Simulation semi-empirique et ab-initio du transport quantique dans les composants nanométriques

Semi-empirical and ab-initio simulation of quantum transport in nanoscale devices

• Auteur / Autrice : Adel M'Foukh
• Direction : Marco Pala, Philippe Dollfus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 13/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Aniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Luisier, Fabienne Michelini, Demetrio Logoteta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Luisier, Fabienne Michelini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pseudopotentiels

Théorie de la fonctionnelle de densité

Transport quantique

Green, Fonctions de

Interactions électron-phonon

Circuits logiques transistor-transistor

Simulation quantique

Nanoélectronique

Hétérojonctions

Mots clés libres

Interaction électron-phonon

Fonctions de Green hors équilibre

Ondes planes

Transport quantique

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Pseudo-potentiels

Electron-phonon interaction

Non-equilibrium Green's functions

Plane waves

Quantum transport

Density functional theory

Pseudopotentials

Résumé

La diminution agressive de la taille des transistors menée par l'industrie microélectronique a atteint l'échelle nanométrique. Les performances des composants à cette échelle sont fortement impactées par des phénomènes quantiques (effet tunnel, confinement, interférence, ...) mais le contrôle électrostatique devient également plus délicat. Pour gagner en performance, il devient indispensable de prendre ces phénomènes en compte et d'explorer des alternatives au MOSFET à base de silicium qui est la référence actuelle. En support de cette tâche, il est important de mettre en place une approche théorique rigoureuse pour étudier les propriétés électroniques des matériaux et simuler les performances des composants. Dans cette thèse, nous proposons de développer un modèle du transport électronique basé sur le formalisme des fonctions de Green hors équilibre. La particularité de notre approche est l'utilisation de Hamiltoniens de type pseudopotentiels développés sur des ondes planes. Ces Hamiltoniens peuvent être de type soit semi-empirique soit ab-initio. Ils permettent d'obtenir une description atomistique du matériau et ainsi d'avoir une description précise à l'échelle microscopique. Dans un premier temps, nous développons le modèle des Hamiltoniens pseudopotentiels empiriques pour étudier des hétérostructures de matériaux III/V (InAs/GaSb) avec une interface non abrupte. Cette méthode a été appliquée à l'étude de composants basés sur l'effet tunnel, la diode Esaki et le tunnel FET. Les résultats montrent une dégradation du courant lorsque la région de transition est longue. Une comparaison avec une étude expérimentale a permis également de montrer la précision de nos simulations. Pour la suite, la thèse se concentre sur les Hamiltoniens obtenus à partir de calculs ab-initio. Nous avons commencé avec le développement d'un modèle pour étudier les Hamiltoniens des hétérostructures en étudiant deux approches ab-initio, une basée sur le Hamiltonien d'un des matériaux isolés et la deuxième basée sur le Hamiltonien d'une super cellule de l'hétérostructure. Les modèles ont été appliquées à deux composants, un MOSFET composé de monocouche et bicouche de PtSe₂ et un tunnel FET composé de monocouche PdSe₂ et de monocouche SnS₂. Cela a permis de montrer que l'étude de l'interface entre deux matériaux distincts requiert l'utilisation d'approches sophistiquées pour décrire le couplage entre les matériaux. Pour améliorer le modèle, nous avons ensuite inclus les interactions électron-phonon. Nous avons utilisé d'abord des potentiels de déformation, dérivés de calculs ab-initio, pour décrire les couplages avec les phonons sous l'approximation de Born auto-cohérente. Ce modèle a été appliqué à l'étude d'un tunnel FET fait avec l'hétérostructure d'une mono3 couche HfSe₂ et d'une monocouche SnS₂. Deux architectures différentes ont été étudiées, une avec un empilement vertical des matériaux 2D et l'autre avec une hétérostructure latérale. Les résultats montrent que les phonons jouent un rôle important sur les propriétés de transmission en générant une augmentation du courant via une transmission inter-vallée. Enfin, l'hétérostructure verticale ressort comme la candidate la plus prometteuse avec une pente sous le seuil de 40 mV/dec pour un courant à l'état ON de 580 mA/µm à VDD = 0.35 V. Finalement, une description plus rigoureuse du couplage électron-phonon pour le transport est proposée. Nous avons développé un modèle utilisant le calcul ab-initio des éléments de matrice électron-phonon et des fréquences des phonons. Ce modèle a été comparé à la littérature et à la méthode des potentiels de déformation par l'étude du monocouche MoS₂ avec des calculs de mobilité. Enfin, l'étude de dispositifs CMOS a été réalisée à partir de deux MOSFETs de type n (monocouche MoS₂) et de type p (monocouche WSe₂). Malgré les phonons, les composants satisfont les prédictions pour les prochaines générations de transistor.

The aggressive shrinking of transistor sizes by the microelectronics industry has reached the nanoscale. The performance of components at this scale is strongly impacted by quantum phenomena (tunneling, interference, etc.) but also the electrostatic control becomes more delicate. In order to improve the performance of components, it is essential to take these phenomena into account and to explore alternatives to the silicon-based MOSFET that is the current reference. This task can be supported by a rigorous theoretical approach for electronic material properties and thus simulate the performance of the devices. In this thesis, we propose to extend the state of the art in this field by developing an electronic transport model based on the non-equilibrium Green's function formalism. The particularity of our approach is the use of pseudopotential Hamiltonians based on plane waves obtained by either a semi-empirical or an ab-initio approach. This type of Hamiltonian allows us to obtain an atomistic description of the material and thus to have an accurate description at the microscopic scale. In a first part, we developed the empirical pseudopotential Hamiltonian model to study III/V material heterostructures (InAs/GaSb) with a non-abrupt interface. This method has been applied to the study of tunneling based devices, Esaki diode and tunnel FET. The results show a degradation of the current when the transition region is long. A comparison with an experimental study also showed the accuracy of our simulations. In the following parts of the thesis, the focus is on the Hamiltonians obtained from ab-initio calculations. We started with the development of a model to study the Hamiltonians of heterostructure by investigating two approaches, one based on the Hamiltonian of isolated material and the second based on the Hamiltonian of a supercell of the heterostructure. The models were applied to two components, a MOSFET composed of monolayer and bilayer PtSe₂ and a tunnel FET composed of monolayer PdSe₂ and monolayer SnS₂. This highlighted that the study of the interface between two distinct materials requires the use of sophisticated approaches to describe the coupling between the materials. To improve the model, we then included electron-phonon interactions in our simulations. We first used deformation potentials, fully derived from ab-initio calculations, to describe the coupling with phonons under the self-consistent Born approximation. This model has been applied to the study of a tunnel FET made with the heterostructure of a monolayer HfSe₂ and a monolayer SnS₂. Two different architectures were studied, one with a vertical stacking of the 2D materials and a lateral heterostructure. The results show that phonons play an important role for the 3 transmission properties by introducing an increase in current through inter-valley transmission. Finally, the vertical heterostructure emerges as the most promising candidate with a sub-threshold slope of 40 mV/dec for an ON state current of 580 mA/µm at VDD = 0.35 V. In the last part of the thesis, a more rigorous description of the electron-phonon coupling for transport was proposed. We have developed a model using ab-initio calculations of the electron-phonon matrix elements and phonon frequencies. This model was compared to the literature and to the deformation potential method by studying the monolayer MoS₂ with mobility calculations. Finally, the study of a CMOS was carried out using an n-type (with monolayer MoS₂) and a p-type (with monolayer WSe₂) MOSFET. Despite the phonon scattering, the devices satisfy the predictions for the next generation of transistors.