Full-band quantum transport simulation of advanced nanodevices

par Sylvan Brocard

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Marco Pala et de Gérard Ghibaudo.

Le président du jury était Francis Balestra.

Le jury était composé de Marco Pala, Gérard Ghibaudo.

Les rapporteurs étaient Giuseppe Iannaccone, Marc Bescond.

  • Titre traduit

    Simulation full-band du transport quantique dans les nanocomposants avancés


  • Résumé

    L'industrie du semiconducteur, dans son effort visant à réduire la taille des nanocomposants, éprouve le besoin de prédire les propriétés physiques des composants futures. Alors que la taille de tels composants se réduit, les modèles semi-classiques en vigueur perdent de leur validité, puisque des effets quantiques, qui sont d'ordinaire invisibles dans des dispositifs en silicium plus grands, prévalent dans des dispositifs plus petits ou à base de matériaux semiconducteurs III-V. Par conséquent, les outils de simulation et de modélisation devraient décrire adéquatement les options technologiques en faveur qui sont aujourd'hui étudiées. Par conséquent, des simulations quantiques sont nécessaires au développement de transistors à effet de champ modernes.Le but de cette thèse de doctorat est de développer les outils appropriés à ces simulations et les utiliser pour étudier certaines des options de conception les plus importantes dans la technologie du transistor.C'est pourquoi nous avons utilisé le formalisme des fonctions de Green hors équilibre pour simuler le transport des porteurs de charge and étudier les transistors à effet de champ.Les structures de bande des semiconducteurs ont été calculées dans le cadre du formalisme k.p, mais nous avons aussi développé une méthode par pseudopotentiel atomique effectif pour effectuer des simulations pleine bande avec une variété d'ingrédients comme une orientation cristalline arbitraire, de la rugosité de surface, une composition d'alliage arbitraire dans le canal du transistor, et ainsi de suite. Cette méthode par pseudopotentiel donne des résultats précis pour un large ensemble de configurations avec un effort de paramétrage inférieur au formalisme k.p.Nous avons utilisé ces outils de simulation pour évaluer les propriétés de transport de FinFETs à base de silicium et d'InAs, en nous concentrant sur l'adaptabilité de la tension d'alimentation de dispositifs à base de III-V comparés à leurs équivalents en silicium. En particulier, nous discutons de la faisabilité de l'obtention d'un fort courant on dans les dispositifs III-V.Ensuite, nous appliquons ce formalisme à des nanofils gate-all-around (GAA) tunnel-FETs (TFETs) à base de III-V. Les tunnel-FETs sont une architecture prometteuse pour les transistors futurs, qui rencontre des problématiques d'optimisation et de performance. Nous avons pour but de faire une évaluation de l'effet de boosters technologiques sur les performances des TFETs, en particulier l'utilisation de contraintes mécaniques, et d'une hétérojonction III-V. Nous avons montré que ces boosters permettent aux TFETs de surpasser en théorie la technologie MOSFET standard, mais que la contraint induit des effets indésirables.Pour concevoir des TFETs à haute performance sans l'utilisation de la contrainte, nous avons enfin introduit un choix de conception qui exploite une gradation de la fraction molaire d'un alliage ternaire, ou alternativement un puits quantique dans la source. Ces configurations augmentent de manière dramatique la densité d'états dans le TFET à la jonction source/canal et sont donc capable d'améliorer les performances électriques des TFETs par rapport aux MOSFET conventionnels.


  • Résumé

    The semiconductor industry, in its continued effort to scale down nanoscale components further, needs to predict the physical properties of future components. As the size of such devices shrinks down, the currently prevalent semi-classical models start to fall apart, as quantum effects that are usually invisible in larger silicon devices gain in relevance in smaller and/or III-V based semiconductor devices. Therefore, modeling and simulation tools should describe adequately the favorite technological options that are currently under investigation. Consequently, full quantum simulations are necessary to the development of modern field effect transistors.The purpose of this PhD thesis is to develop the tools suitable for those simulations and use them to look into some of the most relevant design options for transistor technology.Hence, we used the Non Equilibrium Green's Functions formalism to simulate charge carriers transport and investigate field effect transistors.The semiconductor band structures were calculated within a continuous kp formalism, but we also developed an atomistic effective pseudopotential method to perform full-band simulations with a variety of ingredients like arbitrary crystal orientation, surface roughness, arbitrary alloy composition in the transistor channel, and so on. This pseudopotential method provides accurate results for a wider array of configurations with a smaller parametrization effort than the k.p formalism.We used these simulation tools to evaluate the transport properties of silicon and InAs based FinFETs, focusing on the supply-voltage scalability of III-V based devices compared to silicon counterparts. In particular, the feasibility of obtaining large on-current values in III-V devices is discussed.Then, we applied that formalism to III-V based gate all-around (GAA) nanowire tunnel-FETs (TFETs). Tunnel-FETs are a promising architecture for future transistors, facing optimization and performance challenges. We aimed at benchmarking the effect of technological boosters on the performances of TFETs, namely the use of strain engineering and of III-V heterojunctions. We've shown that these boosters allow TFETs to theoretically outperform standard MOSFET technology, but that strain engineering induces undesirable drawbacks.In order to design high performance TFETs without the use of strain, we finally introduced novel design options by exploiting a molar fraction grading of a ternary alloy or alternatively a quantum well in the source region. These device configurations dramatically change the density of state of the TFET at the source/channel junction and are therefore able to improve the electrical performance of TFETs with respect to conventional MOSFETs.


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