Elaboration et intégration de nanofils GeSn pour la réalisation de dispositifs nanoélectroniques basse consommation

par Thibault Haffner

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Bassem Salem, Gérard Ghibaudo et de Franck Bassani.

Le président du jury était Catherine Bru-Chevallier.

Les rapporteurs étaient Ludovic Desplanque, Laurent Pichon.


  • Résumé

    Depuis les années 60, le développement technologique est principalement porté par la miniaturisation des composants et suit la fameuse conjoncture de Moore. En effet, la miniaturisation apportait, au début, de nombreux avantages. Temps de commutation plus faible, systèmes plus compacts, tension d'alimentation plus faible, et donc, transistors consommant moins, etc. Seulement, cette approche a commencé à s'essouffler ces dernières années. En effet , les limites de la miniaturisation ont commencés à apparaitre et la puissance consommée globale des circuits a commencé à augmenter ce qui limite la réalisation des systèmes. Il devient alors nécessaire de développer des composants basse consommation, tels que les transistors à effet tunnel. Ces transistors ont, à ce jour, un défaut majeur qui est leurs courants à l'état passant, bien plus faible que les MOSFET. Ce courant dépend majoritairement de l'architecture du transistor ainsi que de la largeur de la bande interdite du matériau de l'électrode "source".Nous proposons dans cette thèse d'élaborer et d'étudier des nanofils et des hétérostructures à base de l'alliage germanium-étain. Le $Ge_{1-x}Sn_x$ est un alliage de la colonne IV qui possède un gap très faible, inférieur à 0,66 eV avec la particularité de passer d'un gap indirect à un gap direct à partir d'une concentration de 10% d'étain, ce qui est favorable aux transistors à effet tunnel. Les nanofils ont été élaborés par dépôt chimique en phase vapeur en utilisant le mécanisme vapeur-liquide-solide et des analyses physico-chimiques telles la spectroscopie à rayon X et la spectroscopie par nano-Auger ont été mises en œuvre pour les caractériser. Des hypothèses ont été émises afin de comprendre les mécanismes impliqués dans la croissance de nanofils GeSn et d'en maitriser au mieux l'élaboration. Des hétérostructures axiales qui serviront comme matériaux de base pour la réalisation de transistors à effet tunnel sont présentées et détaillées. Nous présentons par la suite l'étude de l'interface GeSn/diélectrique dans le but d'améliorer les performances des capacités MOS sur GeSn, et donc d'améliorer les dispositifs nanoélectroniques. Des traitements chimiques ont été appliqués sur la surface du GeSn, et des analyses XPS et pAR-XPS ont été menées afin de déterminer l'efficacité des traitements. Afin d'améliorer les performances des capacités MOS, nous avons déposé un empilement formée d'une couche interfaciale suivie d'un diélectrique à forte permittivité, tel que le $HfO_2$, dans le but d'obtenir une densité d'états d'interface la plus faible possible. Enfin, l'intégration et l'étude de transistors à effet tunnel à base d'hétérostructures sont présentées. Nous présentons dans un premiers temps les étapes de développement technologiques développées afin de réaliser les dispositifs nanoélectroniques. Les niveaux de dopage des hétérostructures ont été évalués par le biais de mesures de résistivités. Les performances des transistors à effet tunnel ont été évaluées à l'aide de mesures électriques et ont été confrontées à l'état de l'art actuel.

  • Titre traduit

    Elaboration and integration of GeSn nanowires for the realisation of low power nanoelectronic devices.


  • Résumé

    Since the 1960's, technological development has been mainly driven by the miniaturization of components and follows the famous Moore's law. Indeed, miniaturization brought many advantages at the start. Lower switching time, more compact systems, lower supply voltage, and therefore, transistors consuming less, etc. However, this approach has started to falter in recent years. Indeed, the limits of miniaturization began to appear and the overall power consumption of the circuits began to increase which limits the realization of the systems. It then becomes necessary to develop low-consumption components, such as tunnel effect transistors. These transistors have, to date, a major defect which is their currents in the on state, much weaker than the MOSFETs. This current depends mainly on the architecture of the transistor as well as on the gap width of the source material.In this thesis, we propose to develop and study nanowires and heterostructures based on the germanium-tin alloy. The $ Ge_{1-x}Sn_x $ is an alloy of column IV which has a very small gap, less than 0.66 eV with the particularity of passing from an indirect gap to a direct gap from a concentration 10% of tin, which is favorable to tunnel effect transistors. Nanowires were developed by chemical vapor deposition using the vapor-liquid-solid mechanism and physicochemical analyzes such as X-ray spectroscopy and nano-Auger spectroscopy were used to characterize them. Hypotheses have been put forward in order to understand the mechanisms involved in the growth of GeSn nanowires and to better control their development. Axial heterostructures which will serve as basic materials for the realization of tunnel effect transistors are presented and detailed. We then present the study of the GeSn/dielectric interface in order to improve the performance of MOS capacities on GeSn, and therefore, to improve nanoelectronic devices. Chemical treatments were applied to the GeSn surface, and XPS and pAR-XPS analyzes were conducted to determine the effectiveness of the treatments. In order to improve the performance of the MOS capacities, we deposited a stack formed of an interfacial layer followed by a dielectric with high permittivity, such as $ HfO_2$, in order to obtain a low interface trap density. Finally, the integration and study of tunnel effect transistors based on heterostructures are presented. We first present the technological development stages developed in order to produce nanoelectronic devices. The doping levels of the heterostructures were evaluated by means of resistivity measurements. The performances of tunnel effect transistors were evaluated using electrical measurements and were compared with the current state of the art.


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