Theoretical sStudy of In-plane Heterojunctions of Transition-metal Dichalcogenides and their Applications for Low-power Transistors

par Jean Choukroun

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Philippe Dollfus et de Marco Pala.

Le président du jury était Frédéric Aniel.

Le jury était composé de Philippe Dollfus, Marco Pala, Frédéric Aniel, Yann Michel Niquet, Raphaël Clerc, Bernard Plaçais.

Les rapporteurs étaient Yann Michel Niquet, Raphaël Clerc.

  • Titre traduit

    Etude théorique des hétérojonctions planaires de dichalcogénures de métaux de transition et de leurs applications pour des transistors à basse consommation


  • Résumé

    La miniaturisation des MOSFET a permis une forte diminution des transistors et des puces, ainsi qu’une augmentation exponentielle des capacités de calcul. Cette miniaturisation ne peut néanmoins continuer ainsi: de nos jours, un microprocesseur peut contenir des dizaines de milliards de transistors et la chaleur dégagée par ces composants peut fortement détériorer ses performances. De plus, du fait de leur principe même de fonctionnement, la tension d’alimentation des MOSFET ne peut être réduite sans en impacter les performances. De nouvelles architectures telles que le TFET -basé sur l’effet tunnel bande-à-bande et pouvant fonctionner à des tensions d’alimentation très basses- ainsi que de nouveaux matériaux pourraient donc apporter une alternative au MOSFET silicium. Les monocouches de dichalcogènures de métaux de transitions (TMDs) -des semiconducteurs à bande interdite directe d’environ 1 à 2 eV- possèdent un fort potentiel pour l’électronique et la photonique. De plus, dans le cas de contraintes appropriées, ils peuvent conduire un alignement de bandes présentant un broken-gap; cette configuration permet de surpasser les limites habituelles du TFETs, à savoir de faibles courants dus à l’effet tunnel sur lequel ces dispositifs reposent. Dans ce travail de thèse, des hétérojonctions planaires de TMD sont modélisées via une approche atomistique de liaisons fortes, et une configuration broken-gap est observée dans deux d’entre elles (MoTe2/MoS2 et WTe2/MoS2). Leur potentiel dans le cadre de transistors à effet tunnel (TFETs) est évalué au moyen de simulations de transport quantique basées sur un modèle TB atomistique ainsi que la théorie des fonctions de Green hors-équilibre. Des TFETs type-p et type-n basés sur ces hétérojonctions sont simulés et présentent des courants ON élevés (ION > 103 µA/µm) ainsi que des pentes sous-seuil extrêmement raides (SS < 5 mV/dec) à des tensions d’alimentation très faibles (VDD = 0.3 V). Plusieurs architectures novatrices basées sur ces TFETs et découlant de la nature 2D des matériaux utilisés sont également présentées, et permettent d’atteindre des performances encore plus élevées.


  • Résumé

    Nowadays, microprocessors can contain tens of billions of transistors and as a result, heat dissipation and its impact on device performance has increasingly become a hindrance to further scaling. Due to their working mechanism, the power supply of MOSFETs cannot be reduced without deteriorating overall performance, and Si-MOSFETs scaling therefore seems to be reaching its end. New architectures such as the TFET, which can perform at low supply voltages thanks to its reliance on band-to-band tunneling, and new materials could solve this issue. Transition metal dichalcogenide monolayers (TMDs) are 2D semiconductors with direct band gaps ranging from 1 to 2 eV, and therefore hold potential in electronics and photonics. Moreover, when under appropriate strains, their band alignment can result in broken-gap configurations which can circumvent the traditionally low currents observed in TFETs due to the tunneling mechanism they rely upon. In this work, in-plane TMD heterojunctions are investigated using an atomistic tight-binding approach, two of which lead to a broken-gap configuration (MoTe2/MoS2 and WTe2/MoS2). The potential of these heterojunctions for use in tunnel field-effect transistors (TFETs) is evaluated via quantum transport computations based on an atomistic tight-binding model and the non-equilibrium Green’s function theory. Both p-type and n-type TFETs based on these in-plane TMD heterojunctions are shownto yield high ON currents (ION > 103 µA/µm) and extremely low subthreshold swings (SS < 5 mV/dec) at low supply voltages (VDD = 0.3 V). Innovative device architectures allowed by the 2D nature of these materials are also proposed, and shown to enhance performance even further.


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