bidimensionnel ( 2DEG) à haute mobilité qui résulte des polarisations spontanée et piézo-électrique à l’interface.Le chapitre IV est consacré à ce gaz d’électron à haute mobilité 2DEG qui apparaît à l’interface des nanostructures de GaN/AlGaN. Nous montrons en particulier, comment ses propriétés amplificatrices de signaux électriques seront utilisés dans la détection etl’identification d’entités biologique.Enfin au chapitre V, nous étudions le principe de fonctionnement du bio-détecteuretprésentons les applications proprement dites à la détection de molécules biologiques.

Mots clés : Biodétecteurs, GaN, AlN, AlGaN, héterostructure GaN/AlGaN, transistor àeffet de champ FET, MESFET, Nano-MESFET, polarisation, 2DEG, les interfaces bio-électronique.

Post-graduation de Micro-Opto-Electronique,Laboratoire d’Etude des Matériaux, Optoélectroniques et Polymères :LEMOP,Département de physique Faculté des Sciences Université d’Oran

etude des detecteurs demolecules biologique a base …

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