A first principles investigation of device-to-device variability

In this thesis, we present first principles simulations to investigate the device-todevice variation induced by random discrete dopant (RDD) in Si nanoFET channels. Our simulations are from atomic first principles and parameter-free, by combining nonequilibrium Green's functions (NEGF) with the density functional theory (DFT). To deal with the problem of disorder scattering and configuration averaging, the coherent potential approximation (CPA) and nonequilibrium vertex correction (NVC) theory are employed. To calculate the variance of the conductance due to RDD, a local concentration approximation (LCA) on top and beyond the CPA-NVC theory is applied. Our first principles simulations provide not only the average conductance but also the variance of it. A systematic review of the quantum transport and electronic structure theory is made, including the physics, mathematics and simulation algorithms behind the NEGF-DFT, the CPA-NVC and finally the LCA methods. Our ab initio results show that for uniform doping of the Si nanoFET channel, the variation of the OFFstate leakage current decreases dramatically with increasing doping concentration or channel length; in localized doping, doping close to the channel center can have much smaller current variation than the corresponding uniform doping. Our ab inito results provide a vivid physical picture as why large device-to-device variation is expected in very small structures having small number of impurity atoms. The results also indicate that device-to-device variation induced by RDD in Si nanoFET channels can be suppressed by choosing an appropriate doping strategy. Our numerical data is organized by fitting to the WKB tunneling formula.Dans ce mémoire, nous présentons des simulations à partir des premiers principes pour l'étude des variations dispositif-à-dispositif induites par dopant ponctuel aléatoire (RDD) dans des canaux nanoFET en Si. Nos simulations sont à partir des premiers principes atomiques et libres de paramètre, en combinant les fonctions de Green hors équilibre (NEFG) avec la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT). Afin d'adresser le problème de la dispersion dûe au désordre et aux moyennes de configuration, l'approximation du potentiel cohérent (CPA) et la correction vertex hors équilibre (NVC) sont employées. Afin de calculer la variance de la conductance dûe au RDD, une approximation de la concentration locale (LCA) est appliquée par-dessus et au-delà de la théorie CPA-NVC. Nos simulations à partir des premiers principes fournissent non seulement la conductance moyenne mais aussi sa variance. Une revue systématique de la théorie du transport quantique et de la structure électronique est faite, incluant la physique, les mathématiques et les algorithmes de simulation derrière les méthodes NEFG-DFT, CPA-NVC et finallement LCA. Nos résultats ab initio montrent que pour un dopage uniforme du canal nanoFET en Si, la variation du courant de fuite à l'état OFF diminue de manière dramatique avec l'augmentation de la concentration de dopage ou de la longueur du canal ; dans le cas de dopage localisé, un dopage proche du centre du canal peut avoir une variation du courant plus petite qu'un dopage uniforme. Nos résultats ab inito fournissent une image physique claire de la raison pour laquelle une large variation dispositif-àdispositif peut être attendue dans des structures très petites comportant un petit nombre d'impuretés. Les résultats indiquent aussi que la variation dispositif-à-dispositif induite par RDD dans les canaux nanOFET en Si peut être supprimée en choisissant une stratégie de dopage approprié. Nos données numériques sont organisées par ajustement à la formule d'effet tunnel WKB