Modélisation du transport classique et quantique dans les transistors à nanotube de carbone

Modelling of classical and quantum transport in carbon nanotube transistors

• Auteur / Autrice : Huu Nha Nguyen
• Direction : Sylvie Retailleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes à barrière de Schottky

Nanoparticules

Monte-Carlo, Méthode de

Résumé

Un point commun de nombreux MOSFET à NTC (CNTFET) est la présence d’une barrière Schottky à l’interface nanotube-métal des contacts de source et de drain. Aussi, dans ce travail de thèse, j’ai développé un modèle pour tenir compte des contacts Schottky dans l’étude de CNTFET par simulation semi-classique de type Monte Carlo. Les performances statiques et dynamiques sont analysées en fonction des paramètres matériaux et géométriques de la structure comme la hauteur de la barrière Schottky à l’interface métal-nanotube, la longueur de la grille, l’épaisseur de l’oxyde de grille et le diamètre du nanotube. De plus, des comparaisons sont faites avec des dispositifs à contacts ohmiques. On présente ensuite une analyse détaillée du transport dans le canal des transistors à nanotube de carbone à contacts ohmiques. Dans un premier temps, une forte balisticité est mise en exergue à partir de simulations classiques du transport ce qui nous conduit tout naturellement à étudier l’influence du transport quantique par le formalisme Monte Carlo Wigner sur le comportement microscopique et macroscopique du transistor. Les comparaisons des résultats microscopiques issus des formalismes de Boltzmann et de Wigner mettent en évidence l’existence dans le CNTFET de phénomènes de cohérence très marqués. Cependant, on constate curieusement au niveau macroscopique que la différence entre les courants de Wigner et de Boltzmann est d’autant plus faible que la longueur de grille diminue. En effet, plus la longueur de grille diminue, plus l’effet tunnel source-drain compense en partie les réflexions quantiques en fin de canal qui dépendent peu de la longueur de grille. De ce fait, les courants classique et quantique deviennent très proches.

The development of new electronic devices from carbon-based nano materials (graphene, nanoribbons, nanotubes) opens attractive perspectives. Most of the devices, mainly field effect transistors (MOSFETs), are based on classical structures where the channel consists of a unidimensional carbon nanotube which has much higher transport properties than silicon. A common feature of many carbon nanotube MOSFETs (CNTFETs) is the existence of a Schottky barrier at the nanotube-metal interface of source and drain contacts. So, in the thesis, I have developed a model to take into account Schottky contacts in semiclassical Monte Carlo simulation of CNTFETs. The static and dynamic performances are analysed as a function of material parameters and structure geometries such as Schottky barrier height at metal-nanotube interface, gate length, gate oxide thickness, and nanotube diameter. Moreover, we compare the performances with those of ohmic contact devices. We present then a detailed analysis of transport in the channel of ohmic contact carbon nanotube transistors. Firstly, a strong ballisticity is obtained from classical simulation. It leads naturally to study the influence of quantum transport on microscopic and macroscopic transistor behaviours by the Wigner Monte Carlo formalism. Comparisons between microscopic results from Boltzmann formalism and Wigner formalism show the existence of coherent phenomena in CNTFETs. Meanwhile we notice that at macroscopic scale the difference between Wigner and Boltzmann currents is weaker when the gate length decreases. In fact, for smaller gate length, the source-drain tunnelling effect partly compensates quantum reflection at the end of the channel while the latter depends weakly on the gate length. That is the reason why the classical and quantum currents become quite similar.