Transport mono-électronique et détection de dopants uniques dans des transistors silicium

Single electron transport and single dopant detection in silicon transistors

• Auteur / Autrice : Mathieu Pierre
• Direction : Marc Sanquer, Xavier Jehl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de transport électronique quantique et supraconductivité (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent-Patrick Lévy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jong Jin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Delerue, Patrice Roche

Mots clés

Mots clés libres

Silicium

Transistor MOS

Transistor mono-électronique

Blocage de Coulomb

Dopant

Donneur unique

énergie d'ionisation

Confinement diélectrique

îlots couplés

Pompe à électrons

Transport séquentiel

Effet tunnel résonant

Silicon

Mosfet

Single-electron transistor (SET)

Coulomb blockade

Single donor

Ionization energy

Dielectric confinement

Coupled dots

Electron pump

Sequential tunnelling

Resonant tunnelling

Résumé

Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique

We present low temperature electronic transport measurements in silicon-on-insulator nano-MOSFETs. Their electrical properties depend in particular on the junctions between the reservoirs and the transistor channel, determined during fabrication by the spacers deposited on both sides of the gate. The behaviour differences are emphasized at low temperature. In ultra-scaled transistors, with a typical gate length of 30 nm, dopants diffusion during activation annealing can result in a single dopant well coupled to the reservoirs located in the middle of the channel, below the gate. It is revealed at low temperature below the transistor threshold by resonant tunnelling through its energy levels. An estimation of its ionization energy gives an enhanced value as compared to the bulk value, attributed to the dielectric confinement of the donor. On the contrary, electrons can be confined in the transistor channel by high enough access resistances. Thus samples turn at low temperature into single electron transistors, with the island located below the gate. It is extended to coupled dots systems, by depositing several gates between source and drain. Their behaviour depends on the distance between gates and on spacers length. These systems are used to transfer a single electron