Brevet FR2887866A1 — publié le 20070105

NANOSTRUCTURES A RESISTANCE DIFFERENTIELLE NEGATIVE ET PROCEDE DE FABRICATION DE CES NANOSTRUCTURES DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne des nanostructures à résistance différentielle négative et un procédé de fabrication de ces nanostructures. L'invention s'applique notamment au domaine de la nanoélectronique. En particulier, elle permet d'obtenir des structures se comportant comme des diodes Esaki unidimensionnelles à l'échelle atomique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les diodes à effet tunnel (en anglais, tunnel diodes), ou diodes Esaki, classiques sont généralement constituées d'un matériau semiconducteur de type p, pauvre en électrons, et d'un matériau semiconducteur de type n, riche en électrons. Au niveau de la jonction entre ces deux matériaux apparaît une région de charge d'espace (en anglais, space-charge region), appelée ZCE (en anglais, SCR). Pour obtenir un effet tunnel, il est admis que les conditions suivantes doivent être remplies: (a) le niveau de Fermi doit être situé dans la bande de valence du côté p et dans la bande de conduction du côté n, (b) l'épaisseur de la ZCE doit être suffisamment petite pour que la probabilité de passage par effet tunnel soit suffisante, et (c) il faut qu'à la même énergie, des électrons et des trous soient respectivement disponibles dans la bande de conduction et dans la bande de valence. Les diodes Esaki possèdent ainsi une résistance différentielle négative (en anglais, negative differential resistance), ou RDN (en anglais, NDR) : on y observe un effet de diminution du courant lors de l'augmentation de la tension. Une diode à effet tunnel peut être préparée en formant une hétérostructure à deux couches, par exemple à partir de composés semiconducteurs III-V. Ces composés peuvent être choisis par exemple parmi GaAs, GaP, GaN et GaAlAs. Au sujet des diodes à effet tunnel, on peut se reporter au document suivant: [1] Physical Review 109, 603 (1958). Par ailleurs, on se reportera au document [2] Lyo et Avouris, Science 245, 1369 Ce document [2] divulgue des structures constituées de sites qui sont localisés sur une surface particulière. Ces sites sont formés au moyens de la pointe d'un microscope à effet tunnel et ont une RDN. La surface particulière employée est préparée par exposition d'une surface de silicium (111) à du décaborane, à une température supérieure à 500 C. Cette surface est ensuite traitée par recuit thermique. suivant. (1989). Les auteurs du document [2] constatent la présence de plots dont la densité d'états électroniques est plus importante pour les régions couvertes d'un atome de bore. Ces régions présentent une RDN. Les structures décrites dans ce document [2] sont donc de type ponctuel. Ainsi, dans l'art antérieur, il n'est pas question de former, sur des surfaces, des structures qui sont unidimensionnelles à l'échelle atomique et planes et qui ont une RDN. On se reportera aussi au document suivant: [3] US 2004 132 242, "Method for the production of one-dimensional nanostructures and nanostructures obtained according to said method", correspondent à FR 2 823 739. Ce document divulgue un procédé de fabrication de nanostructures unidimensionnelles planes. Elles sont obtenues par formation de lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, puis, par dépôt et adsorption sélective d'une matière entre ces lignes atomiques, mais pas sur ces lignes. Selon la matière employée, les bandes ainsi obtenues peuvent être passivées avec du NO, du NH3 ou du soufre, ou peuvent être rendues électriquement conductrices avec un métal comme le potassium. Ce document concerne ainsi les nanostructures unidimensionnelles. Toutefois, il ne divulgue pas un procédé d'obtention de structures se comportant comme des diodes Esaki à l'échelle atomique. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne des nanostructures à résistance différentielle négative, qui présentent un grand intérêt en nanoélectronique, ainsi qu'un procédé de fabrication de ces nanostructures. Les auteurs de la présente invention ont découvert de manière surprenante que des nanostructures ayant une résistance différentielle négative pouvaient être obtenues en formant des lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, et en déposant un métal sur cette surface jusqu'à ce que le métal recouvre au moins les lignes atomiques. L'invention permet ainsi de fabriquer des structures se comportant comme des diodes Esaki unidimensionnelles à l'échelle atomique. De façon précise, la présente invention a pour objet une nanostructure ayant une résistance différentielle négative, cette nanostructure étant caractérisée en ce qu'elle comprend une ligne atomique ou une pluralité de lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, et un dépôt de métal qui recouvre au moins la ligne atomique ou au moins la pluralité de lignes atomiques. De préférence, le dépôt a une épaisseur allant de une à cinq monocouches atomiques. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la ou les lignes atomiques sont constituées de silicium. Selon un autre mode de réalisation particulier, la ou les lignes atomiques sont constituées de carbone. De préférence, le carbure de silicium a une structure cubique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la surface est une surface (100) du substrat de carbure de silicium cubique. Le métal est de préférence choisi parmi les métaux alcalins, les métaux de transition et les métaux alcalino-terreux. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le métal est l'argent. La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une nanostructure ayant une résistance différentielle négative, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on forme une ligne atomique ou une pluralité de lignes atomiques parallèles, à la surface d'un substrat de carbure de silicium, et en ce que l'on dépose un métal sur ladite surface, jusqu'à ce que ce métal recouvre au moins la ligne atomique ou au moins les lignes atomiques. De préférence, l'épaisseur du métal déposé représente une à cinq monocouches atomiques de ce métal. Selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, la ou les lignes atomiques sont constituées de silicium. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier, la ou les lignes atomiques sont constituées de carbone. De préférence, le carbure de silicium a une structure cubique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la surface est une surface (100) du substrat de carbure de silicium cubique. La densité des lignes atomiques peut être contrôlée et ajustée de manière à fabriquer des nanostructures allant d'une seule ligne atomique isolée à un super-réseau (en anglais, super-lattice) de lignes atomiques massivement parallèles, selon les besoins et selon une méthode connue par le document suivant: [4] FR 2 757 183 A - voir aussi l'article de Soukiassian et al., Physical Review Letters 79, 2498, 1997. Le métal utilisé est de préférence choisi parmi les métaux alcalins, comme le lithium ou le rubidium, les métaux de transition, comme le platine ou le palladium, et les métaux alcalino-terreux. Avantageusement, il est choisi parmi l'argent, l'or, le cuivre, l'indium, le gallium, l'étain, le plomb, le tungstène, le molybdène, le niobium et l'aluminium. De manière préférentielle, ce métal est l'argent. Comme on l'a vu, l'épaisseur du dépôt vaut de préférence quelques monocouches atomiques. En particulier, elle vaut de préférence trois monocouches pour l'argent, une à deux monocouches pour un métal, comme par exemple le césium, dont les atomes ont un rayon important, et plus de deux monocouches pour un métal, comme par exemple le lithium, dont les atomes ont un faible rayon. Des nanostructures unidimensionnelles ayant des RDN conformément à l'invention, présentent un grand intérêt dans les domaines de la commutation très rapide, des oscillateurs et des dispositifs à l'échelle atomique travaillant à de très hautes fréquences. Les structures obtenues sont ainsi de véritables composants actifs, ce qui est sans précédent. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une courbe de SPS, ou courbe de spectroscopie tunnel (en anglais, scanning tunnel spectroscopy), dans laquelle l'intensité I, exprimée en nA, est tracée en fonction de la tension V, exprimée en mV, pour des conditions de régulation de l'émission d'électrons telles que les points de sonsigne (régulation) du courant soient peu différents de 10 nA et le point de consigne (régulation) de la tension soit peu différent de 4,9 V, - la figure 2 est un agrandissement de la zone I de la courbe de la figure 1, et - les figures 3 à 5 sont des vues en coupe schématiques d'exemples de nanostructures conformes à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de fabrication d'une nanostructure conforme à l'invention est donné ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif. On commence par préparer une surface SiC (100) pourvue de lignes atomiques. Plus précisément, dans l'exemple considéré, on prépare une surface de ^SiC(100) couverte de lignes atomiques de Si qui reposent sur une surface reconstruite c(4x2) Pour la préparation générale de lignes atomiques, on se reportera au document suivant: [5] US 6 274 234, "Very long and highly stable atomic wires, method for making these wires, application in nanelectronics", correspondant à WO 98/27578. La procédure suivie dans l'exemple est donnée ci-après. a) Un échantillon de carbure de silicium cubique (3C-SiC) est placé dans une enceinte, dans laquelle règne une pression inférieure à 5 x 10-9 Pa, et l'échantillon est chauffé par passage d'un courant directement dans cet échantillon, pendant plusieurs heures à 650 C, puis plusieurs fois à 1100 C pendant une minute. b) A l'aide d'une source de silicium chauffée à 1300 C, on dépose plusieurs monocouches de silicium sur la surface (100) du SiC cubique. c) Par des recuits thermiques, on évapore de façon contrôlée une partie du silicium déposé jusqu'à ce que la surface présente une organisation à l'échelle atomique (reconstruction) de symétrie 3x2. Cette symétrie de la surface peut être contrôlée par diffraction d'électrons. Cette surface 3x2 est constituée de lignes atomiques de silicium extrêmement denses, reposant sur une surface entièrement composée d'atomes de silicium. De nouveaux recuits permettent de diminuer la densité de ces lignes de façon contrôlée et permettent par exemple d'atteindre des densités 3x2, 5x2 ou encore 8x2. Sur la surface ainsi obtenue, on dépose ensuite de l'argent. On procède comme cela est indiqué ci-après. Dans une première étape, on prépare et l'on calibre une source d'argent. Pour ce faire une source d'atomes d'argent est placée dans une chambre à ultravide et dégazée de façon très précise. La source est considérée comme suffisamment dégazée quand l'augmentation de pression dans la chambre, durant le temps nécessaire pour évaporer une monocouche d'argent, ne dépasse pas 2 x 10-9 Pa. L'étape suivante consiste à déposer des atomes d'argent sur la surface précédemment obtenue. La procédure à suivre est donnée ci-après. La surface de SiC, comportant les lignes atomiques de silicium, est alors introduite dans la chambre à ultravide et placée à environ 3 cm de la source d'argent. On chauffe alors la source par un moyen adapté tel que l'effet Joule. Des atomes d'argent s'évaporent alors de la source et se déposent sur la surface de SiC. On contrôle l'épaisseur du dépôt d'argent à l'aide d'une balance à quartz. On peut également suivre le signal XPS issu d'un niveau de coeur de l'argent. Les atomes d'argent sont déposés de manière à recouvrir les lignes atomiques de silicium. La quantité d'argent à déposer correspond à trois monocouches atomiques environ. Dans l'exemple considéré, l'argent est déposé de telle sorte qu'il recouvre entièrement les atomes de silicium de la surface ainsi que les lignes formées sur cette surface. Dans ce cas, la surface formée possède une reconstruction de type c-4x2. La nanostructure obtenue a une RDN. Pour mettre cette RDN en évidence, on étudie la réponse de la surface obtenue par STS, c'est-à dire par spectroscopie à effet tunnel (en anglais, scanning tunneling spectroscopy) . Les lignes atomiques de Si, qui sont couvertes d'argent, donnent une réponse I(V) qui présente une résistance différentielle négative. Ce n'est pas le cas de la surface qui est également couverte d'argent (2x3) mais située entre les lignes. Sur la figure 1, on peut voir la courbe de spectroscopie I(V) en valeur absolue, à l'échelle linéaire, pour les lignes atomiques recouvertes. La RDN est mieux mise en évidence sur la figure 2 qui est un agrandissement de la partie I de la figure 1, délimitée par des pointillés. On a donc fabriqué un super-réseau de lignes atomiques massivement parallèles qui possèdent une résistance différentielle négative. Ces lignes atomiques se comportent comme des diodes Esaki unidimensionnelles à l'échelle atomique. On précise que la courbe I(V) de la figure 1 représente les variations de l'intensité I du courant qui passe par effet tunnel entre la pointe du microscope utilisé et l'échantillon étudié, en fonction de la tension V entre la pointe et l'échantillon. La pointe du microscope a pu balayer l'échantillon et la réponse typique s'est présentée à chaque franchissement de ligne atomique. Les figures 3 à 5 sont des vues en coupe schématiques d'exemples de nanostructures à RDN conformes à l'invention, formées sur une surface (100) d'un substrat 2 en carbure de silicium à structure cubique. La nanostructure de la figure 3 comprend une seule ligne atomique 4 de silicium sur la surface du substrat 2. Cette ligne 4 est recouverte d'une couche d'argent 6 dont l'épaisseur représente quelques monocouches d'argent, de préférence trois monocouches. La nanostructure de la figure 4 comprend plusieurs lignes atomiques de silicium parallèles 8, formées sur la surface (100) du substrat 2. Dans cet exemple, la courbe 6 recouvre chaque ligne 8 ainsi que les parties de la surface (100) qui sont comprises entre ces lignes. La nanostructure de la figure 5 comprend plusieurs ensembles 10 de lignes atomiques de silicium 12 qui sont parallèles les unes aux autres. Ces ensembles sont espacés les uns des autres. De plus, dans chaque ensemble, une couche d'argent 14, dont l'épaisseur représente quelques couches atomiques d'argent, recouvre les lignes atomiques de cet ensemble ainsi que les parties de la surface (100), qui sont comprises entre ces lignes. Dans les exemples des figures 3 à 5, on peut utiliser des masques (non représentés) pour déposer les couches d'argent aux endroits souhaités. Précisons que les nanostructures conformes à l'invention se comportent comme des diodes Esaki en ce sens que, comme ces dernières, elles ont une RDN. Remarquons aussi que ces nanostructures sont des jonctions métalsemiconducteur. Mentionnons également qu'un intérêt supplémentaire de la présente invention réside dans le fait que les lignes atomiques recouvertes d'un métal conformément à l'invention peuvent servir de réseau (en anglais, array) de stockage d'informations car ces lignes sont facilement repérables par lecture au moyen d'un microscope électronique. En effet, remarquons que la topographie de la surface sur laquelle les lignes sont formées, devient une véritable carte et que les lignes peuvent être plus ou moins espacées. On peut donc stocker des informations entre ces lignes et retrouver un espace interligne souhaité puisque chaque ligne est repérable, ce qui permet de les compter et de parvenir ainsi à l'espace recherché. Dans la présente invention, au lieu de lignes en silicium (recouvertes d'un métal), on peut former et utiliser des lignes de carbone (recouvertes d'un métal). Dans le cas d'un substrat de carbure de silicium à structure cubique, au lieu d'une surface (100) d'un tel substrat, on peut utiliser d'autres surfaces, par exemple des surface (111), (110) etc. De plus, au lieu d'une structure cubique pour le substrat en carbure de silicium, on peut utiliser d'autres structures, par exemple une structure hexagonale ou une structure rhomboédrique. REVENDICATIONS 1. Nanostructure ayant une résistance différentielle négative, cette nanostructure étant caractérisée en ce qu'elle comprend une ligne atomique (4) ou une pluralité de lignes atomiques parallèles (8, 12), à la surface d'un substrat de carbure de silicium (2), et un dépôt de métal (6, 14) qui recouvre au moins la ligne atomique ou au moins la pluralité de lignes atomiques. 2. Nanostructure selon la revendication 1, dans laquelle le dépôt (6, 14) a une épaisseur allant de une à cinq monocouches atomiques. 3. Nanostructure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle la ou les lignes atomiques (4, 8, 12) sont constituées de silicium. 4. Nanostructure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle la ou les lignes atomiques sont constituées de carbone. 5. Nanostructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le carbure de silicium a une structure cubique. 6. Nanostructure selon la revendication 5, dans laquelle la surface est une surface (100) du substrat (2) de carbure de silicium cubique. 7. Nanostructure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le métal est choisi parmi les métaux alcalins, les métaux de transition et les métaux alcalino-terreux. 8. Nanostructure selon la revendication 7, dans laquelle le métal est l'argent. 9. Procédé de fabrication d'une nanostructure ayant une résistance différentielle négative, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on forme une ligne atomique (4) ou une pluralité de lignes atomiques parallèles (8, 12), à la surface d'un substrat de carbure de silicium (2), et en ce que l'on dépose un métal (6, 14) sur ladite surface, jusqu'à ce que ce métal recouvre au moins la ligne atomique ou au moins les lignes atomiques. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'épaisseur de métal déposé représente une à cinq monocouches atomiques de ce métal. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel la ou les lignes 25 atomiques (4, 8, 12) sont constituées de silicium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel la ou les lignes atomiques sont constituées de carbone. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel le carbure de silicium a une structure cubique. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la surface est une surface (100) du substrat de carbure de silicium cubique. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel le métal est choisi parmi les métaux alcalins, les métaux de transition et les métaux alcalino-terreux. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel le métal est l'argent.