Modélisation et simulation des composants MOSFETs à matériaux de canal alternatifs

Modeling and Simulation of Alternative Channel Material MOSFETs

• Auteur / Autrice : Tapas Dutta
• Direction : Georges Pananakakis, Quentin Rafhay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 16/01/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Autran, Fabien Prégaldiny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Nanoélectronique

Mots clés libres

Semiconducteur III-V

MOSFET

Modélisation et simulation

Effet de canaux court

Effets quantiques

III-V semiconductors

MOSFET

Modeling and simulation

Short channel effects

Quantum effects

Résumé

Les technologies CMOS à base de silicium approchants les limites fondamentales de la miniaturisation, de nouvelles options sont nécessaires pour continuer la feuille de route de l'industrie de semi-conducteurs. Les matériaux III-V et le germanium sont actuellement très étudiés à ces fins, pour remplacer le silicium en tant que matériau canal des transistors MOSFETs. Bien que les propriétés de transports de charges de ces matériaux soient très fortes dans les substrats massifs, les performances des composants à base de III-V présentent actuellement de fortes dégradations par rapport à ce qui pourrait être attendus.En conséquence, il est nécessaire d'évaluer théoriquement l'impact du changement de matériau de canal sur les performances de ces dispositifs. Dans ce travail, les problèmes de modélisation des effets de canaux cours des composants MOSFET à base de III-V ont d'abord été étudiés. Un nouveau modèle analytique du potentiel électrique dans le canal du MOSFET est proposé et démontré afin de corriger des erreurs dues aux mauvaises conditions limites. Les rôles des effets quantiques de confinement, des paramètres des matériaux ainsi que le rôle de l'architecture des MOSFET III-V sur les effets de canaux courts sont ensuite examinés. L'impact de l'effet tunnel dans la direction source-drain est également analysé dans la dernière partie cette thèse.

As silicon CMOS technology is approaching fundamental scaling roadblocks, alternative channel materials like Ge and III-V based devices have attracted a lot of attention and have been the subject of active research during the last 10 years. While these new materials have very promising transport properties, studies have shown that they have worse short channel performance than the Si counterparts. Hence there is a strong need to evaluate the impact of change in the channel material on the device performance in terms of the short channel effects. In this work, first some issues with conventional modeling of double gate MOSFETs are dealt with. A new analytical model of the built-in potential is proposed and shown to correct the errors due to wrong boundary conditions. The roles of quantum confinement effects, material parameters and architecture of nanoscale III-V MOSFETs on the electrostatic integrity in terms of SCEs are thoroughly examined. A modified parameter to capture the drain induced barrier lowering is used to predict the performance degradation in the post-threshold region of the MOSFETs. Impact of the source to drain tunneling on the subthreshold behavior and hence the scalability of III-V devices is also analyzed in this thesis.