Etude du transport électronique dans un nanofil de silicium

Study of electronic transport in silicon nanowire

• Auteur / Autrice : Emmanuelle Sarrazin
• Direction : Arnaud Bournel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Électronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phonons

Silicium

Nanofils

Résumé

Les nanofils semi-conducteurs sont devenus en quelques années un intense sujet de recherche. Ces structures uni-dimensionnelles sont considérées comme des briques élémentaires pour les nanodispositifs en raison de leurs intéressantes propriétés électroniques, optiques et thermiques. La connaissance des propriétés de transport est essentielle pour déterminer les performances de ces futurs dispositifs à base de nanofils. Ce travail de thèse a pour objectif de modéliser la mobilité des électrons dans un nanofil de silicium. Il s’articule autour de trois points : la structure de bandes, les mécanismes d’interaction et le transport des porteurs. La structure électronique est tout d’abord calculée à partir de la résolution auto-cohérente des équations de Poisson et de Schrödinger. L’approximation de la masse effective a été utilisée et comparée à la méthode des liaisons fortes afin de discuter de sa validité. Puis, les interactions avec les phonons et la rugosité de surface sont décrites à l’aide de la règle d’or de Fermi. Enfin, la vitesse moyenne des électrons et leur mobilité sont calculées à partir de simulations particulaires de type Monte-Carlo permettant de résoudre l’équation de transport de Boltzmann. Cette approche permet de comprendre l’influence du confinement des électrons et des phonons sur les propriétés de transport et d’évaluer l’effet de l’interaction électron-phonon et de la rugosité de surface sur la mobilité. L’étude de l’influence de la section et de la tension de grille montre une réduction de la mobilité avec la diminution de la section et/ou avec l’augmentation de la tension de grille quels que soient les interactions prises en compte.

Semiconductor nanowires have become in few years a subject of intense interest. These one-dimensional structures are considered as potential building blocks for nanoscale devices due to their promising electronic, optical and thermal properties, which differ from bulk properties. The knowledge of electron transport properties is essential to determine the performance of devices based on nanowires. This work aims to model the mobility of electrons in silicon nanowire. It is based on three points: electronic structure, scattering mechanisms and transport. A self-consistent Poisson-Schrödinger solver provides the band structure. The comparison between tight-binding method and effective mass approximation allows to discuss on the validity of effective mass approximation for thin nanowires. Then, scattering rates due to phonon scattering and surface roughness scattering are described using Fermi’s golden rule. Finally, both electron velocity and low-field electron mobility are computed with an ensemble Monte-Carlo method, which solves the Boltzmann transport equation. This approach leads to the understanding of the impact of electron and phonon confinement on transport properties and to evaluate the influence of scattering mechanisms on the mobility. The investigation of the impact of cross section size and gate bias shows a reduction of electron mobility with the decrease of cross section size and/or with the increase of gate bias whatever the scattering mechanisms taken into account.