Soutenance de thèse de Licinius Pompiliu BENEA

Résumé:
Dans cette thèse, nous proposons un nouveau paradigme pour la détection biochimique basé sur le potentiel hors équilibre dans des substrats de silicium sur isolant (SOI),
utilisés dans la configuration Ψ-MOSFET. La configuration est typiquement utilisée pour la caractérisation des substrats SOI et est basée sur la structure intrinsèque du type transistor inversé du SOI, dans lequel un canal est induit à l’interface entre le  film de silicium et l’oxyde enterré par la tension appliquée sur le substrat de silicium utilisé comme grille arrière.
Le courant est mesuré par deux pointes métalliques à pression contrôlée posées sur le film de silicium. Le canal étant proche de la surface supérieure du SOI (<100nm), la conduction du pseudo-transistor est directement influencée par des charges déposées en surface. L’originalité de notre approche réside dans le fait qu’au lieu de mesurer le décalage dû à ces charges sur les caractéristiques statiques courant-tension, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur le potentiel hors équilibre. Ce dernier apparait en raison du manque de porteurs nécessaires à la création du canal au moment de la transition entre les régimes d’accumulation et d’inversion. L'injection de charge à travers les pointes métalliques pour la formation de canaux est, par conséquent, essentielle pour obtenir cet effet. Contrairement à la théorie qui prédirait un contact Schottky, les pointes métalliques posées sur le film de silicium faiblement dopé  montrent expérimentalement un comportement ohmique, que nous avons expliqué par l'apparition de la phase métallique métastable du silicium sous contrainte mécanique forte due à la nanoindentation provoquée par les pointes. Par la suite, nous avons mis en place une configuration simplifiée pour les mesures de potentiel, qui a montré une grande stabilité par rapport à la pression appliquée et la position des pointes. Les mesures ont été reproduites par des simulations TCAD, qui ont réussi également à montrer une influence des charges déposées sur le film de silicium sur le potentiel hors-équilibre.
Enfin, l’application de la méthode du potentiel hors équilibre à la détection biochimique a été réalisée par une étude incrémentale allant de méthodes de fonctionnalisation de base sur silicium jusqu’à la détection d’ADN. La réponse électrique est proportionnelle à la concentration en ADN et une limite de détection de 1 µM a été estimée à partir des résultats expérimentaux. La preuve de concept de cette nouvelle méthode de lecture peut être appliquée à d’autres dispositifs à effet de champ (ex. : nanofils) et à d’autres applications biochimiques.
 

• Irina IONICA : Directeur de thèse
• Francis CALMON : Rapporteur
• Anne-Claire SALAUN - Rapporteur
• Frédéric ALLIBERT - Examinateur
• Gérard GHIBAUDO : Examinateur
• Cristell MANEUX :  Examinateur