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République Algérienne Démocratique et PopulaireMinistère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
______
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
____
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
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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
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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.
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
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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.
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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
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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.
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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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].
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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.
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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
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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.
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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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)
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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)
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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].
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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
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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
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[2] Les interfaces neuroélectroniques
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[4] « images de la physique 2005 » CNRS
[5] L.MALAQUIN, Doctorat de nanophysique (CNRS, U. Toulouse, France (2004)
[6] F. Pouthas, Doctorat de Physique des Liquides, Université Paris 6 (2004)
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[8] Larousse médicale, Année 2005.
[9] C.GENTIL, Doctorat de Physique des liquides, université Paris 6 (2005)
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[20] « Les biotechnologies», revues d’ AEPI, septembre 2003.
[21] V.Stambouli-Sené, M.Labeau, J.Joud, E.Appert, « Caractérisation par XPS de
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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.
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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
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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
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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
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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]
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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)
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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
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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
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*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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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].
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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].
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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].
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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+
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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
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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]
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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
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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
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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
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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… .
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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].
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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.
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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).
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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)
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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").
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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
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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.
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Schottky Institut, AM Coulombwall 3, Garching D-85748, Allemagne de Technische
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on a multichannel HEMT”. IEEE Microwave and Guided wave Lett. Vol.5, no.4.
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[22] « Le nanomonde de la science aux applications » clefs du CEA
N° 52 (2005).
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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).
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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.
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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)
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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.
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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.
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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].
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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
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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].
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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
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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.
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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
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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
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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].
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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
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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
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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].
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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
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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
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91
Références bibliographiques :
[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’’.
5ème Edition. Masson, Paris, 2001.
[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.
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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
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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.
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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
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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.
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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)
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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.
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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.
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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
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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
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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].
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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.
Références bibliographiques :
[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)
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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 ».
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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.
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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