Modélisation et simulation du transport quantique dans les transistors MOS nanométriques

Rapporteurs: Christophe DELERUE, IEMN-CNRS, Lille; Philippe DOLLFUS, IEF-CNRS, Orsay; Examinateurs: Asen ASENOV, Dev. Modelling Group, Univ. Glasgow; Martin STÄDELE, INFINEON, Münich; Michel LANNOO, L2MP-CNRS, Marseille (Directeur de thèse); Jean-Luc AUTRAN L2MP, Univ. Aix-Marseille I (Président du Jury); Invités: Jacques GAUTIER, CEA-LETI, Grenoble; Didier GOGUENHEIM, L2MP, ISEN-Toulon;The agressive downscaling of the transistors leads to nanoscale devices in which quantum effects are increasingly prevalent. This work models MOSFETs transistors and determines the influence of quantum effects on multiple-gate emerging architectures. We use the self-consistent non-equilibrium Green's function formalism expressed in the tight-binding theory. We first model a two-dimension double-gate MOSFET, in which source-drain axis is represented by an atomic chain. We study the magnitude of the tunneling current between source and drain according to the channel length and show that the transistor still has acceptable electrical characteristics down to a 7 nm channel length. We then develop a three-dimension model to describe the emerging MOSFET architectures i.e. Tri-gate, Pi-gate, Omega-gate, and Gate-all-around. A detailed study illustrates several concepts of the theory of Landauer transport (quantum of conductance, resistance of the reservoirs) and compares the electrical performances associated to each gate configuration. We discuss the influence of electrostatic control according to the channel length and dimensions of the cross-section. Lastly, we propose a model able to treat point defects in such components and investigate the impact of their type and their position.La réduction constante de la taille des transistors conduit aujourd'hui à des dispositifs nano-métriques dans lesquels les effets quantiques sont de plus en plus prédominants. Ce travail modélise des transistors MOSFET ultimes et détermine l'impact des effets quantiques dans les architectures multi-grilles émergeantes. Nous utilisons le formalisme auto-cohérent des fonctions de Green hors-équilibre exprimé dans la théorie des liaisons fortes. Nous simulons tout d'abord un transistor double-grille 2D confiné, dans lequel l'axe source-drain est représenté par une chaîne atomique. Nous étudions l'amplitude du courant tunnel source-drain en fonction de la longueur de grille et montrons que les transistors conservent des caractéristiques électriques acceptables jusqu'à une longueur de grille de 7 nm. Nous développons ensuite un modèle 3D pour décrire les architectures à nanofil de silicium (Tri-gate, Pi-gate, Omega-gate, Gate-all-around). Une étude détaillée illustre plusieurs concepts de la théorie de transport de Landauer (quantum de conductance, résistance des réservoirs) et compare les performances électriques de chaque configuration de grille. Nous discutons l'influence du contrôle électrostatique en fonction de la longueur de grille et des dimensions de la section transverse. Enfin, nous proposons un modèle capable de traiter la présence de défauts ponctuels dans de tels composants 3D et analysons l'impact de leur type et de leur position