Ce travail de thèse a pour but de contribuer au développement d'outils numériques pour la simulation de dispositifs avancés à base de matériaux alternatifs au Si : l’InGaAs et le SiGe. C'est un travail de collaboration entre l'industrie (STMicroelectronics à Crolles) et des instituts de recherche (le CEA à Grenoble et l'IEMN à Lille). La modélisation de dispositifs MOSFET avancés pour des applications de basse puissance est étudiée, grâce à des outils prédictifs, mais efficaces et peu coûteux numériquement, qui peuvent être compatibles avec un environnement industriel. L’étude porte sur différents aspects, tels que i) les propriétés électroniques des matériaux massifs et des nanostructures, avec des outils allant de la méthode des liaisons fortes et des pseudo-potentiels empiriques, à la masse effective ; ii) les propriétés électrostatiques des capacités III-V ; iii) les propriétés de transport (mobilité effective à faible champ et vitesse de saturation) dans les films minces et les nanofils ; iv) la simulation de dispositifs conventionnels planaires FDSOI 14nm en régime linéaire et saturé. Ce travail fait usage d'une large variété d'approches et de modèles différents. Des outils basés sur une approche physique sont développés, permettant d'améliorer la capacité prédictive des modèles TCAD conventionnels, pour la modélisation des dispositifs nanoscopiques à courte longueur de grille et à base de matériaux SiGe ou InGaAs. / This PhD work aims at contributing to the development of numerical tools for advanced device simulation including alternative materials (InGaAs and SiGe). It is a collaboration work, between the industry (STMicroelectronics--Crolles) and research institutes (CEA--Grenoble and IEMN--Lille). The modeling of advanced low-power MOSFET devices is investigated with predictive, but efficient tools, that can be compatibles with an industrial TCAD framework. The study includes different aspects, such as: i) the electronic properties of bulk materials and nanostructures, with tools ranging from atomistic tight-binding and empirical pseudo-potential to effective mass model; ii) the electrostatic properties of III-V Ultra-Thin Body and bulk MOSCAPs; iii) the transport properties (low-field effective mobility and saturation velocity) of thin films and nanowires; iv) the simulation of template 14nm FDSOI devices in linear and saturation regime. This work makes use of a broad variety of approaches, models and techniques. Physical-based tools are developed, allowing to improve the predictive power of TCAD models for advanced devices with short-channel length and alternative channel materials.

Depuis la découverte des polymères conducteurs, de nombreuses études ont été menées afin d’utiliser ces nouveaux matériaux semiconducteurs en tant que couche active de composants électroniques. Dans cette thèse nous nous intéressons à deux composants clés de l’électronique organique : Les transistors à effet de champs et les mémoires à nano-grille flottante seront réalisés à la fois sur des substrats rigides et flexibles. Pour l’optimisation de nos dispositifs, nous avons choisi de travailler sur les interfaces.Tout d’abord, des monocouches auto-assemblées SAMs ont été utilisés pour optimiser les interfaces électrode/SCO et diélectrique/SCO de l’OFET : des mobilités de 0.68 cm2V-1S-1 et des rapports on/off ˃106 ont été obtenus. Par la suite, nous avons fabriqué des dispositifs de mémoire à simple grille flottante SFG en utilisant les en nanoparticules (NP) d’or et à double grille flottante DFG en utilisant les NP d’or et des feuillets de graphène comme couches de piégeage de charges. En particulier, les DFG avec PFBT présentent en effet d'excellentes performances (une large fenêtre mémoire de 51 V et un temps de rétention stable et de plus de 108s).Ensuite, nous avons fabriqué tous les dispositifs sur des substrats souples en kapton avec des processus de fabrication simples et à basse température. Ces NFGM flexibles ont été caractérisés et leurs performances mesurées (fenêtre mémoire de 23V). Nous avons également mis en évidence un piégeage multi-niveaux dans les NP. De plus, ces composants ont montré une bonne résistance aux tests de flexibilité et de pliage et une stabilité très satisfaisante (supérieure à 500 cycles). / Organic field effect transistor (OFET) and organic based nano-floating gate memory (NFGM) devices are essentially expected to meet emerging technological demands that realizing flexible and wearable electronic devices. The objective of this thesis is to develop and optimize the pentacene OFET and NFGM based on rigid and flexible substrates. First, self-assembled monolayers (SAMs) were used to optimize the OFET, a high mobility of 0.68 cm2V-1S-1 and current on/off ratio ˃106 were obtained. Then, we fabricated single floating gate (SFG) and double floating gate (DFG) memory devices by using gold nanoparticles (Au NPs) and reduced graphene oxide (rGO) sheets as charge trapping layers. In particular, the DFG with PFBT exhibits excellent memory performances, including the large memory window of 51 V, and the stable retention property more than 108 s. Third, we fabricated all organics based OFET and NFGM on kapton flexible substrates with simple fabrication process under low temperature. The large memory window of 23 V was obtained, and the multi-level data storage performance was observed for our flexible NFGM devices. In addition, the bending stability/mechanical stability test present high current on /off ratio ˃105, retention time ˃104, as well as cycling exceed 500 cycles. Based on the experiments results of this work, we highlight the efficient ways to optimize the OFET and fabricate the high performances of flexible NFGM by simple fabrication process.

Les progrès des technologies Silicium permettent aujourd’hui de concevoir des circuits électroniques fonctionnant en bande de fréquence millimétrique, grâce à des composants de plus en plus performants. Ces évolutions sont possibles grâce aux performances des transistors, dont les fréquences de fonctionnement sont désormais au-delà de 300 GHz. Pour assurer la conception de circuits dont la taille diminue drastiquement de technologie en technologie, les composants disponibles, et plus particulièrement les transistors, doivent être fidèlement modélisés. Leur modélisation est basée sur des caractérisations en paramètres S, en puissance ainsi qu'en bruit. La caractérisation en bruit permet une extraction des quatre paramètres de bruit des transistors, afin de représenter finement leur comportement bruyant. En bande D (110-170 GHz), l'instrumentation sur-table dédiée n'est pas disponible dans le commerce. Il est donc nécessaire de développer des solutions de test intégrées sur Silicium, afin de limiter les pertes induites par les accès au dispositif sous test. Ces travaux de thèse ont eu pour objectif de concevoir, en technologie BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics, un banc de caractérisation en bruit in-situ. Ce dernier est composé d’un récepteur de bruit, d’un synthétiseur d'impédances, d’un amplificateur faible bruit ainsi que d’une source de puissance. L'extraction des quatre paramètres de bruit d'un transistor bipolaire est alors effectuée grâce à plusieurs étapes de filtrage. Enfin, les perspectives liées à ces travaux de recherche sont évoquées, en particulier l'intégration du banc in-situ dans des sondes de test permettant de caractériser de manière industrielle. / The progress of the silicon technologies allows today the design of electronic circuits working in the millimeter-wave frequency band, thanks to more and more efficient components. These evolutions are possible thanks to the performances of transistors, which operating frequencies beyond 300 GHz. To insure the design of circuits which size decreases drastically from technology to technology, the available components, and more particularly transistors, must be faithfully modelled. Their modelling is based on characterizations in S parameters, power and noise. The noise characterization of transistors allows to know their noisy behaviors by extracting their four noise parameters. In the D-band (110-170 GHz), the commercial characterization tools are not available. Thus, it is necessary to develop integrated test solutions on silicon in order to limit losses due to accesses and probes and make the measurement suitable. This thesis research aimed at designing, with the BiCMOS 55 nm technology of STMicroelectronics, an in-situ noise characterization bench. The latter consists of a noise receiver, an impedance synthesizer, a low noise amplifier as well as a D-band power source. The extraction of four noise parameters of a bipolar transistor is then made thanks to several steps of filtering. Finally, the perspectives bound to these research works are evoked, in particular the integration of the in-situ bench in test-probes allowing to characterize in an industrial way.

La réduction de la taille des circuits CMOS vers des dimensions extrêmement petites est telle que son élément constitutif, le MOSFET à base de Silicium, commence à souffrir d’une faible efficacité de puissance. L’une des alternatives qui ne peut être écartée est le concept du transistor MOSFET à base de matériaux III-V. Ses propriétés de transport extraordinaires, apportées par les matériaux III-V, promettent de réduire la tension d’alimentation des circuits CMOS sans réduire leur performance. Cette transition technologique pourrait aboutir non seulement à des circuits CMOS plus petits, plus écologiques mais aussi à des circuits co-intégrés avec des technologies RF. C’est dans ce contexte que nous présentons, dans ce travail de thèse, la fabrication et la caractérisation des transistors MOSFET Ultra-Thin Body (UTB) à base d’InAs et du transistor FinFET à base d’InAs. La combinaison d’une longueur de grille extrêmement réduite, d’une faible résistance d’accès et d’une mobilité impressionnante dans le canal d’InAs a permis d’obtenir des courants importants (IMAX=2000mA/mm pour LG=25nm). Egalement, l‘utilisation des architectures du canal de type ultra mince et FinFET permet d’obtenir un bon contrôle électrostatique. De plus, une spécificité du procédé technologique présentée dans ce travail est les réalisations des contacts et du canal par une épitaxie par jets moléculaires (MBE) localisée. / Scaling the size of CMOS circuits to extremely small dimensions gets the semiconductor industry to a point where its cornerstone, Silicon-based MOSFET starts to suffer a poor power efficiency. In the quest for alternative solutions cannot be omitted a concept of III-V MOSFET. Its outstanding transport properties hold a promise of reduced CMOS supply voltage without compromising the performance. This can path a way not only to the smaller, greener electronics but also to more co-integrated RF and CMOS electronics. In this context, we present fabrication and characterization of Ultra-Thin body InAs MOSFETs and InAs FinFET. Synergy of a deeply scaled gate length, low access resistance and a high mobility of InAs channel enabled to obtain impressively high drain currents (IMAX=2000mA/mm for LG=25nm). Equally, the introduction of Ultra-Thin body and FinFET channel design provides an improved electrostatic control. A specific feature of the process presented in this work is a fabrication of contacts and channel by localized molecular beam epitaxy MBE epitaxy.

Τα άμορφα υλικά είναι μια ευρεία κατηγορία υλικών με σημαντικές ιδιότητες πολλές από τις οποίες δεν απαντώνται όταν αυτά βρίσκονται στην αντίστοιχη κρυσταλλική τους φάση. Στην παρούσα εργασία μελετώνται επιλεγμένα υμένια (πάχους ~ 1μm) από μια ειδική κατηγορία άμορφων υλικών, τις χαλκογονούχες ενώσεις (chalcogenides). Ως “χαλκογενή” (chlacogens) αναφέρονται τα στοιχεία της ομάδας VIA του περιοδικού πίνακα, δηλαδή το Θείο (S), το Σελήνιο (Se) και το Τελλούριο (Te) και συνεπώς οι ενώσεις που περιέχουν ένα ή περισσότερα από αυτά τα στοιχεία μαζί με στοιχεία όπως τα As, Ge, P, Bi, Si, Sb, Ga, Ag, κλπ. σχηματίζουν τις χαλκογονούχες ενώσεις. Το γεγονός ότι το ενεργειακό χάσμα των ενώσεων αυτό εμπίπτει στην φασματική περιοχή του ορατού φωτός και του κοντινού υπερύθρου έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση πλήθους φωτο-επαγόμενων (μη-θερμικών) φαινομένων όταν τα υλικά αυτά ακτινοβοληθούν με φως κατάλληλου μήκους κύματος και πυκνότητας ισχύος. Τα φωτο-επαγόμενα φαινόμενα περιλαμβάνουν αλλαγές σε δομικές, μηχανικές, χημικές, οπτικές, ηλεκτρικές κ.α. ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα, μέσω της μελέτης των φωτο-επαγόμενων φαινομένων παρέχεται η δυνατότητα για ελεγχόμενη μεταβολή δομικών (μικροσκοπικών) αλλά και μακροσκοπικών ιδιοτήτων του υλικού. Επομένως τα υλικά αυτά έχουν έντονο τεχνολογικό ενδιαφέρον, σε εφαρμογές όπως στην οπτική, στην μικροηλεκτρονική και στην ανάπτυξη στοιχείων αποθήκευσης πληροφορίας (οπτικές μνήμες). Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και η κατανόηση σε βασικό επίπεδο των μικρο-δομικών χαρακτηριστικών, υμενίων επιλεγμένων άμορφων χαλκογονούχων ενώσεων υπό την επίδραση διαφόρων εξωτερικών ερεθισμάτων καθώς και η επίτευξη συσχετισμού μεταξύ μικροσκοπικών χαρακτηριστικών και χρήσιμων για εφαρμογές μακροσκοπικών ιδιοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε συστηματικά η επιφανειακή ηλεκτρονιακή δομή υμενίων του συστήματος AsxSe100-x, παρασκευασμένων με θερμική εναπόθεση (thermal evaporation, TE) και εναπόθεση με παλμικό laser (pulsed laser deposition, PLD) με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές όπως Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από Ακτίνες-x (XPS) και από Υπεριώδες (UPS). H Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από Ακτίνες-x (XPS) χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της χημικής σύστασης της επιφάνειας του στερεού. Η πολλαπλότητα των χημικών καταστάσεων για ένα συγκεκριμένο είδος ατόμου υποδηλώνει την ύπαρξη μιας ποικιλίας τοπικών ατομικών διατάξεων στην επιφάνεια του υμενίου. Επομένως οι αλλαγές των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων στην επιφάνεια μπορούν να συσχετιστούν άμεσα με αλλαγές που αφορούν στην επιφανειακή δομή, οι οποίες προκαλούνται είτε μεταβάλλοντας διάφορες παραμέτρους όπως η σύσταση του υλικού είτε με την επιβολή κάποιου εξωτερικού ερεθίσματος όπως η θέρμανση και η ακτινοβόληση, είτε με τη φωτο-διάλυση ατόμων μετάλλου (Ag) στο εσωτερικό τους. Μεταβάλλοντας την σύσταση σε PLD υμένια AsxSe100-x και υποβάλλοντας τα σε θέρμανση, σε θερμοκρασία 150ºC (δηλαδή λίγο πιο κάτω από το Τg) οι πιο έντονες αλλαγές παρατηρήθηκαν στο ηλεκτρονικό περιβάλλον των ατόμων αρσενικού στα υμένια με ενδιάμεσες συστάσεις (As50Se50, As60Se40). Στην συνέχεια, η συμμετρική σύσταση As50Se50 μελετήθηκε διεξοδικότερα λόγω της μεγάλης ποικιλομορφίας και ετερογένειας σε νανο-κλίμακα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ακτινοβόληση και η θέρμανση οδηγούν την δομή σε δύο διαφορετικές άμορφες καταστάσεις με διαφορετικό ποσοστό δομικών μονάδων. Το φαινόμενο είναι αντιστρεπτό και επαναλήψιμο σε διαδοχικούς κύκλους θέρμανσης και ακτινοβόλησης για τα PLD υμένια ενώ δεν ισχύει το ίδιο για τα ΤΕ υμένια. Ο προσδιορισμός του δείκτη διάθλασης με την χρήση φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας σε PLD και ΤΕ As50Se50 υμένια, σε διαδοχικές διεγέρσεις ακτινοβόλησης και θέρμανσης, αποκάλυψε την συσχέτιση των αλλαγών στη μικροδομή των υμενίων με τις μεταβολές σε αυτή την μακροσκοπική ιδιότητα του υμενίου. Επιπλέον, εκπονήθηκε μελέτη του φωτο-επαγόμενου φαινομένου της διάχυσης και διάλυσης ατόμων μετάλλου όπως ο Ag στην δομή των υμενίων PLD και ΤΕ As50Se50 με ακτινοβόληση ακτίνων- x και ορατού φωτός (laser ενέργειας συγκρίσιμης με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού). Σκοπός ήταν η μελέτη της εξέλιξης των σχηματιζόμενων χημικών ειδών κατά τα διάφορα στάδια του φαινομένου σε αντίθεση με την έως τώρα υπάρχουσα πρακτική που εστιάζει κυρίως στον μηχανισμό της κινητικής του φαινομένου. Μετρήσεις ανάλυσης σε βάθος με XPS και SIMS έλαβαν χώρα με σκοπό την διερεύνηση του προφίλ της συγκέντρωσης του μετάλλου στο εσωτερικό του υμενίου, πριν και μετά την επαγωγή του φαινομένου. / Amorphous, are a wide category of materials with significant properties that do not occur in their respective crystalline phase. In this work, a special category of selected amorphous chalcogenide compounds (chalcogenides) in the form of thin (1μm) films, is studied experimentally. Chalcogens are the elements from Group VIA, namely Sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) and therefore compounds containing one or more of these elements together with elements such as As, Ge, P, Bi, Si, Sb, Ga, Ag, etc. form chalcogenide compounds. The fact that their energy gap is within the range of visible light and near infrared has given rise to numerous of photo-induced (non-thermal) phenomena when these materials are irradiated with light of appropriate wavelength and power density. The photo-induced effects include changes in structural, mechanical, chemical, optical, electrical, etc. properties. More specifically, through the study of photo-induced effects it is possible to control micro-structural changes and macroscopic properties of the material. Therefore these materials have a strong technological interest for applications in optics, in microelectronics and as elements in circuits for optical data storage (optical memories). The aim of this work is to study and understand at a basic level the micro-structural characteristics of chalcogenide films of selected compounds under the influence of various external stimuli as well as to achieve a correlation between microscopic characteristics and useful for applications macroscopic properties. In the present work the electronic surface structure of AsxSe100-x films prepared by thermal evaporation (TE) and by pulsed laser deposition (PLD) was studied systematically with surface sensitive techniques such as X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopies ( XPS, UPS). X-ray photoelectron spectroscopy is used to determine the chemical composition of the surface of a solid. The multiplicity of chemical states for a specific type of atom suggests the existence of a variety of local individual arrangements on the surface of the film. Therefore, the changes of electronic properties on the surface can be directly correlated with changes on the surface structure, which are caused either by altering various parameters such as the composition of the material or by imposing an external stimulus such as annealing and irradiation, or by photo-dissolution of silver atoms (Ag) in their structure. Changing the composition of PLD AsxSe100-x films and submitting them to annealing below the Tg, the most pronounced changes occurred in the electronic environment of atoms in films with intermediate compositions (As50Se50, As60Se40). The symmetrical composition As50Se50 was chosen and studied thoroughly because of the great diversity and heterogeneity of its micro-structural units in nano-scale. The results showed that irradiation and annealing lead the film to two different amorphous states, with different percentage of structural units. The phenomenon is reversible and repeatable in successive cycles of annealing and irradiation for the PLD films while this is not true for the TE films. The determination of the refractive index using spectroscopic ellipsometry in PLD and TE As50Se50 films, in successive irradiation and annealing stimuli, revealed the correlation of the changes in the microstructure of films with the changes in this macroscopic property. Furthermore, the photo-induced diffusion and dissolution of silver (Αg) atoms in the structure of PLD and TE As50Se50 films induced by x-rays and visible light (laser energy comparable to the energy gap of semiconductor) was studied. The purpose of these experiments was to follow the chemical species formed during the various stages of the diffusion procedure with XPS in contrast to most studies so far focusing mainly on the mechanism of kinetics of the diffusion reaction. Depth profile analysis by XPS and SIMS took place in order to investigate the concentration profile of the metal atoms in depth of the films, before and after the induction of the effect.