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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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18570
10/12/2018

Caractérisation de techniques d’implantation ionique alternatives pour l’optimisation du module source-drain de la technologie FDSOI 28 nm

R.DAUBRIAC

MPN

Doctorat : INSA de Toulouse, 10 Décembre 2018, 241p., Président: J.GRISOLIA, Rapporteurs: C.MANEUX, D.TSOUKALAS, Examinateurs: S.JOBLOT, D.RIDEAU, P.BATUDE, Directeurs de thèse: F.CRISTIANO, G.LARRIEU , N° 18570

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02053232

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Abstract

During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters. Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction. To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.

Résumé

Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des noeuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semiconducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semiconducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes

146654
18560
01/12/2018

Insight of surface treatments for CMOS compatibility of InAs nanowires

D.DHUNGANA, A.HEMERYCK, N.SARTORI, P.F.FAZZINI, F.CRISTIANO, S.PLISSARD

MPN, M3, EXT, LPCNO

Revue Scientifique : Nano Research, Décembre 2018 , N° 18560

Lien : https://hal.laas.fr/hal-02017661

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Abstract

A CMOS compatible process is presented in order to grow self-catalyzed InAs nanowires on silicon by molecular beam epitaxy. The crucial step of this process is a new in-situ surface preparation under hydrogen (gas or plasma) during the substrate degassing combined with an in-situ arsenic annealing prior to growth. Morphological and structural characterizations of the InAs nanowires are presented and growth mechanisms are discussed in detail. The major influence of surface termination is exposed both experimentally and theoretically using statistics on ensemble of nanowires and density functional theory (DFT) calculations. The differences observed between Molecular Beam Epitaxy (MBE) and Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) growth of InAs nanowires can be explained by these different surfaces terminations. The transition between a vapor solid (VS) and a vapor liquid solid (VLS) growth mechanism is presented. Optimized growth conditions lead to very high aspect ratio nanowires (up to 50 nm in diameter and 3 micron in length) without passing the 410 °C thermal limit, which makes the whole process CMOS compatible. Overall, our results suggest a new method for surface preparation and a possible tuning of the growth mechanism using different surface terminations.

146573
18593
20/11/2018

Etudes théorique et expérimentale de semi-conducteurs organiques pour l'élaboration d'un biocapteur destiné à la détection de la pollution de l'eau

L.FAROUIL

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 20 Novembre 2018, 244p., Président: K.MOINEAU CHANE CHING, Rapporteurs: L.HIRSCH, Y.CARISSAN, Examinateurs: C.DURRIEU, J.GROENEN , Directeurs de thèse: F.ALARY, E.BEDEL PEREIRA , N° 18593

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02072729

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Abstract

The aim of this thesis is to develop an organic photodiode (OPD) designed to be integrated into a biosensor. It is part of the broader framework of studying and improving organic components involved into devices devoted to water pollution monitoring. The need for such portable, fast-response, low-cost microsystems is of great interest. The measurement is based on the fluorescence detection of micro-algae under toxic substances exposure. The excited algae, under a blue light emitting diode (LED), will emit a fluorescence signal whose intensity, modified because of pollutant exposure (Diuron), is detected by the OPD. Since the fluorescence signal is very weak, the ideal OPD must have a low dark current and a high sensitivity. To achieve this performance, a judicious choice of organic semiconductor materials (OSC) used for the OPD is required. In addition, it is interesting to investigate their physico-chemical properties by rationalizing the mechanisms involved in the active layer (photon absorption phenomena, charge transport mechanisms, and losses associated with charge recombinations). This thesis is based on two axes. The first one consists in a theoretical study of the charge exchanges at a nanoscale. This have been done by both optical characterizations and quantum chemistry calculations based on DFT and TD-DFT methods. Calculations were performed on a model system (P3HT) thus providing the basis for a very promising computational protocol for studying the properties of materials of interest, for instance PTB7. The second axis concerns the experimental study of the OPD based on PTB7:PC60BM. We have developed, characterized and optimized an OPD guarantying the detection of algal fluorescence without and with Diuron at about nanomolar concentrations.

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'une photodiode organique (OPD) destinée à être intégrée dans un biocapteur. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général de l'étude et de l'amélioration de composants organiques impliqués dans des microsystèmes de détection visant à surveiller la pollution de l'eau. Le besoin dévaluation et de suivi de la qualité de l'eau suscite un grand intérêt pour des systèmes de détection portables de polluants ayant une réponse rapide et de faible coût. Le principe de la mesure repose sur la détection des variations de fluorescence de micro-algues en présence de substances toxiques. Excitées grâce à une diode électroluminescente (LED) bleue, les algues vont émettre un signal de fluorescence dont l'intensité, modifiée en présence de polluant (Diuron), est détectée par lOPD optimisée. Le signal de fluorescence à détecter étant très faible, l'OPD idéale doit avoir un faible courant d'obscurité et une grande sensibilité. Cela passe par un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs organiques (OSC) entrant dans l'élaboration de la couche active du composant. Pour accompagner le choix des matériaux, il est intéressant d’explorer leurs propriétés physico-chimiques tout en essayant de rationaliser les mécanismes mis en jeu au sein de ces matériaux lorsqu'ils sont utilisés dans l'élaboration d'OPD (phénomènes d'absorption de photons, mécanismes de transport de charges, et pertes associées aux recombinaisons de charges). Cette thèse s'articule autour de deux axes. Le premier axe consiste en une étude théorique qui vise à comprendre et à maitriser l'échange des charges à l'échelle nanométrique par des caractérisations optiques et des calculs de chimie quantique basés sur des méthodes DFT et TD-DFT. L'étude sur un système modèle (le P3HT) a permis d'établir un protocole de calcul très prometteur pour l'étude des propriétés de matériau d'intérêt, en particulier le PTB7. Le second axe est un volet à caractère expérimental. L'élaboration, la caractérisation et l'optimisation d'OPD à base de PTB7 : PC60BM a permis de concevoir un biocapteur algal apte à détecter le Diuron à des concentrations de l'ordre du nanomolaire.

Mots-Clés / Keywords
Photodiode organique; P3HT; PTB7; DFT; TD-DFT; Fluorescence algale; Pesticides; Organic photodiode; algaL fluorescence; Pesticide;

146853
18540
01/11/2018

Study of aluminium oxide thin films deposited by plasma-enhanced atomic layer deposition from tri-methyl-aluminium and dioxygen precursors: Investigation of interfacial and structural properties

A.LALE, E.SCHEID, F.CRISTIANO, L.DATAS, B.REIG, J.LAUNAY, P.TEMPLE BOYER

MICA, MPN, CIRIMAT, TEAM

Revue Scientifique : Thin Solid Films, Vol.666, pp.20-27, Novembre 2018 , N° 18540

Lien : https://hal.laas.fr/hal-02043421

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Abstract

Aluminium oxide (Al 2 O 3) films were deposited on silicon substrates using plasma-enhanced atomic layer de-position (PE-ALD) technique with tri-methyl-aluminium TMA (Al(CH 3) 3) and dioxygen (O 2) as precursors. PE-ALD experiments were performed in order to (i) investigate the interfacial properties between the silicon sub-strate and the alumina layer, and (ii) understand the impact of growth and crystallization phenomena on the Al 2 O 3 films properties (structural, optical, mechanical, dielectric and etch). The formation of oxide-based transition layers, either silicon oxide SiO 2 and/or aluminosilicate Al x Si y O, was evidenced for the TMA/O 2 PE-ALD process. Based on these results, it appears that no substrate-enhanced growth occurs at the early stages of the growth process, as assumed in previous reports. Thus, constant growth rate (0.08 nm per cycle) and re-fractive index (1.64 at a 450 nm wavelength) were obtained for the Al 2 O 3 layer deposited at 300 °C. Finally, thermal annealing experiments were performed on these films, evidencing the influences of atomic structural rearrangement and crystallization on the Al 2 O 3 film main characteristics: interface steepness, atomic structure, refractive index, residual stress, dielectric constant and etch rate.

146397
18228
01/11/2018

Fano-Resonances in High Index Dielectric Nanowires for Directional Scattering

P.WIECHA, A.CUCHE, H.KALLEL, G.COLAS DES FRANCS, A.LECESTRE, G.LARRIEU, V.LARREY, F.FOURNEL, T.BARON, A.ARBOUET, V.PAILLARD

CEMES/CNRS, LICB, TEAM, MPN, CEA-LETI, LTM

Ouvrage (contribution) : Fano Resonances in Optics and Microwaves, Springer, N°ISBN 978-3-319-99730-8, Vol.310, Novembre 2018, Chapter 12, pp.283-2 , N° 18228

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01850259

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Abstract

High refractive index dielectric nanostructures provide original optical properties thanks to the occurrence of size- and shape-dependent optical resonance modes. These modes commonly present a spectral overlap of broad, low-order modes (\textit{e.g}. dipolar modes) and much narrower, higher-order modes. The latter are usually characterized by a rapidly varying frequency-dependent phase, which - in superposition with the lower order mode of approximately constant phase - leads to typical spectral features known as Fano resonances. Interestingly, such Fano resonances occur in dielectric nanostructures of the simplest shapes. In spheroidal nanoparticles, interference between broad magnetic dipole and narrower electric dipole modes can be observed. In high aspect-ratio structures like nanowires, either the electric or the magnetic dipolar mode (depending on the illumination conditions) interferes with higher order multipole contributions of the same nature (electric or magnetic). Using the analytical Mie theory, we analyze the occurrence of Fano resonances in high-index dielectric nanowires and discuss their consequences like unidirectional scattering. By means of numerical simulations, we furthermore study the impact on those Fano resonances of the shape of the nanowire cross-sections as well as the coupling of two parallel nanowires. The presented results show that all-dielectric nanostructures, even of simple shapes, provide a reliable low-loss alternative to plasmonic nanoantennas.

144273
18294
09/10/2018

Growth of InAs and Bi1-xSbx Nanowires on Silicon for Nanoelectronics and Topological Qubits by Molecular Beam Epitaxy

D.DHUNGANA

MPN

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 9 Octobre 2018, 174p., Président: F.CRISTIANO, Rapporteurs: A.LEMAITRE, E.P.A.M.BAKKERS, Examinateurs: Y.ANDRE, Directeurs de thèse: S.PLISSARD , N° 18294

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Résumé

Grâce à leur propriétés uniques, les nanofils d’InAs et de Bi1-xSbx sont important pour les domaines de la nanoélectronique et de l’informatique quantique. Alors que la mobilité électronique de l’InAs est intéressante pour les nanoélectroniques; l’aspect isolant topologique du Bi1-xSbx peut être utilisé pour la réalisation de Qubits basés sur les fermions de Majorana. Dans les deux cas, l’amélioration de la qualité du matériau est obligatoire et ceci est l’objectif principal cette thèse où nous étudions l’intégration des nanofils InAs sur silicium (compatibles CMOS) et où nous développons un nouvel isolant topologique nanométrique: le Bi1-xSbx. Pour une compatibilité CMOS complète, la croissance d’InAs sur Silicium nécessite d’être autocatalysée, entièrement verticale et uniforme sans dépasser la limite thermique de 450 ° C. Ces normes CMOS, combinées à la différence de paramètre de maille entre l’InAs et le silicium, ont empêché l’intégration de nanofils InAs pour les dispositifs nanoélectroniques. Dans cette thèse, deux nouvelles préparations de surface du Si ont été étudiées impliquant des traitements Hydrogène in situ et conduisant à la croissance verticale et auto-catalysée de nanofils InAs compatible avec les limitations CMOS. Les différents mécanismes de croissance résultant de ces préparations de surface sont discutés en détail et un passage du mécanisme Vapor-Solid (VS) au mécanisme Vapor- Liquid-Solid (VLS) est rapporté. Les rapports d’aspect très élevé des nanofils d’InAs sont obtenus en condition VLS: jusqu’à 50 nm de diamètre et 3 microns de longueur. D’autre part, le Bi1-xSbx est le premier isolant topologique 3D confirmé expérimentalement. Dans ces nouveaux matériaux, la présence d’états surfacique conducteurs, entourant le coeur isolant, peut héberger les fermions de Majorana utilisés comme Qubits. Cependant, la composition du Bi1-xSbx doit être comprise entre 0,08 et 0,24 pour que le matériau se comporte comme un isolant topologique. Nous rapportons pour la première fois la croissance de nanofils Bi1-xSbx sans défaut et à composition contrôlée sur Si. Différentes morphologies sont obtenues, y compris des nanofils, des nanorubans et des nanoflakes. Leur diamètre peut être de 20 nm pour plus de 10 microns de long, ce qui en fait des candidats idéaux pour des dispositifs quantiques. Le rôle clé du flux Bi, du flux de Sb et de la température de croissance sur la densité, la composition et la géométrie des structures à l’échelle nanométrique est étudié et discuté en détail.

Abstract

InAs and Bi1-xSbx nanowires with their distinct material properites hold promises for nanoelectronics and quantum computing. While the high electron mobility of InAs is interesting for nanoelectronics applications, the 3D topological insulator behaviour of Bi1-xSbx can be used for the realization of Majorana Fermions based qubit devices. In both the cases improving the quality of the nanoscale material is mandatory and is the primary goal of the thesis, where we study CMOS compatible InAs nanowire integration on Silicon and where we develop a new nanoscale topological insulator. For a full CMOS compatiblity, the growth of InAs on Silicon requires to be self-catalyzed, fully vertical and uniform without crossing the thermal budge of 450 °C. These CMOS standards, combined with the high lattice mismatch of InAs with Silicon, prevented the integration of InAs naowires for nanoelectronics devices. In this thesis, two new surface preparations of the Silicon were studied involving in-situ Hydrogen gas and in-situ Hydrogen plasma treatments and leading to the growth of fully vertical and self-catalyzed InAs nanowires compatible with the CMOS limitations. The different growth mechanisms resulting from these surface preparations are discussed in detail and a switch from Vapor-Solid (VS) to Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism is reported. Very high aspect ratio InAs nanowires are obtained in VLS condition: upto 50 nm in diameter and 3 microns in length. On the other hand, Bi1-xSbx is the first experimentally confirmed 3D topololgical insulator. In this new material, the presence of robust 2D conducting states, surrounding the 3D insulating bulk can be engineered to host Majorana fermions used as Qubits. However, the compostion of Bi1-xSbx should be in the range of 0.08 to 0.24 for the material to behave as a topological insulator. We report growth of defect free and composition controlled Bi1-xSbx nanowires on Si for the first time. Different nanoscale morphologies are obtained including nanowires, nanoribbons and nanoflakes. Their diameter can be 20 nm thick for more than 10 microns in length, making them ideal candidates for quantum devices. The key role of the Bi flux, the Sb flux and the growth temperature on the density, the composition and the geometry of nanoscale structures is investigated and discussed in detail.

144673
18419
01/10/2018

Nanowire based bioprobes for electrical monitoring of electrogenic cells

A.CASANOVA, L.BETTAMIN, MC.BLATCHE, F.MATHIEU, H.MARTIN, D.GONZALEZ-DUNIA, L.NICU, G.LARRIEU

MPN, I2C, INSERM, MEMS

Revue Scientifique : Journal of Physics: Condensed Matter, Vol.30, N°46, 464001p., Octobre 2018 , N° 18419

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01942304

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Abstract

The continuous miniaturization of electronic components and the emergence of nano-biotechnology has opened new perspectives to monitor electrical activities at the single cell level. Here, we describe the creation of very high surface-to-volume ratio passive devices (vertical nanowire probes) using large-scale fabrication process, allowing to follow the electrical activity of mammalian neurons. Based on conventional silicon processing, the silicon nanowires were silicided in platinum in order to improve their electrochemical performances and to guarantee their biocompatibility. Very high signal to noise ratio was achieved (up to 2000) when measuring spontaneous action potentials. Moreover, this bio-platform was used to record the impact of various bio-chemical and electrical stimulations on neuronal activity. To conclude, this study proposes a thorough comparison of the characteristics and performances of these new nanowire-based nanoprobes with the main alternative systems published up to now.

145573
18606
28/09/2018

On the anomalous generation of {0 0 1} loops during laser annealing of ion-implanted silicon

L.A.MARQUES, M.ABOY, I.SANTOS, P.LOPEZ, F.CRISTIANO, A.LA MAGNA, K.HUET, T.TABATA, L.PELAZ

Valladolid, MPN, CNR-IMM, Catania, SCREEN-LASSE

Revue Scientifique : Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms, Septembre 2018 , N° 18606

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01921136

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Abstract

We combine focused experiments with molecular dynamics simulations to investigate in detail the formation of {0 0 1} loops in nanosecond laser-annealed silicon. We demonstrate that at temperatures close to the melting point, self-interstitial rich silicon is driven into dense liquid-like droplets that are highly mobile within the solid crystalline matrix. These liquid droplets grow by a coalescence mechanism and eventually transform into {0 0 1} loops through a liquid-to-solid phase transition in the nanosecond timescale.

146917
18188
21/09/2018

Nanosecond laser defects induced in crystalline silicon annealed: identification, localization and electrical impact

R.MONFLIER, H.RIZK, T.TABATA, J.ROUL, E.IMBERNON, S.BONINELLI, M.ITALIA, A.LA MAGNA, F.MAZZAMUTO, P.ACOSTA ALBA, S.KERDILES, F.CRISTIANO

MPN, SCREEN-LASSE, I2C, TEAM, CNR-IMM, Catania, CEA-LETI

Manifestation avec acte : International Conference on Ion Implantation Technology ( IIT ) 2018 du 16 septembre au 21 septembre 2018, Wurzburg (Allemagne), Septembre 2018, 1p. , N° 18188

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01803955

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Abstract

Laser Thermal Annealing (LTA) in conjunction with ion implantation has been demonstrated to be a very effective method to achieve heavily doped and localized regions needed in both advanced MOSFET and solar cells technology. In some cases, degradation of the electrical properties of the laser doped regions has been reported, including increased leakage current in p-n junctions, reduced carrier mobility and breakdown voltage shift in MOS transistors or reduced carrier lifetime in solar cells, which are attributed to laser-induced damage, including impurity penetration during anneal or point defect generation during melt recrystallization. In this work, we present a comprehensive investigation of laser induced damage by implementing a methodology allowing the identification and the localization of the defects as well as the investigation of their impact on the properties of the annealed regions.

144021
18227
20/08/2018

Pushing the limits of optical information storage using deep learning

P.WIECHA, A.LECESTRE, N.MALLET, G.LARRIEU

CEMES/CNRS, TEAM, MPN

Rapport LAAS N°18227, Août 2018, 10p.

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01850258

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Abstract

Diffraction drastically limits the bit density in optical data storage. To increase the storage density, alternative strategies involving supplementary recording dimensions and robust read-out schemes must be explored. Here, we propose to encode multiple bits of information in the geometry of subwavelength dielectric nanostructures. A crucial problem in high-density information storage concepts is the robustness of the information readout with respect to fabrication errors and experimental noise. Using a machine-learning based approach in which the scattering spectra are analyzed by an artificial neural network, we achieve quasi error free read-out of 4-bit sequences, encoded in top-down fabricated silicon nanostructures. The read-out speed can further be increased exploiting the RGB values of microscopy images, and the information density could be increased beyond current state of the art. Our work paves the way towards high-density optical information storage using planar silicon nanostructures, compatible with mass-production ready CMOS technology.

144261
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