Electrical characterization of advanced field-effect transistors : junctionless transistors, carbon nanotubes, and tin dioxide nanowires

Les matériaux de faible dimensionnalité, tels que les nanotubes de carbone, le graphène, les nanofils de semi-conducteurs ou d'oxydes métalliques, présentent des propriétés intéressantes telles qu'un rapport surface/ volume important, des mobilités électroniques élevées, des propriétés thermiques et électriques particulières, avec la possibilité de constituer une alternatives à certaines fonctions CMOS ou d'intégrer de nouvelles fonctions comme la récupération d'énergie ou des capteurs. Pour la bio-détection, les nanofils permettent par exemple d'obtenir une grande sensibilité à la présence de biomolécules cibles grâce à la modification de charge qui accompagne leur hybridation sur des biomolécules sondes greffées à la surface du nanofil et au fort couplage électrostatique de cette charge de surface avec le cœur du nanofil. La fabrication de ce type de structure suit différentes voies: une voie dite "top-down" qui est utilisée par la production microélectronique de masse et qui permet un excellent contrôle technologique grâce à l'utilisation d'équipements, notamment de lithographie, extrêmement performants; une seconde voie moins coûteuse mais moins contrôlée dite "bottom-up" dont un exemple répandu est la réalisation de réseaux aléatoires, obtenus par dispersion de nanostructures réalisées directement sous forme 1D par croissance et en général relativement dopés de façon non nécessairement contrôlée. Dans les deux cas, le mécanisme de base est le contrôle électrostatique du canal par effet de champ d'un ensemble (organisé ou non) de nanostructures. Dans cette thèse, trois types de transistors différents sont explorées ; des transistors à nanofils SnO2, des réseaux aléatoires de nanotubes de carbone, des transistors à nanofil à canal uniformément dopé, dits "junctionless transistors" ou JLTs). Par rapport à la configuration classique d'un transistor MOS à inversion, le contrôle demande en général à être reconsidéré pour tenir compte des spécificités de ce type de structures: topologie du canal, isolants non standards (résines), effets de percolation dans les réseaux désordonné, contrôle électrostatique dans les nanofils fortement dopés, rôle crucial des états d'interface. Le travail s'appuie sur (i) une caractérisation approfondie de ces composants en statique (contrôle du courant), en petit signal (contrôle de la charge) et en bruit (pièges et états d'interfaces), (ii) une analyse critique des méthodologies d'extraction de paramètres et des modèles utilisés pour analyser ce fonctionnement avec dans certains cas l'appui de simulations et (iii) le développement, lorsque cela s'avère nécessaire, de nouvelles méthodologies d'extraction.In this dissertation, the electrical characterization of heavily-doped junctionless transistors (JLTs) and individual tin-oxide (SnO2) nanowire field-effect transistors (FETs) and single-walled carbon nanotube (SWCNT) random network thin film transistors (RN-TFTs) are presented in terms of I-V, C-V, low frequency noise (LFN), and low temperature measurement including a numerical simulation, respectively. As a potential emerging candidate for more than Moore, recently developed heavily doped JLTs were studied in low-temperature (77K ~ 350K) with double gate mode to have physical insights of carrier scattering mechanism with account for both the position of flat-band voltage and doping concentration, respectively. Besides, as a nano-scaled bottom-up device, polymethyl methacrylate passivated individual SnO2 nanowire FET was discussed. A large contribution of channel access resistance to carrier mobility and LFN behavior was found as same as in nano-structure devices. Furthermore, various electrical characteristics of percolation dominant N-type SWCNT RN-TFTs were demonstrated by taking into account for I-V, C-V, LFN and a numerical percolation simulation