Développement de procédés plasmas innovants pour le nettoyage, le dopage et la gravure du graphène CVD – CleanGRAPH

Les propriétés uniques du graphène permettent d’envisager de nombreuses applications dans l'optique, la mécanique et l'électronique. Cependant, des défis doivent être relevés avant de pouvoir intégrer le graphène dans des dispositifs sophistiqués.
Le graphène voit ses états électroniques fortement affectés par toute modification de sa surface: la présence de contaminants dégrade ses propriétés intrinsèques en modifiant localement le point de neutralité de charge ce qui induit une diffusion des porteurs de charge. Par conséquent, une brique technologique indispensable pour la fabrication des dispositifs à base de graphène est le nettoyage de sa surface (élimination sélective des contaminants). Mais il n'existe aujourd'hui aucune technologie fiable pour nettoyer le graphène sans l’endommager. Pour les applications nanoélectronique, un autre défi est d'ouvrir un gap dans la structure électronique du graphène. Ceci peut être réalisé soit en le dopant soit en le structurant en nano-ruban afin de générer un confinement latéral des porteurs. Dans les deux cas, bien que la preuve du concept ait été faite, les technologies développées à ce jour sont immatures et manquent de reproductibilité.
Le but de ce projet est d’apporter une solution à ces problèmes en s’appuyant sur des nouvelles technologies plasma.
Les plasmas sont universellement utilisés dans la fabrication des circuits intégrés. Par contre, leur utilisation pour le nettoyage et le dopage du graphène reste marginal car ils sont trop agressifs pour traiter des couches d’épaisseur atomique sans les endommager. Néanmoins, le développement récent de nouvelles sources à plasma dans les industries microélectroniques et photovoltaïque pourrait permettre de lever cette limitation. L'objectif de ce projet est d'évaluer 2 nouveaux réacteurs pour le nettoyage, le dopage et la gravure du graphène. Ils sont prometteurs car ils ont démontré des capacités remarquables pour le traitement de couches ultraminces en 2012. Nous envisageons d’utiliser des plasmas H2 pour le nettoyage du graphène tandis que des plasmas de Cl2, N2 et BCl3 sont intéressants pour son dopage. Pour permettre le développement rapide et efficace de ces nouveaux procédés, nous utiliserons la stratégie suivante: 1) utilisation de simulations de dynamique moléculaire (MD) pour prédire quels flux/énergie des particules du plasma sont requis pour obtenir l'effet désiré; 2) utilisation de diagnostics du plasma pour ajuster les conditions expérimentales à celle suggérées par la MD; 3) utilisation de techniques d’analyse de surface pour caractériser le graphène. Nous combinerons plusieurs techniques (XPS, Raman, XPEEM, nanosonde Auger, KFM) pour caractériser l’impact du plasma sur les propriétés chimiques et structurales du graphène ainsi que sur ses propriétés électroniques. De plus, nous proposons de fabriquer et de caractériser électriquement des dispositifs électroniques en graphène afin de valider l'efficacité des traitements plasma.
Pour réussir ce projet notre force est de réunir 3 compétences complémentaires (dispositifs graphène/gravure plasma/caractérisation des surfaces) issues de 5 laboratoires spécialisés dans la nanoélectronique. Le LTM, LPP et LPICM sont experts dans la caractérisation et le développement de procédés plasma et disposent des 2 nouveaux réacteurs qui sont au cœur de ce projet. I-Néel possède une expertise dans la croissance de graphène par CVD et dans la fabrication/caractérisation des dispositifs électroniques en graphène. Le CEA-LETI, via la plate-forme de Nanocaractérisation de MINATEC, dispose d’un ensemble unique de bâtis ultra-vide interconnectés pour une caractérisation localisée complète des propriétés chimiques et électroniques du graphène. Cet outil sera utile pour développer et valider les procédés plasma. Ce projet devrait permettre le développement de nouvelles technologies de nettoyage et dopage du graphène qui seront utiles à la vaste communauté scientifique travaillant sur ce sujet.