Modélisation compacte des transistors FDSOI a des températures cryogéniques

Compact modeling of FDSOI transistors at cryogenic temperatures

• Auteur / Autrice : Mohamed Aouad
• Direction : Gérard Ghibaudo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Galy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian C. Enz, Francis Calmon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transistors de puissance

Basses températures

FD-SOI (transistors)

Mots clés libres

Modélisation compacte

Fdsoi

Cryogénique

Compact modeling

Cryogenic

Fdsoi

Résumé

Des modèles compacts décrivant le fonctionnement des dispositifs MOS à des températures cryogéniques sont cruciaux pour la conception de circuits fiables et optimisés. De nos jours, les kits de conception de processus manquent de modèles pour tous les appareils à des températures cryogéniques profondes, qu'il s'agisse d'un MOSFET, d'un qubit ou d'un appareil passif. La tâche de construire des modèles compacts pour le fonctionnement cryogénique doit être abordée de toute urgence, principalement parce que les simulations de circuits actuelles ne fonctionnent pas comme prévu jusqu'aux températures cryogéniques. Par conséquent, des simulations excessives sont nécessaires pour tenir compte des changements de différents paramètres.Il existe deux approches pour faire face à cette tâche, la première consiste à prendre des modèles compacts standard existants, qui sont à l'origine construits pour un fonctionnement à température ambiante et à essayer de les adapter au fonctionnement à température cryogénique grâce à des formules empiriques. Il convient de noter que pour cette approche, les performances des circuits ne sont pas garanties et qu'ils sont conçus avec un degré d'incertitude non négligeable. La deuxième approche, qui est une approche de recherche et celle que nous avons choisie dans le cadre de cette thèse, consiste à construire des modèles compacts entièrement basés sur la physique et dédiés au fonctionnement des dispositifs cryogéniques. Par rapport à la première approche, cette approche devrait être moins risquée et la sortie au niveau de la conception est beaucoup plus appropriée et précise.Les modèles compacts standard actuels peuvent être réduits à une température d'azote liquide de 77 K, mais à une température d'hélium liquide de 4,2 K et moins, certaines discontinuités commencent à apparaître dans la région d'inversion modérée. De plus, aucun des travaux publiés sur l'opération cryogénique FDSOI ne démontre de manière approfondie les caractéristiques électrostatiques des transistors, c'est-à-dire les potentiels électrostatiques de surface pour les deux interfaces, et les courbes C - V. De même, les statistiques de Fermi-Dirac doivent être considérées dans la partie transport dans la dérivation du courant de drain et pas seulement dans la partie électrostatique. De plus, la plupart des travaux publiés maintiennent les lois de mobilité RT et les adaptent au comportement cryogénique en modifiant/ajoutant des paramètres d'ajustement ou en considérant une mobilité constante dans le régime linéaire, mais aucun n'envisage d'introduire une loi de mobilité propre dédiée aux MOSFET fonctionnant à des températures cryogéniques.Par ailleurs, les simulations numériques sont une étape importante qui doit précéder le développement d'un modèle analytique et qui servira de base solide pour la validation de ses résultats/approximations. Aucune simulation numérique n'a été réalisée dans de telles conditions, que ce soit la simulation de l'électrostatique à l'équilibre, ou le transport électronique hors d'équilibre. L'utilisation de telles simulations est très importante et nécessaire pour le développement de modèles compacts. Dans le cadre de ce travail, des simulations de Poisson-Schrödinger de la structure FDSOI à des températures cryogéniques et tenant compte des statistiques de Fermi-Dirac ont été organisées pour exploiter et comprendre l'électrostatique du dispositif principalement, puis les simulations ont eu lieu avec l'introduction d'un quasi-Fermi terme de niveau pour analyser l'aspect transport de l'appareil.La portée de cette thèse est donc d'exploiter la physique du dispositif des transistors FDSOI jusqu'à des températures cryogéniques profondes et de développer un modèle compact de cœur approprié. Un tel travail constituerait la base d'un modèle compact adapté aux simulations Spice.

Compact models describing the operation of MOS devices at cryogenic temperatures are crucial for the designing of reliable and optimized circuits. Nowadays, process-design kits lack models for all devices at deep cryogenic temperatures, whether it is a MOSFET, a qubit, or a passive device. The task of building compact models for cryogenic operation needs to be tackled urgently, mainly because today’s circuit simulations fail to function as expected down to cryogenic temperatures. Consequently, excessive simulations are needed to be done to account for the changes in different parameters.There are two approaches to deal with this task, the first one is to take existing standard compact models, which are originally built for room temperature operation and try to adapt them to cryogenic temperature operation through empirical formulas. It should be noted that for this approach the circuit performance is not guaranteed, and they are designed with a non-negligible degree of uncertainty. The second approach, which is a research approach and the one we choose in the frame of this thesis, is to build fully-physics based compact models that are dedicated for cryogenic device operation. Compared to the first approach, this approach should be less risky and the output design-wise is much more appropriate and precise.Current standard compact models can scale down to liquid Nitrogen temperature 77K, but at liquid Helium temperature 4.2K and below some discontinuities start appearing in the moderate inversion region. Moreover, neither of the FDSOI cryogenic operation published works demonstrate in an extensive manner the transistor electrostatics characteristics that is to say the electrostatic surface potentials for both interfaces, and the C – V curves. Likewise, the Fermi-Dirac statistics need to be considered in the transport part in the drain current derivation and not only in the electrostatics part. Furthermore, most of the published works maintain the RT mobility laws and adapt them to cryogenic behavior by modifying/adding fitting parameters or considering a constant mobility in the linear regime, but none considers introducing a proper mobility law dedicated for MOSFETs operating at cryogenic temperatures.Besides, Numerical simulations are an important step that must precede the development of an analytical model and that will serve as a solid ground for the validation of its results/approximations. No numerical simulation has been held in such conditions, whether the simulation of the electrostatics at equilibrium, or electronic transport out of equilibrium. The use of such simulations is very important and necessary for the development of compact models. In the frame of this work, Poisson-Schrodinger simulations of the FDSOI structure at cryogenic temperatures and accounting for Fermi-Dirac statistics were held to exploit and understand the device’s electrostatics primarily, and then the simulations were held with the introduction of a quasi-Fermi level term to analyze the transport aspect of the device.The scope of this thesis therefore, is to exploit the device’s physics of FDSOI transistors down to deep cryogenic temperatures and to develop an appropriate core compact model. Such work would be the foundation into a compact model that is suitable for spice simulations.