Lorsque l'électronique passe du silicium à l'organique

Les chercheurs du National Institute of Standards & Technology américian (Nist) viennent de créer une passerelle entre la microélectronique actuelle, basée sur des semi-conducteurs à base de silicium, et de futurs systèmes électroniques qui devraient faire appel à des molécules organiques complexes.

Dans un article du Journal of the American Chemical Society, une équipe du Nist démontre qu'une simple couche de molécules organiques peut être assemblée sur la même sorte de substrats que ceux utilisés dans les puces actuelles. La possibilité d'utiliser un substrat à base de cristaux de silicium, compatible avec les actuelles technologies de fabrication CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), ouvre la voie à des circuits hybrides CMOS-molécules organiques, qui seront la première étape vers des technologies totalement basées sur des molécules organiques.

Le schéma du haut montre la coupe de l'équipement complet avec un zoom sur la mono-couche de molécules
déposée sur un substrat de silicium compatible avec les technologies de fabrication CMOS.

En bas la microphotographie montre une vue de dessus du puis avec sa pastille conductrice en argent.

Les scientifiques classent les structures cristallines en fonction de l'orientation des plans traversant le cristal. La plupart des recherches actuelles sur les substrats en silicium pour "l'électronique moléculaire" ont été faites autour d'orientations des plans qui conviennent bien pour les molécules organiques, mais qui sont incompatibles avec les technologies CMOS. Dans le cas des recherches faites par l'équipe du Nist, il a été démontré pour la première fois qu'il était possible de déposer une mono-couche de molécules organiques de bonne qualité sur une orientation des cristaux de silicium couramment utilisée dans les procédés industriels de fabrication CMOS. Ce qui a pu être vérifié grâce à une analyse stéréoscopique poussée.

L'équipe a ensuite créé, en utilisant les mêmes techniques, un démonstrateur simple mais fonctionnel d'un équipement à base "d'électronique moléculaire", une résistance. Une mono-couche de chaînes simples d'atomes de carbone, en contact par leurs extrémités avec des atomes de soufre, a été déposé dans des puits de 5 µm de diamètre profonds de 100 nanomètres creusés dans le substrat de silicium, puis recouvert par une pastille conductrice à base d'argent. L'utilisation de l'argent est novatrice par rapport à d'autres études menées sur "l'électronique moléculaire" où la couche conductrice était à base d'or ou d'aluminium. Contrairement aux autres métaux utilisés précédemment, l'argent ne perturbe pas le fonctionnement de la couche moléculaire.

L'équipe du Nist a fabriqué deux démonstrateurs "d'électronique moléculaire", basé sur des longueurs de chaînes d'atomes de carbone différentes. Ces deux démonstrateurs ont résisté correctement à un flux électrique, bien que celui présentant la plus grande longueur ait eu une résistance une plus grande que prévue. Des contrôles ont montré que ces "résistances moléculaires" avaient bien des fonctionnement non-linéaires.

La prochaine étape envisagée par l'équipe est de fabriquer un circuit hybride CMOS-moléculaire pour montrer que les composants à base "d'électronique moléculaire" peuvent fonctionner en harmonie avec les technologies microélectroniques actuelles.

Ce projet a été financé en grande partie par le NIST Office of Microelectronics Programs et le Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) MoleApps Program

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.nist.gov