Étude de l’effet de champ et du transport dans des réseaux aléatoires percolants de nanofils de silicium

Study of field effect and transport in random percolating networks of silicon nanowires

• Auteur / Autrice : Thibauld Cazimajou
• Direction : Mireille Mouis, Gérard Ghibaudo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Bano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristell Maneux, Stéphane Monfray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Dubois, Philippe Dollfus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Couches minces

Transistors à effet de champ

Nanofils

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Caractérisation électrique

Simulation Monte-Carlo

Transistor à nanonet

Bruit basse fréquence

Température

Jonctions

Electrical characterization

Monte-Carlo simulation

Nanonet transistor

Low frequency noise

Temperature

Junctions

Résumé

Les réseaux aléatoires de nanofils, parfois appelés nanonets, pourraient être des candidats prometteurs pour l’intégration 3D de biocapteurs sur CMOS. Dans cette thèse nous présentons les résultats de caractérisations et de simulations de transistors à effet de champ à base de nanonets de silicium (Si NN-FET). Nous montrons que les résultats de mesure ne peuvent pas s’interpréter sans prendre en compte les dispersions au sein du nanonet.Les caractéristiques électriques statiques des Si NN-FET ont été mesurées en fonction des paramètres géométriques (dimension du canal et densité de nanofils) sur un grand nombre de composants de façon à disposer de grandeurs statistiquement significatives pour les paramètres électriques principaux (mobilité apparente à bas champ, facteur d’idéalité de la pente sous le seuil et tension de seuil) qui sont extraits grâce à un modèle compact. Nous évaluons en parallèle les variations théoriques de ces mêmes paramètres en utilisant la théorie de la percolation et des simulations Monte Carlo. Par rapport aux approches généralement utilisées dans la littérature pour des réseaux percolants, l’originalité de nos simulations est de prendre en compte l’effet de champ ainsi que les dispersions. Les dispersions en tension de seuil se sont avérées essentielles pour comprendre la dépendance expérimentale des caractéristiques électriques avec les caractéristiques du réseau. L’analyse du bruit basse fréquence des Si NN-FET permet l’estimation de la variation de l’aire électrique du nanonet avec la densité. L’étude de la variation en température des caractéristiques électriques des Si NN-FET met en évidence l’activation en température des jonctions entre nanofils. La relation inattendue de la mobilité avec la température fait soupçonner une dispersion de la hauteur de barrière des jonctions, hypothèse validée par les simulations Monte Carlo.

Random networks of nanowires, sometimes called nanonets, could be promising candidates for the 3D integration of CMOS biosensors. In this thesis we present characterization and simulation results of field effect transistors based on silicon nanonets (Si NN-FET). We show that measurements cannot be understood without account for dispersions within the nanonet.The static electrical characteristics of these Si NN-FETs were measured for different geometric parameters (channel length and nanowire density) on a large number of devices, in order to obtain statistically significant orders of magnitude for the main electrical parameters (apparent low field mobility, subthreshold slope ideality factor and threshold voltage), which were extracted by means of a compact model. In parallel, the theoretical variations of these parameters were evaluated using percolation theory and Monte Carlo simulations. Compared to the usual approaches found in the literature for percolating networks, the originality of our simulations is to take into account both field-effect and dispersions. Threshold voltage dispersions proved to be essential to understand the experimental dependence of electrical parameters with network parameters. The analysis of Si NN-FET low frequency noise (LFN) made it possible to estimate the variation, with nanowire density, of the electrical area of the nanonet. From the temperature variation of Si NN-FET electrical parameters, it was found that inter-nanowire junctions were thermally activated. The unexpected variation of mobility with temperature suggests that junction barrier heights are widely dispersed, an assumption which was validated by the Monte Carlo simulations.