With the development of fuel cell based power systems, the need for more advanced DC-DC power converters has become apparent. In such applications DC-DC converters provide an important link between low voltage fuel cell sources and inverter buses operating at significantly higher voltages. Advancements in converter efficiency, cost reduction, and size reduction are the most necessary. These challenges are formidable, even when considering the improvements made to conventional DC-DC topologies. However, it can be possible to achieve these criteria through the implementation of more advanced topologies. A recently developed efficient three-phase DC-DC topology offers benefits over standard designs. Passive component sizes and output ripple voltage were reduced as a result of an effective boost in switching frequency. Converter output voltage was reached more easily due to an increased transformer voltage boost ratio in addition to the turns ratio. For cost reduction, the converter was designed and built with discrete components instead of more expensive integrated modules. This thesis presents an overview of the three-phase converter, with a detailed focus on the design, implementation, and performance of the switching stage. The functionality of the three-phase topology is covered along with the selection of converter components. Simulation results are shown for both ideal and real converter models. Considerations for the switching device package with respect to circuit board and heat sinking configurations are discussed in support of the selection of an insulated metal substrate (IMS) circuit board. An effective circuit layout designed to minimize parasitic trace inductances as well as provide favorable component positioning is presented. Experimental converter test results are shown and the causes of undesired effects are identified. Switching stage modifications and their results are discussed along with the benefits of proposed future design enhancements. / Master of Science

There is a need for a high voltage, capacitance voltage (HV, CV) measurement system for the measurement and characterization of silicon carbide (SiC) power MOSFETs. The following study discusses the circuit layout and automation software for a measurement system that can perform CV measurements for all three MOSFET capacitances, CGS, CDS, and CGD. This measurement system can perform low voltage (0–40V) and high voltage (40–5kV) measurements. Accuracy of the measurement system can be safely and effectively adjusted based on the magnitude of the MOSFET capacitance. An IRF1010N power MOSFET, a CoolMos, and a prototype SiC power MOSFET are all measured and their results are included in this study. All of the results for the IRF1010N and the CoolMos can be verified with established characteristics of power MOSFET capacitance. Results for the SiC power MOSFET prove that more testing and further development of SiC MOSFET fabrication is needed. / Master of Science

Ce travail expérimental traite de la détection de radiations Térahertz (THz) par des transistors à base de silicium. Après avoir exposé le contexte de l'étude et les bases théoriques des modèles nécessaires à la compréhension du sujet, le manuscrit débute par une comparaison des transistors de haute mobilité électronique (HEMTs à base de matériaux III-V), aux transistors à base de silicium (Si-MOSFETs). Cette étude permet une meilleure compréhension du mécanisme physique responsable de la détection de radiations THz par les transistors à effet de champ de manière générale. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de la longueur critique du canal Lc, liée à la distance d'amortissement des ondes de plasma et à partir de laquelle le signal de détection sature. Par ailleurs, le signal de détection THz de différents types de Si-MOSFETs a été étudié en fonction du champ magnétique, de la température et de la fréquence de l'onde THz incidente. Des raies inattendues et extrêmement marquées sont observées, jusqu'à la température ambiante, dans le signal de détection et dans la résistance du canal en champ magnétique. Celles-ci semblent être liées à une résonance de spin de facteur gyromagnétique égal à 2. L'allure générale du signal THz en champ magnétique est également discutée. Enfin, l'une des premières générations de détecteurs optimisés pour le THz et conçue dans le cadre d'un partenariat avec le CEA-LETI est présentée. Il s'agit notamment d'une matrice de pixels composés de Si-MOSFETs connectés à des antennes adaptées, à des amplificateurs de signaux, et à une première ébauche de circuit de lecture. La sensibilité, la puissance équivalent bruit (NEP) et la polarisation de ces détecteurs, est également étudiée en fonction de la fréquence incidente. Les résultats de cette étude mettent en exergue le potentiel de ces transistors nanométriques à base de Silicium entant que détecteur dans un système d'imagerie THz performant à température ambiante. / The experimental study reported here, deals with Therahertz (THz) radiation detection with silicon based transistors. After a brief overview of the context and the basics of the theory necessary to understand the subject, the report starts with a comparison betwen high mobility transistors (HEMTs based on III-V technolgies), and silicon transistors (Si-MOSFETs). This study allows a better understanding of the physical phenomenom responsible for THz radiation detection with field effect transistors in general. The second part is focalized on theoretical and experimental study of the critical chanel length (Lc), correlated to the distance of the plasma waves damping, from which the detection signal saturates. Beside, this THz detection signal, from diffrent kind of Si-MOSFETs, has been studied in magnetic field, in temperature, and in the frequency of the incomming radiation. Very pronounced and odd peaks are observed and studied, up to the ambiant temperature, inside the THz signal and the resistance of the MOS submited to magnetic field. These peaks seems to be linked by some way to a spin resonnance with a gyromagnetic factor of 2. The global tendancy of the evolution of the signal in magnetic field is also studied. Finally, one of the first generation of THz optimized detectors, develloped in partnership with CEA-LETI, is presented. Indeed, matrixes of pixels, composed of Si-MOSFETs connected to specific antennas, integrated amplifiers, and a basic reading circuit are studied. Sensitivity, noise equivalent power (NEP), polarization, of these detectors are caracterized. This study demonstrates the whole potential of these silicon based transistors as efficient THz imagery detectors for room temperature.

Este trabalho tem como objetivo estudar o ponto invariante com a temperatura (ZTC - Zero Temperature Coefficient) para transistores com estrutura SOI UTBB (Silicon-On-Insulator Ultra-Thin Body and BOX) nMOSFETs em relação à influência do plano de terra (GP-Ground Plane) e da espessura do filme de silício (tSi). Este estudo foi realizado nas regiões linear e de saturação, por meio da utilização de dados experimentais e de um modelo analítico. Parâmetros elétricos, como a tensão de limiar e a transcondutância foram analisados para verificar a influência do plano de terra e da espessura de filme de silício (tSi), e para estudar a polarização, entre porta e fonte, que não varia com a temperatura (VZTC). Foram utilizados dispositivos com (concentração de 1018 cm-3) e sem (concentração de 1015 cm-3) plano de terra em duas lâminas diferentes, uma com 6 nm de tSi e outra com 14 nm de tSi. Foi observado, que a presença do GP aumenta o valor de VZTC, devido ao fato do GP eliminar os efeitos de substrato no dispositivo aumentando a tensão de limiar do mesmo, e este, é diretamente proporcional a VZTC. O VZTC mostrou ser inversamente proporcional com a diminuição do tSi. Todos os resultados experimentais de VZTC foram comparados com o modelo. Foi observada uma boa concordância entre os VZTC de 25 ºC a 150 ºC, sendo que o desvio padrão foi menor que 81 mV em todos os casos estudados. Para se observar o efeito de substrato na tensão de limiar foi utilizado um modelo analítico que leva em consideração o efeito da queda de potencial no substrato, o efeito de confinamento quântico e parâmetros do dispositivo a ser modelado. O VZTC mostrou ser maior na região de saturação devido ao aumento da transcondutância e da polarização entre dreno e fonte (VDS), em ambos dispositivos (com e sem GP), chegando a ter um aumento de 360 mV em alguns casos. / This work aims to study the zero temperature coefficient point (ZTC) for transistors with SOI UTBB nMOSFETs (Silicon-On-Insulator Ultra-Thin Body and BOX) structure regarding the influence of the ground plane (GP) and the thickness of the silicon film (tSi). This study was realized in the linear and saturation region, by the use of experimental data and an analytical model. Electrical parameters such as threshold voltage and transconductance were analyzed with the objective of verifying the influence of the ground plane and silicon film thickness (tSi) in the same, and to analyze the polarization, between gate and source, that have zero influence of the temperature (VZTC). Were used devices with (concentration 1018 cm-3) and without (concentration 1015 cm-3) ground plane on two different wafers, with 6 nm tSi and the other with 14 nm tSi. It was observed that the presence GP increases the value of VZTC, because GP eliminates substrate effects and as consequence, the threshold voltage of the device increase and this is directly proportional to VZTC. The VZTC showed to be inversional proportional to the reduction of tSi. All experimental results were compared with a simple model for VZTC and were observed a good convergence between the results, for VZTC from 25 ºC to 150 ºC, and the biggest standard error observed in all the devices was 81 mV. To observe the effect of substrate on the threshold voltage, was used an analytical model that takes into account the effect of potential drop on the substrate, the effect of quantum confinement and the device parameters to be modeled. The VZTC show to be higher in the saturation region, due the increase of transconductance and the polarization between drain and source (VDS), in both devices (with and without GP), reaching an increase of 360 mV in some cases.

The continuous and aggressive downscaling of conventional CMOS devices has been driving the vast growth of ICs over the last few decades. As the CMOS downscaling approaches the fundamental limits, novel device architectures such as metallic source/drain Schottky barrier MOSFET (SB-MOSFET) and SB-FinFET are probably needed to further push the ultimate downscaling. The ultimate goal of this thesis is to integrate metallic Ni1-xPtx silicide (x=0~1) source/drain into SB-MOSFET and SB-FinFET, with an emphasis on both material and processing issues related to the integration of Ni1-xPtx silicides towards competitive devices. First, the effects of both carbon (C) and nitrogen (N) on the formation and on the Schottky barrier height (SBH) of NiSi are studied. The presence of both C and N is found to improve the poor thermal stability of NiSi significantly. The present work also explores dopant segregation (DS) using B and As for the NiSi/Si contact system. The effects of C and N implantation into the Si substrate prior to the NiSi formation are examined, and it is found that the presence of C yields positive effects in helping reduce the effective SBH to 0.1-0.2 eV for both conduction polarities. In order to unveil the mechanism of SBH tuning by DS, the variation of specific contact resistivity between silicide and Si substrates by DS is monitored. The formation of a thin interfacial dipole layer at silicide/Si interface is confirmed to be the reason of SBH modification. Second, a systematic experimental study is performed for Ni1-xPtx silicide (x=0~1) films aiming at the integration into SB-MOSFET. A distinct behavior is found for the formation of Ni silicide films. Epitaxially aligned NiSi2-y films readily grow and exhibit extraordinary morphological stability up to 800 oC when the thickness of deposited Ni (tNi) <4 nm. Polycrystalline NiSi films form and tend to agglomerate at lower temperatures for thinner films for tNi≥4 nm. Such a distinct annealing behavior is absent for the formation of Pt silicide films with all thicknesses of deposited Pt. The addition of Pt into Ni supports the above observations. Surface energy is discussed as the cause responsible for the distinct behavior in phase formation and morphological stability. Finally, three different Ni-SALICIDE schemes towards a controllable NiSi-based metallic source/drain process without severe lateral encroachment of NiSi are carried out. All of them are found to be effective in controlling the lateral encroachment. Combined with DS technology, both n- and p-types of NiSi source/drain SB-MOSFETs with excellent performance are fabricated successfully. By using the reproducible sidewall transfer lithography (STL) technology developed at KTH, PtSi source/drain SB-FinFET is also realized in this thesis. With As DS, the characteristics of PtSi source/drain SB-FinFET are transformed from p-type to n-type. This thesis work places Ni1-xPtx (x=0~1) silicides SB-MOSFETs as a competitive candidate for future CMOS technology. / QC20100708 / NEMO, NANOSIL, SINANO

In this thesis, the Cross-Gate SOI MOSFET that has double sources and double drains was successfully fabricated. The new SOI device structure has five unique features. First, it uses mesa isolation instead of using conventional LOCOS and trench isolation to avoid the bird¡¦s beak effect in LOCOS isolation and the complexity of digging trench in trench isolation¡F second, it has three surfaces of gate structures which can increase the effective channel width of the device to enhance the current drivability of the device without reducing the packing density of the circuit¡F third, it has four channels which can increase the current drivability of the device¡F fourth, it has narrowed source and drain that can reduce the leakage current¡F fifth, it has double sources and double drains that can design double or half current in the electric circuit by one device. According to the simulation results of the TSUPREM-4 and TMA TCAD, the saturation drain current of the multi-gate SOI devices are almost double larger than that of the conventional SOI device as VGS - Vth = 0.7 V. And the threshold voltage¡B Ion/Ioff and subthreshold factor of the Cross-Gate SOI device are almost the same with such of the Four Channels Multi-Gate SOI device. As far as the fabrication process is concerned, the new SOI device has simpler isolation processes than that of the conventional one. In addition, the nano-devices that Leff ¡× 71nm was successfully fabricated. As concerning the electrical behavior, under the same condition of Leff ¡× 71nm, Weff ¡× 440nm, tsi ¡× 120nm, the Cross-Gate SOI device has the lower subthreshold factor which is 93.153 and the higher Ion/Ioff which is 1.66¡Ñ10E5 than those of the Four Channels Multi-Gate SOI device, in addition, the Cross-Gate SOI device has no kink effect. So, it can be concluded that such the Cross-Gate SOI device presented is much more applicable to the development of low power and high speed ULSI in the nearest future.

The risk of secondary cancer associated with low doses of ionizing radiation, is gaining new interest every day, especially in long term surviving patients. The unavoidable amount of the scattered dose, which is absorbed by radiosensitive tissues/organs away from the irradiated treatment site, known as peripheral dose (PD), is the outcome of secondary irradiation sources while it influences the treatment parameters. Since the associated cancer risk is likely to be much lower but not insignificant from such low doses this may affect the choice of treatment options adopted. In this study, we performed measurements in a water phantom in order to indicate the trends of the PD from conventional radiotherapy and to demonstrate the influence of typical treatment parameters, such as the distance, the depth, the field size and the energy using the mobileMOSFET dose verification system. The PD is given as a function of the above treatment parameters and a comparison was made with an ionization chamber. In the same way measurements are presented in an anthropomorphic phantom and a comparison of the results between the mobileMOSFET dose verification system and the treatment planning software is given. Finally, the PD measurements were performed in preselected areas outside the treatment field in patients undergoing 3D conformal radiotherapy treatment and since, modern treatment modalities such as the stereotactic radiosurgery/radiotherapy (SRS/SRT) procedures consolidate more and more in the treatment of benign and malignant disease, we investigated the PD in patients undergoing intracranial and extracranial treatment with Cyberknife, before and after the shielding upgrade, and demonstrated the influence of the monitor units (MU) and the size of the collimator. A discussion for the potential of stochastic radiation induced effects with both treatment modalities is also given. Peripheral dose (PD) is strongly dependent upon the irradiation parameters selected during the treatment planning procedure such as the distance, the depth, the field size and the energy of the photon beam. More specifically, PD decreases almost exponentially with the increase of distance. Close to the edge of the field, the internal scattered radiation from the patient is the predominant source of secondary scattered dose. As the distance from the field edge increases, the radiation scattered by the collimator, and the machine leakage become predominant. On the other hand, the PD is higher near the surface and drops to a minimum at the depth of dmax, and then the PD tends to become constant with depth. Closer to the field edge, where internal scatter from the phantom dominates, the PD increases with depth, because the ratio of the scatter to primary increases with depth. A few centimetres away from the field, where collimator scatter and leakage dominate, the PD decreases with depth, due to the attenuation by the water. Finally, PD is significantly higher for larger field sizes, due to the increase of the scattering volume and as the energy increase the PD increases too. According the results of PD measurements with the 3D conformal radiotherapy treatment, the mean PD in the thyroid gland, expressed as a percentage of the prescribed dose (%TD), was 1.43 %, 9.85 %, 7.27% and 2.02 %, corresponding to whole brain irradiation, mediastinum treatment, and breast treatment with and without the irradiation of supraclavicular and axillary nodes, respectively. The risk of radiation induced cancer to the thyroid gland was estimated to be at levels of 0.18 %, 1.19 %, 1.18 % and 0.33 % respectively. The mean PD of the breast, expressed as a % TD, was 5.90 %, 2.59 % and 3.14% corresponding to mediastimun treatment and breast treatment with and without the irradiation of supraclavicular and axillary nodes, respectively. The risk to the breast was estimated to be at levels of 3.97 %, 1.76 % and 1.45%, in mediastinum and breast treatment, with and without the supraclavicular irradiation, respectively. Although the results indicate that there is not an increased risk of secondary cancer in the thyroid gland and the breast after conventional radiotherapy (3D CRT), the significance of this risk has to be considered taking into account the existing pathology and the age of the patient as also further studies are needed to determine the weight of each contributor to the peripheral dose as also. As a concern, the results of the PD measurements during Cyberknife treatment, the mean preshielding PD, as a percentage of the prescribed dose (% TD) was 2.32 %, 0.63 % and 0.48 %, in the thyroid gland, the umbilicus and the pubic symphysis, respectively, since in the preshielding measurements the nipple was not monitored. The mean postshielding PD was 2.06 %, 0.65 %, 0.59 %, and 0.47 %, in the thyroid gland, the nipple, the umbilicus and the pubic symphysis, respectively. The risk for inducing secondary cancers can be considered low for the organs studied, by taking into account the existing pathology of the patients undergoing Cyberknife treatment. However, it should not be completely disregarded, especially in long term surviving patients, who are being treated for benign diseases or for curatively non metastatic malignancies. We also concluded that the increase of the collimator size during Cyberknife treatment corresponds to an increase of the PD and becomes less significant at larger distances, indicating that at these distances the PD is predominate due to the head leakage and the collimator scatter. Weighting the effect of the number of monitor units and the collimator size can be effectively used during the optimization procedure of Cyberknife in order to choose the most suitable treatment plan that will deliver the maximum dose to the tumor, while being compatible with the dose constraints for the surrounding organs at risk. Attention is required in defining the thyroid gland as a structure of avoidance in the treatment plan especially in patients with benign diseases. The most important advantages of the mobileMOSFET dosimeter are its small size, as it can be easily placed on the patient’s skin and the almost direct estimation of the dose during exposure. Moreover, its sensitivity and reproducibility make it suitable for measurements of low PD, as it provides an adequate measure of dose at low dose levels for high-energy photon beam irradiations used for therapy applications. However, attention should be given to the utilized Calibration Factor (CF), since its sensitivity is affected by the accumulated dose during its lifetime. / Σύμφωνα με τη παγκόσμια έκθεση καρκίνου, περίπου 50% όλων των ασθενών με καρκίνο θα υποβληθούν σε ακτινοθεραπεία σε κάποια φάση της θεραπείας τους. Ο κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου σε σχέση με τις χαμηλές δόσεις της ιοντίζουσας ακτινοβολίας μπορεί να είναι μικρός αλλά όχι αμελητέος, κερδίζοντας ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα της ακτινοθεραπείας, επηρεάζοντας τον τρόπο επιλογής των υιοθετημένων θεραπειών. Η σκεδαζόμενη δόση, που αναπόφευκτα απορροφάται από τα ακτινοευαίσθητα όργανα που κείτονται εκτός του όγκου/στόχου, αναφέρεται στην βιβλιογραφία ως περιφερική δόση. Η περιφερική δόση είναι αποτέλεσμα διαφόρων δευτερογενών πηγών ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, προέρχεται από τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία εσωτερικά του ασθενούς, από τη διαρρέουσα και σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τα μηχανικά μέρη που συνθέτουν το γραμμικό επιταχυντή όπως είναι ο πρωτεύον και δευτερεύον κατευθυντήρας, το φίλτρο επιπεδότητας, οι τροποποιητές δέσμης (σφήνες, μπλοκς, πολλαπλά φύλλα κατευθυντήρα), καθώς επίσης από τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τους τοίχους, το ταβάνι και το πάτωμα του χώρου όπου στεγάζεται το ακτινοθεραπευτικό μηχάνημα αλλά και τη διαρρέουσα ακτινοβολία από τα δευτερογενή νετρόνια που παράγονται από τις φωτοπυρηνικές αλληλεπιδράσεις όταν η ενέργεια των φωτονίων είναι μεγαλύτερη των 10 MV. Όλο και περισσότερες μοντέρνες τεχνικές χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία τόσο καλοήθη όσο και κακοήθη όγκων, όπως είναι η στερεοτακτική ακτινοχειρουργική και ακτινοθεραπεία, όπου υψηλή δόση δίδεται στον όγκο/στόχο ανά συνεδρία (υποκλασματοποίηση), διατηρώντας σε πολύ χαμηλά επίπεδα την δόση στους υγιείς ιστούς. Η εκτίμηση της περιφερικής δόσης με αυτές τις τεχνικές γίνεται ένα από τα σημαντικότερα δοσιμετρικά θέματα που απασχολούν την ακτινοθεραπευτική κοινότητα και κυρίως εστιάζεται σε ασθενείς νεαρής ηλικίας, σε ασθενείς με καλοήθη όγκο καθώς επίσης σε ασθενείς με μεγάλο χρόνο βιωσιμότητας. Συγκεκριμένα, αυτή η διδακτορική διατριβή είναι η πρώτη μελέτη που αναφέρεται σε μέτρηση της περιφερικής δόσης σε ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή και εξωκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife. Επίσης είναι η πρώτη μελέτη όπου οι μετρήσεις της περιφερικής δόσης διεξήχθησαν με το δοσίμετρο MOSFET, χρησιμοποιώντας το δοσιμετρικό σύστημα mobileMOSFET. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του δοσιμέτρου MOSFET είναι το μικρό του μέγεθος, δεδομένου ότι μπορεί εύκολα να τοποθετηθεί στο δέρμα του ασθενούς, καθώς και η σχεδόν άμεση εκτίμηση της δόσης στα ακτινοευαίσθητα όργανα κατά τη διάρκεια της έκθεσης τους. Επιπλέον, η ευαισθησία και η επαναληψημότητά του, το καθιστούν κατάλληλο δοσίμετρο για τη μέτρηση χαμηλού επιπέδου δόσεων, όπου συγκαταλέγεται και η περιφερική δόση. Δεν απαιτούνται πολλοί παράγοντες διόρθωσης, ωστόσο, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο συντελεστή βαθμονόμησης (CF), καθώς η ευαισθησία του, επηρεάζεται από τη συσσωρευμένη δόση κατά τη διάρκεια της ζωής του. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε ομοίωμα νερού, προκειμένου να αναδειχθεί η συμπεριφορά της περιφερικής δόσης με την επίδραση διαφόρων παραμέτρων της θεραπείας όπως είναι η απόσταση (από την άκρη του πεδίου) και το βάθος, καθώς και από το μέγεθος του πεδίου και την ενέργεια φωτονίων που χρησιμοποιήσαμε, κάνοντας στη συνέχεια σύγκριση των αποτελεσμάτων μας με το θάλαμο ιονισμού. Έγιναν μετρήσεις περιφερικής δόσης σε ανθρωπόμορφο ομοίωμα, για πέντε κλινικές περιπτώσεις (ολοκρανιακή ακτινοβόληση, ακτινοβόληση πνεύμονα, ακτινοβόληση μαστού με και χωρίς τους υπερκλείδιους και μασχαλιαίους αδένες, ακτινοβόληση του ορθού και του προστάτη) προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στα μάτια, στο θυροειδή αδένα, τις ωοθήκες και τις γονάδες. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση των μετρήσεων του δοσιμετρικού συστήματος mobileMOSFET με τους υπολογισμούς περιφερικής δόσης του συστήματος σχεδιασμού πλάνου ISIS 3D. Σε πενήντα (50) ασθενείς που προσήλθαν στο Πανεπιστημιακό νοσοκομείου του Ρίου, προκειμένου να υποβληθούν σε τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις περιφερικής δόσης σε δυο ιδιαίτερα ακτινοευαίσθητα όργανα όπως είναι ο θυροειδής αδένας και ο μαστός, προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου σε αυτά, με βάση το μοντέλο που προτείνει η Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (ICRP 103). Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της περιφερικής δόσης σε 35 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή και εξωκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό στερεοτακτικό σύστημα του Cyberknife είτε για καλοήθης (ακουστικό νευρίνωμα, μηνιγγίωμα, αδένωμα υποφύσεως κτλ.) είτε για κακοήθης ασθένειες (αρτηριοφλεβώδης δυσπλασία, οστικές και εγκεφαλικές μεταστάσεις, γλοιώματα κτλ.), προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυροειδή αδένα, το μαστό, και στα όργανα που βρίσκονται στην περιοχή του οφαλού και της ηβικής σύμφυσης. Επίσης μελετήθηκε η συμπεριφορά της περιφερικής δόσης με και χωρίς την αναβάθμιση της θωρακίσεως του ρομποτικού συστήματος, καθώς επίσης και με την επίδραση του αριθμού των monitor units και του μεγέθους του κατευθυντήρα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων στο ομοίωμα του νερού, η περιφερική δόση εξαρτάται από τις παραμέτρους ακτινοβόλησης όπως είναι η απόσταση από την άκρη του πεδίου και το βάθος, καθώς επίσης από το μέγεθος του πεδίου και την εκάστοτε ενέργεια των φωτονίων που χρησιμοποιήθηκε. Κοντά στην άκρη του πεδίου ακτινοβόλησης, η εσωτερική σκέδαση του ασθενούς είναι η κυρίαρχη πηγή δευτερογενούς ακτινοβολίας ενώ όσο απομακρυνόμαστε από το πεδίο η σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τα διάφορα μέρη του ακτινοθεραπευτικού μηχανήματος καθώς και η διαρρέουσα ακτινοβολία είναι οι σημαντικότερες πηγές δευτερογενούς ακτινοβολίας. Η περιφερική δόση μειώνεται σχεδόν εκθετικά με την απόσταση. Συγκεκριμένα, η περιφερική δόση είναι μεγάλη κοντά στην επιφάνεια, εν συνεχεία μειώνεται μέχρι το βάθος της μέγιστης δόσης και στη συνέχεια παραμένει σχεδόν σταθερή. Η αύξηση του μεγέθους του ακτινοβολούμενου πεδίου συνεισφέρει σε μεγαλύτερη περιφερική δόση λόγω του μεγαλύτερου όγκου σκέδασης ενώ μεγαλύτερη περιφερική δόση έχουμε και με την αύξηση της ενέργειας των φωτονίων που χρησιμοποιούμε. Από τις μετρήσεις που έγιναν με ανθρωπόμορφο ομοίωμα, προκύπτει ότι το σύστημα σχεδιασμού θεραπείας ISIS 3D υπερεκτιμά την περιφερική δόση σε σημεία που είναι αρκετά μακριά από τον εκάστοτε όγκο στόχο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μετρήσεων στους ασθενούς που υποβλήθηκαν σε τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, η μέση περιφερική δόση στο θυρεοειδή αδένα, ως ποσοστό της χορηγηθήσας δόσης, είναι 1.43 %, 9.85 %, 7.27 % και 2.02 %, στην ολοκρανιακή ακτινοβολία, στην ακτινοβόληση του μεσοθωρακίου και στην ακτινοβόληση του μαστού με και χωρίς την ακτινοβόληση των υπερκλειδίων και των μασχαλιαίων αδένων, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυρεοειδή αδένα εκτιμήθηκε στα επίπεδα του 0.18 %, 1.19 %, 1.18 % και 0.33 % αντίστοιχα. Η μέση περιφερική δόση του μαστού μετρήθηκε αντίστοιχα 5.90 %, 2.59 % και 3.14 % για την ακτινοβόληση του μεσοθωρακείου και την ακτινοβόληση του μαστού με και χωρίς την ακτινοβόληση των υπερκλειδίων και μασχαλιαίους, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο μαστό εκτιμήθηκε στα επίπεδα του 3.97 %, 1.76 % και 1.45 %, αντίστοιχα. Αν και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει ιδιαίτερα αυξημένος κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυρεοειδή αδένα και το μαστό με την τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, ιδιαίτερη έμφαση πρέπει να δοθεί στους ασθενείς που είναι νέοι ηλικιακά καθώς και σε αυτούς που έχουν μεγάλη επιβιωσιμότητα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων στους ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife, είναι τα ακόλουθα. Η μέση περιφερική δόση, ως ποσοστό της χορηγηθήσας δόσης, πριν την αναβάθμιση της θωρακίσεως του συστήματος, μετρήθηκε σε 2.32 %, 0.63 % και 0.48 %, στο θυρεοειδή αδένα, την περιοχή του ομφαλού και της ηβικής σύμφυσης, αντίστοιχα. Η μέση περιφερική δόση, μετά την αναβάθμιση της θωρακίσεως του συστήματος, μετρήθηκε σε 2.06 %, 0.65 %, 0.59 %, και 0.47 %, στο θυρεοειδή αδένα, το μαστό, την περιοχή του ομφαλού και της ηβικής σύμφυσης, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυροειδή αδένα και στο μαστό, εκτιμήθηκε περίπου σε 0.12 % και 0.14 %, αντίστοιχα, μετά την αναβάθμιση θωρακίσεως του συστήματος Cyberknife. Γενικά η πιθανότητα δευτερογενούς καρκίνου και στα δύο όργανα υψηλού κινδύνου είναι μικρή αν αναλογιστούμε και την εκάστοτη παθολογία των ασθενών που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife. Ωστόσο δε θα πρέπει να αγνοηθεί για τους ασθενείς που είναι νέοι ή έχουν καλοήθη πάθηση ή μεγάλο χρόνο βιωσιμότητας. Στην περίπτωση του θυροειδούς αδένα, όπου κείτεται κοντά στην περιοχή ακτινοβόλησης, η πιθανότητα αυτή μπορεί να αυξηθεί δραματικά αν οι δέσμες εξόδου περάσουν μέσα από αυτόν. Επομένως, ένα ερώτημα που τίθεται είναι αν ο θυροειδής αδένας κατά το σχεδιασμό της θεραπείας πρέπει να θεωρηθεί ή όχι ως όργανο κινδύνου. Τέλος, καθώς επιβεβαιώθηκε ότι η περιφερική δόση είναι ανάλογη του αριθμού των monitor units, η εκτίμησή της μπορεί να γίνει έμμεσα από τα monitor units για δεδομένη απόσταση που βρίσκεται το εκάστοτε όργανο κινδύνου από τον όγκο στόχο. Παράλληλα συμπεράναμε ότι όσο αυξάνεται το μέγεθος του κατευθυντήρα η περιφερική δόση αυξάνεται. Είναι προφανές λοιπόν ότι η επίδραση αυτών των δυο παραμέτρων στη περιφερική δόση πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη διάρκεια σχεδιασμού ενός πλάνου θεραπείας από τον ακτινοφυσικό, προκειμένου να κάνει τη βελτιστοποίησει του πλάνου θεραπείας, επιλέγοντας εκείνο που θα δώσει την μέγιστη δόση στον όγκο/ στόχο χωρίς να υπερβεί τα όρια δόσης ανοχής των υγιών ιστών.

La réduction (« scaling ») continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture «nanofil canal» est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de «blocage de Coulomb», et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS («Au-delà du dispositif CMOS»), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors « Trigate » nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil ‘‘trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé «dispositif SETMOS» dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante. / Continuous scaling of MOSFET dimensions has led us to the era of nanoelectronics. Multigate FET (MuGFET) architecture with ‘nanowire channel' is being considered as one feasible enabler of MOSFET scaling to end-of-roadmap. Alongside classical CMOS or Moore's law scaling, many novel device proposals exploiting nanoscale phenomena have been made either. Single Electron Transistor (SET), with its unique ‘Coulomb Blockade' phenomena, and Single Atom Transistor (SAT), as an ultimately scaled transistor, are prime nanoelectronic devices for novel applications like multivalued logic, quantum computing etc. Though SET was initially proposed as a substitute for CMOS (‘Beyond CMOS device'), it is now widely considered as a compliment to CMOS technology to enable novel functional circuits. However, the low operation temperature and non-CMOS fabrication process have been major limitations for SET integration with FET. This thesis makes an effort at combining scaled CMOS, SET and SAT through a single integration scheme enabling trigate nanowire-FET, SET or SAT. In this work, for the first time, fabrication of room temperature operating SET on state-of-the-art SOI CMOS technology (featuring high-k/metal gate) is demonstrated. Room temperature operation of SET requires an island (or channel) with dimensions of 5 nm or less. This is achieved through reduction of trigated nanowire channel to around 5 nm in width. Further study of carrier transport mechanisms in the device is carried out through cryogenic conductance measurements. Three dimensional NEGF simulations are also employed to optimize SET design. As a step further, cointegration of FDSOI MOSFET and SET on the same die is carried out. Room temperature hybrid SET-FET circuits enabling amplification of SET current to micro-ampere range (proposed as ‘SETMOS device' in literature), negative differential resistance (NDR) and multivalued logic are shown. Alongside this, on the same technology, a Single Atom Transistor working at cryogenic temperature is also demonstrated. This is achieved through scaling of MOSFET channel length to around 10 nm that enables having a single dopant atom in channel (diffused from source or drain). At low temperature, electron transport through the energy state of this single dopant is studied. These devices also work as scaled MOSFETs at room temperature. Therefore, a novel analysis method is developed correlating 300 K characteristics with cryogenic measurements to understand the impact of single dopant on scaled MOSFET at room temperature.

Ce travail présente les principaux résultats obtenus avec une large gamme de dispositifs SOI avancés, candidats très prometteurs pour les futurs générations de transistors MOSFETs. Leurs propriétés électriques ont été analysées par des mesures systématiques, agrémentées par des modèles analytiques et/ou des simulations numériques. Nous avons également proposé une utilisation originale de dispositifs FinFETs fabriqués sur ONO enterré en fonctionnalisant le ONO à des fins d'application mémoire non volatile, volatile et unifiées. Après une introduction sur l'état de l'art des dispositifs avancés en technologie SOI, le deuxième chapitre a été consacré à la caractérisation détaillée des propriétés de dispositifs SOI planaires ultra- mince (épaisseur en dessous de 7 nm) et multi-grille. Nous avons montré l’excellent contrôle électrostatique par la grille dans les transistors très courts ainsi que des effets intéressants de transport et de couplage. Une approche similaire a été utilisée pour étudier et comparer des dispositifs FinFETs à double grille et triple grille. Nous avons démontré que la configuration FinFET double grille améliore le couplage avec la grille arrière, phénomène important pour des applications à tension de seuil multiple. Nous avons proposé des modèles originaux expliquant l'effet de couplage 3D et le comportement de la mobilité dans des TFTs nanocristallin ZnO. Nos résultats ont souligné les similitudes et les différences entre les transistors SOI et à base de ZnO. Des mesures à basse température et de nouvelles méthodes d'extraction ont permis d'établir que la mobilité dans le ZnO et la qualité de l'interface ZnO/SiO2 sont remarquables. Cet état de fait ouvre des perspectives intéressantes pour l'utilisation de ce type de matériaux aux applications innovantes de l'électronique flexible. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes concentrés sur le comportement de la mobilité dans les dispositifs SOI planaires et FinFET en effectuant des mesures de magnétorésistance à basse température. Nous avons mis en évidence expérimentalement un comportement de mobilité inhabituel (multi-branche) obtenu lorsque deux ou plusieurs canaux coexistent et interagissent. Un autre résultat original concerne l’existence et l’interprétation de la magnétorésistance géométrique dans les FinFETs.L'utilisation de FinFETs fabriqués sur ONO enterré en tant que mémoire non volatile flash a été proposée dans le quatrième chapitre. Deux mécanismes d'injection de charge ont été étudiés systématiquement. En plus de la démonstration de la pertinence de ce type mémoire en termes de performances (rétention, marge de détection), nous avons mis en évidence un comportement inattendu : l’amélioration de la marge de détection pour des dispositifs à canaux courts. Notre concept innovant de FinFlash sur ONO enterré présente plusieurs avantages: (i) opération double-bit et (ii) séparation de la grille de stockage et de l'interface de lecture augmentant la fiabilité et autorisant une miniaturisation plus poussée que des Finflash conventionnels avec grille ONO.Dans le dernier chapitre, nous avons exploré le concept de mémoire unifiée, en combinant les opérations non volatiles et 1T-DRAM par le biais des FinFETs sur ONO enterré. Comme escompté pour les mémoires dites unifiées, le courant transitoire en mode 1T-DRAM dépend des charges non volatiles stockées dans le ONO. D'autre part, nous avons montré que les charges piégées dans le nitrure ne sont pas perturbées par les opérations de programmation et lecture de la 1T-DRAM. Les performances de cette mémoire unifiée multi-bits sont prometteuses et pourront être considérablement améliorées par optimisation technologique de ce dispositif. / The evolution of electronic systems and portable devices requires innovation in both circuit design and transistor architecture. During last fifty years, the main issue in MOS transistor has been the gate length scaling down. The reduction of power consumption together with the co-integration of different functions is a more recent avenue. In bulk-Si planar technology, device shrinking seems to arrive at the end due to the multiplication of parasitic effects. The relay has been taken by novel SOI-like device architectures. In this perspective, this manuscript presents the main achievements of our work obtained with a variety of advanced fully depleted SOI MOSFETs, which are very promising candidates for next generation MOSFETs. Their electrical properties have been analyzed by systematic measurements and clarified by analytical models and/or simulations. Ultimately, appropriate applications have been proposed based on their beneficial features.In the first chapter, we briefly addressed the short-channel effects and the diverse technologies to improve device performance. The second chapter was dedicated to the detailed characterization and interesting properties of SOI devices. We have demonstrated excellent gate control and high performance in ultra-thin FD SOI MOSFET. The SCEs are efficiently suppressed by decreasing the body thickness below 7 nm. We have investigated the transport and electrostatic properties as well as the coupling mechanisms. The strong impact of body thickness and temperature range has been outlined. A similar approach was used to investigate and compare vertical double-gate and triple-gate FinFETs. DG FinFETs show enhanced coupling to back-gate bias which is applicable and suitable for dynamic threshold voltage tuning. We have proposed original models explaining the 3D coupling effect in FinFETs and the mobility behavior in ZnO TFTs. Our results pointed on the similarities and differences in SOI and ZnO transistors. According to our low-temperature measurements and new promoted extraction methods, the mobility in ZnO and the quality of ZnO/SiO2 interface are respectable, enabling innovating applications in flexible, transparent and power electronics. In the third chapter, we focused on the mobility behavior in planar SOI and FinFET devices by performing low-temperature magnetoresistance measurements. Unusual mobility curve with multi-branch aspect were obtained when two or more channels coexist and interplay. Another original result in the existence of the geometrical magnetoresistance in triple-gate and even double-gate FinFETs.The operation of a flash memory in FinFETs with ONO buried layer was explored in the forth chapter. Two charge injection mechanisms were proposed and systematically investigated. We have discussed the role of device geometry and temperature. Our novel ONO FinFlash concept has several distinct advantages: double-bit operation, separation of storage medium and reading interface, reliability and scalability. In the final chapter, we explored the avenue of unified memory, by combining nonvolatile and 1T-DRAM operations in a single transistor. The key result is that the transient current, relevant for 1T-DRAM operation, depends on the nonvolatile charges stored in the nitride buried layer. On the other hand, the trapped charges are not disturbed by the 1T-DRAM operation. Our experimental data offers the proof-of-concept for such advanced memory. The performance of the unified/multi-bit memory is already decent but will greatly improve in the coming years by processing dedicated devices.

Este trabalho tem como objetivo estudar o ponto invariante com a temperatura (ZTC - Zero Temperature Coefficient) para transistores com estrutura SOI UTBB (Silicon-On-Insulator Ultra-Thin Body and BOX) nMOSFETs em relação à influência do plano de terra (GP-Ground Plane) e da espessura do filme de silício (tSi). Este estudo foi realizado nas regiões linear e de saturação, por meio da utilização de dados experimentais e de um modelo analítico. Parâmetros elétricos, como a tensão de limiar e a transcondutância foram analisados para verificar a influência do plano de terra e da espessura de filme de silício (tSi), e para estudar a polarização, entre porta e fonte, que não varia com a temperatura (VZTC). Foram utilizados dispositivos com (concentração de 1018 cm-3) e sem (concentração de 1015 cm-3) plano de terra em duas lâminas diferentes, uma com 6 nm de tSi e outra com 14 nm de tSi. Foi observado, que a presença do GP aumenta o valor de VZTC, devido ao fato do GP eliminar os efeitos de substrato no dispositivo aumentando a tensão de limiar do mesmo, e este, é diretamente proporcional a VZTC. O VZTC mostrou ser inversamente proporcional com a diminuição do tSi. Todos os resultados experimentais de VZTC foram comparados com o modelo. Foi observada uma boa concordância entre os VZTC de 25 ºC a 150 ºC, sendo que o desvio padrão foi menor que 81 mV em todos os casos estudados. Para se observar o efeito de substrato na tensão de limiar foi utilizado um modelo analítico que leva em consideração o efeito da queda de potencial no substrato, o efeito de confinamento quântico e parâmetros do dispositivo a ser modelado. O VZTC mostrou ser maior na região de saturação devido ao aumento da transcondutância e da polarização entre dreno e fonte (VDS), em ambos dispositivos (com e sem GP), chegando a ter um aumento de 360 mV em alguns casos. / This work aims to study the zero temperature coefficient point (ZTC) for transistors with SOI UTBB nMOSFETs (Silicon-On-Insulator Ultra-Thin Body and BOX) structure regarding the influence of the ground plane (GP) and the thickness of the silicon film (tSi). This study was realized in the linear and saturation region, by the use of experimental data and an analytical model. Electrical parameters such as threshold voltage and transconductance were analyzed with the objective of verifying the influence of the ground plane and silicon film thickness (tSi) in the same, and to analyze the polarization, between gate and source, that have zero influence of the temperature (VZTC). Were used devices with (concentration 1018 cm-3) and without (concentration 1015 cm-3) ground plane on two different wafers, with 6 nm tSi and the other with 14 nm tSi. It was observed that the presence GP increases the value of VZTC, because GP eliminates substrate effects and as consequence, the threshold voltage of the device increase and this is directly proportional to VZTC. The VZTC showed to be inversional proportional to the reduction of tSi. All experimental results were compared with a simple model for VZTC and were observed a good convergence between the results, for VZTC from 25 ºC to 150 ºC, and the biggest standard error observed in all the devices was 81 mV. To observe the effect of substrate on the threshold voltage, was used an analytical model that takes into account the effect of potential drop on the substrate, the effect of quantum confinement and the device parameters to be modeled. The VZTC show to be higher in the saturation region, due the increase of transconductance and the polarization between drain and source (VDS), in both devices (with and without GP), reaching an increase of 360 mV in some cases.