Phénomènes quantiques et décohérence dans les nano-dispositifs semiconducteurs : étude par une approche Wigner Monte Carlo

Quantum phenomena and decoherence in semiconductor nano-devices : a Wigner Monte Carlo study

• Auteur / Autrice : Damien Querlioz
• Direction : Philippe Dollfus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• 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

Green, Fonctions de

Graphène

Mots clés libres

Décohérence

Fonction de Wigner

Nano-dispositifs

Transport quantique

Résumé

Ce travail de thèse étudie les phénomènes quantiques qui apparaissent dans les dispositifs électroniques aux dimensions nanométriques. A cet effet des simulations fondées sur une résolution Monte Carlo de l'équation de Wigner-Boltzmann sont mises en œuvre. Après des rappels de base, cette équation qui permet de modéliser les effets de collisions dans le transport quantique est démontrée. La nouvelle technique Wigner Monte Carlo pour la résoudre est introduite, et est mise en œuvre pour simuler des diodes tunnel résonantes (RTD). Les résultats sont cohérents avec des calculs basés sur les fonctions de Green, et avec des réalisations expérimentales simples. La théorie de la décohérence est ensuite utilisée pour analyser les résultats, et comprendre l'émergence de comportements semi-classiques dans les nano-dispositifs. La décohérence induite par les phonons est comparée au modèle du mouvement brownien quantique. La transition entre les régimes résonants et séquentiels à travers un niveau quasi-lié est analysée. Dans une RTD, la transition d’une région active quantique à des accès semi-classiques est observée. Les phénomènes quantiques dans les MOSFET les plus courts fabriqués aujourd'hui sont ensuite étudiés. Il apparaît un régime hybride, où aussi bien le transport quantique que les collisions jouent un rôle important. Les effets de dégénérescence et la décohérence subie par les électrons sont étudiés. Des comparaisons à des résultats expérimentaux sont proposées. Finalement, deux études portant sur des nanostructures envisagées pour les dispositifs électroniques du futur (les nanotubes de carbone et les nanorubans de graphène) sont proposées.

This work studies the quantum phenomena that appear in nanometer-scaled electron devices. To this aim, Monte Carlo type simulations based on the Wigner-Boltzmann equations are performed. After a presentation of general theory, this equation which allows including collision effects in a quantum transport simulation is proved. The new Wigner Monte Carlo approach to solving it is introduced, and is employed to simulate resonant tunneling diodes (RTD). The results are consistent with Green's functions based calculations and simple experiments. The theory of decoherence is then applied to interpret the results and understand the emergence of semi-classical behavior in nanodevices. Phonon-induced decoherence is compared to the quantum Brownian motion model. The transition between resonant and sequential transport through a quasi-bound state is analyzed. In a RTD, the transition from a quantum active region to semi-classical access regions is observed. Quantum phenomena in the shor test MOSFETs demonstrated in research labs are then studied. A hybrid regime is evidenced, where both quantum transport and collisions play a significant role. Degeneracy effects and decoherence experienced by electrons in MOSFETs are studied. Comparisons with experimental results are then performed. Finally, two studies concerning nanostructures considered for electron devices of the future (carbon nanotubes and graphene nanoribbons) are proposed.