Selon l’ITRS, le transistor à nanotube de carbone est une des alternatives prometteuses au transistor MOS Silicium notamment en termes de taille de composant et d’architectures de circuits innovantes. Cependant, à l’heure actuelle, la maturité des procédés de fabrication de ces technologies ne permet pas de contrôler finement les caractéristiques électriques. C’est pourquoi, nous proposons un modèle compact basé sur les principes physiques qui gouvernent le fonctionnement du transistor à nanotube. Cette modélisation permet de lier les activités technologiques à celles de conception de circuit dans le contexte de prototypage virtuel. Pour peu qu’elle inclut des paramètres reflétant la variation des procédés, il est alors possible d’estimer les performances potentielles des circuits intégrés. Le transistor à nanotube de carbone à modulation de hauteur de barrière (C-CNFET), i.e. « MOS-like », est modélisé analytiquement en supposant le transport balistique des porteurs dans le canal. Le formalisme de Landauer est utilisé pour décrire le courant modulé par le potentiel du canal calculé de façon auto-cohérente avec la charge associée selon le potentiel appliqué sur la grille. Le modèle du transistor à nanotube de carbone double grille, DG-CNFET est basé sur celui du C-CNFET. Ce transistor est de type N ou P selon la polarisation de la grille supplémentaire. Ce transistor est modélisé de manière similaire pour les 3 régions : la partie interne modulée par la grille centrale, et les accès source et drain modulés par la grille arrière. La charge, plus complexe à calculer que celle du C-CNFET, est résolue analytiquement en considérant différentes plages de polarisation et d’énergie. Le modèle du DG-CNFET a été mis en œuvre dans le cadre d’architectures de circuits électroniques innovants : une porte logique à 2 entrées comportant 7 transistors CNFET dont 3 DG-CNFET pouvant, selon la polarisation des 3 entrées de configuration, réaliser 8 fonctions logiques différentes. / According to ITRS, the carbon nanotube transistor is one promising alternative to the silicon MOS transistor particularly in terms of device dimensions and novel circuit architectures. However, today, the fabrication processes maturity of these technologies does not allow controlling accurately their electrical characteristics. That’s why we propose a compact model based on physical principles that govern the nanotube transistor operation. That modelling allows linking the technological activities to the circuit design ones in the virtual prototyping context. As it includes parameters that reflect the processes variation, it is possible to estimate the potential performances of integrated circuits. The barrier-height modulated carbon nanotube transistor (C-CNFET), i.e. MOS-like transistor, is analytically modelled assuming ballistic transport of carriers in the channel. The Landauer’s formalism is used to describe the current modulated by the channel potential which is self-consistently calculated with the associated charge according to the gate potential. The model of the double-gate carbon nanotube transistor, DG-CNFET, is based on the C-CNFET one. That transistor is N or P type depending on the additional gate polarisation. That transistor is modelled in a similar way for the 3 regions: the inner part modulated by the central gate, and the source and drain accesses modulated by the back gate. The charge, more complex to calculate than the C-CNFET one, is analytically solved considering different polarisation and energy ranges. Moreover, the DG-CNFET model has been used into novel electronic circuit architectures: a 2 inputs logic gate, composed of 7 CNFET transistors, 3 of which are DG-CNFET, able to realize 8 different logic functions, according to the polarisation of the 3 configuration inputs.

En dépit d'une amélioration remarquable de la performance des composants électroniques organiques, il y a encore un manque de compréhension théorique rigoureux sur le fonctionnement du composant. Cette thèse est consacrée à la création de modèles pratiques pour composants électroniques organiques à base physique complet, à savoir un modèle compact à base physique. Un modèle compact à base physique d'un élément de circuit est une équation mathématique qui décrit le fonctionnement du composant, et est généralement évaluée par trois critères: si elle est suffisamment simple pour être incorporé dans des simulateurs de circuits, précise pour rendre le résultat des simulateurs utile les concepteurs de circuits et rigoureux pour capturer des phénomènes physiques se produisant dans le composant. Dans ce contexte, les caractéristiques distinctives de l'injection de porteurs de charge et de transport dans les semi-conducteurs organiques sont incorporés dans les modèles avec un effort particulier pour maintenir la simplicité mathématique. L'effet concomitant sur les caractéristiques courant-tension des diodes et des transistors organiques prototypiques sont étudiés. Les méthodes d'extraction des paramètres cohérents aux modèles sont présentés qui permettent la détermination univoque des paramètres de le composant utilisé pour le fonctionnement du composant de modélisation et l'évaluation des performances de le composant et les propriétés des couches minces et des interfaces organiques. Les approches englobent le developement analytique des équations physiques, la simulation numérique à deux dimensions basé sur la méthode des éléments finis et la validation expérimentale. Les modèles compacts originaux et entièrement analytiques et des méthodes d'extraction de paramètres fournissent une compréhension fondamentale sur la façon dont le désordre énergétique dans une couche mince de semi-conducteur organique, décrit par la densité d’etats Gaussienne, affecte les caractéristiques courant-tension observables des composants.Mots-clés : Electronique organique, physique des composants électroniques, modélisation analytique, diodes, transistors à effet de champ, densité d’etats Gaussienne / In spite of a remarkable improvement in the performance of organic electronic devices, there is still a lack of rigorous theoretical understanding on the device operation. This thesis is dedicated to establishing practical models of organic electronic devices with a full physical basis, namely a physically-based compact model. A physically-based compact model of a circuit element is a mathematical equation that describes the device operation, and is generally assessed by three criteria: whether it is sufficiently simple to be incorporated in circuit simulators, accurate to make the outcome of the simulators useful to circuit designers, and rigorous to capture physical phenomena occuring in the device. In this context, distinctive features of charge carrier injection and transport in organic semiconductors are incorporated in the models with a particular effort to maintain mathematical simplicity. The concomitant effect on the current-voltage characteristics of prototypical organic diodes and transistors are studied. Parameter extraction methods consistent to the models are presented which enable unambiguity determination of device parameters used for modeling device operation and assessing device performance and properties of organic thin-films and interfaces. The approaches encompass analytical developement of physical equations, two-dimensional numerical simulation based on finite-element method and experimental validation. The original and fully analytical compact models and parameter extraction methods provide fundamental understanding on how energetic disorder in an organic semiconductor thin-film, described by the Gaussian density of states, affects the observable current-voltage characteristics of the devices.Keywords : Organic electronics, device physics, analytical modeling, diodes, field-effect transistors, Gaussian density-of-states

Selon l’esprit de la “loi de Moore” utilisant des techniques innovantes telles que l’intégration 3D et de nouvelles architectures d’appareils, le marché a également évolué pour commencer à imposer des exigences spécifiques aux composants, comme des appareils à faible consommation et à faible fuite, requis par l’Internet des objets (IoT) applications et périphériques hautes performances demandés par les applications 5-G et les centres de données. Ainsi, le secteur des semi-conducteurs s’est peu à peu laissé guider par les avancées technologiques, mais aussi par les applications.La réduction de la tension d’alimentation est encore plus importante pour les applications à faible puissance, comme dans l’IoT, cela est limité par la variabilité du périphérique. L’abaissement de la tension d’alimentation implique une marge réduite pour que les concepteurs gèrent la variabilité du dispositif. Cela nécessite un accès à des outils améliorés permettant aux concepteurs de prévoir la variabilité des périphériques et d’évaluer son effet sur les performances des leur conception, ainsi que des innovations technologiques permettant de réduire la variabilité des périphériques.Cette thèse se concentre dans la première partie et examine comment la variabilité du dispositif peut être modélisée avec précision et comment sa prévision peut être incluse dans les modèles compacts utilisés par les concepteurs dans leurs simulations SPICE. La thèse analyse d’abord la variabilité du dispositif dans les transistors FD-SOI avancés à l’aide de mesures directes. À l’échelle spatiale, en fonction de la distance entre les deux dispositifs considérés, la variabilité peut être classée en unités de fabrication intra-matrice, inter-matrice, inter-tranche, inter-lot ou même entre différentes usines de fabrication. Par souci de simplicité, toute la variabilité d’une même matrice peut être regroupée en tant que variabilité locale, tandis que d’autres en tant que variabilité globale. Enfin, entre deux dispositifs arbitraires, il y aura des contributions de la variabilité locale et globale, auquel cas il est plus facile de l’appeler la variabilité totale. Des stratégies de mesure dédiées sont développées à l’aide de structures de test spécialisées pour évaluer directement la variabilité à différentes échelles spatiales à l’aide de caractérisations C-V et I-V. L’effet de la variabilité est d’abord analysé sur des facteurs de qualité (FOM) sélectionnés et des paramètres de procédés extraits des courbes C-V et I-V, pour lesquels des méthodologies d’extraction de paramètres sont développées ou des méthodes existantes améliorées. Cette analyse aide à identifier la distribution des paramétres et les corrélations possibles présentes entre les paramètres.Ensuite, nous analysons la variabilité dépendante de la polarisation dans les courbes I-V et C-V. Pour cela, une métrique universelle, qui fonctionne quelle que soit l’échelle spatiale de la variabilité, est definée sur la base de l’analyse des appariement précédemment rapportée pour la variabilité locale. Cette thèse étend également cette approche à la variabilité globale et totale. L’analyse de l’ensemble des courbes permet de ne pas manquer certaines informations critiques dans une plage de polarisation particulière, qui n’apparaissaient pas dans les FOM sélectionnés.Une approche de modélisation satistique est utilisée pour modéliser la variabilité observée et identifier les sources de variations, en termes de sensibilité à chaque source de variabilité, en utilisant un modèle physique compact comme Leti-UTSOI. Le modèle compact est d’abord étalonné sur les courbes C-V et I-V dans différentes conditions de polarisation et géométries. L’analyse des FOM et de leurs corrélations a permis d’identifier les dépendances manquantes dans le modèle compact. Celles-ci ont également été incluses en apportant de petites modifications au modèle compact. / The ``Moore's Law'' has defined the advancement of the semi-conductor industry for almost half a century. The device dimensions have reduced with each new technology node, and the design community and the market for the semiconductor have always followed this advancement of the industry and created applications which took better advantage of these new devices. But during the past decade, with the device dimensions approaching the fundamental limits imposed by the materials, the pace of this scaling down of device dimensions has decreased. While the technology struggled to keep alive the spirit of ``Moore's Law'' using innovative techniques like 3-D integration and new device architectures, the market also evolved to start making specific demands on the devices, like low power, low leakage devices demanded by Internet of Things (IoT) applications and high performance devices demanded by 5-G and data centre applications. So the semiconductor industry has slowly moved away from being driven by technology advancement, and rather it is now being driven by applications.Increasing power dissipation is an unavoidable outcome of the scaling process, while also targeting higher frequency applications. Historically, this issue has been handled by replacing the basic transistors (BJTs by MOSFETs), freezing the operation frequency in the system, lowering supply voltage, etc. The reduction of supply voltage is even more important for low power applications like in IoT, but this is limited by the device variability. Lowering the supply voltage implies reduced margin for the designers to handle the device variability. This calls for access to improved tools for the designers to predict the variability in the devices and evaluate its effect on the performance of their design and innovations in technology to reduce the variability in the devices. This thesis concentrates in the first part, and evaluates how the device variability can be accurately modelled and how its prediction can be included in the compact models used by the designers in their SPICE simulations.At first the thesis analyses the device variability in advanced FD-SOI transistors using direct measurements. In the spatial scale, depending on the distance between the two devices being considered, the variability can be classified into intra-die, inter-die, inter-wafer, inter-lot or even between different fabs. For the sake of simplicity all the variability within a single die can be grouped together as local variability, while others as global variability. Finally between two arbitrary device, there will be contributions from both local and global variability, in which case it is easier to term it as the total variability. Dedicated measurement strategies are developed using specialized test structures to directly evaluate the variability in different spatial scales using C-V and I-V characterisations. The effect of variability is first analysed on selected figure of merits (FOMs) and process parameters extracted from the C-V and I-V curves, for which parameter extraction methodologies are developed or existing methods are improved. This analysis helps identify the distribution of the parameters and the possible correlations present between the parameters.A very detailed analysis of the device variability in advanced FD-SOI transistors is undertaken in this thesis and a novel and unique characterisation and modelling methodology for the different types of variability is presented in great detail. The dominant sources of variability in the device behaviour, in terms of C-V and I-V and also in terms of parasitics (like gate leakage current) are identified and quantified. This work paves the way to a greater understanding of the device variability in FD-SOI transistors and can be easily adopted to improve the predictability of the commercial SPICE compact models for device variability.

Afin de permettre le développement de modèles manipulables par les concepteurs, il est nécessaire de pouvoir comprendre le fonctionnement des nanotubes, en particulier le transport des électrons et leurs propriétés électroniques. C’est dans ce contexte général que cette thèse s’intègre. Le travail a été mené sur quatre plans : développement de modèles permettant la description des phénomènes physiques importants au niveau des dispositifs, expertise sur le fonctionnement des nano-composants permettant de dégager les ordres de grandeurs pertinents pour les dispositifs, les contraintes, la pertinence de quelques procédés de fabrication (reproductibilité, taux de défauts, collection de caractéristiques mesurées et développement éventuel d'expériences spécifiques, expertise et conception des circuits innovatifs pour l’électronique numérique avec ces nano-composants. / This PhD work presents a computationally efficient physics-based compact model for the Schottky barrier (SB) carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET). This compact model includes a new analytical formulation of the channel charge, taking into account the influence of the source and drain SBs. Compact model simulation results (I–V characteristic and channel density of charge) as well as Monte Carlo simulation results, which are provided by a recent work, will be given and compared to each other and also to experimental data to validate the used approximations. Good agreement is observed over a large range of gate and drain biases. Furthermore, a scaling study is presented to examine the impact of technological parameters on the device figure of merit. Then, for the assessment of the SB on circuit performances, traditional logical circuits are designed using the SB-CNTFET compact model, and results are compared with a conventional CNTFET with zero-SB height. Finally, exploiting the particular properties of SB-CNTFETs, a three-valued static memory that is suitable for high density integration is presented.

Ces travaux de thèses présentent un protocole expérimental d’évaluation de la fiabilité des transistors bipolaire à double hétéro-jonction submicroniques sur substrat InP. Les mécanismes de défaillances observés ont été mis en évidence grâce à ce protocole qui présente trois étapes : activation, détection et localisation des mécanismes de défaillance. Les tests de vieillissement accéléré ont été réalisés sur les TBH de structure hexagonale avec une base en InGaAs ou en GaAsSb ainsi que les structures TLM. Grâce à l’analyse électrique via la modélisation compacte, nous établissons les premières hypothèses sur l’origine physique des mécanismes de dégradation. Pour les transistors avec une base InGaAs, par exemple, les mécanismes de défaillance mis en évidence sont localisés:- A la périphérie d’émetteur entrainant ainsi une augmentation du courant de base pour VBE<0,6 V pour les tests sous contrainte thermique ainsi que sous contraintes thermique et électrique.- A la jonction base-émetteur, provoquant l’augmentation du courant de base et de collecteur respectivement pour VBE>0,6 V et 0.2<VBE<0,8 V.- Au niveau du contact ohmique d’émetteur, entrainant une dégradation des courants pour VBE>0,8 V. Cette diminution du courant est plus visible sur le courant de collecteur.Ces hypothèses ont été validées avec l’analyse physique 2D avec le logiciel TCAD Sentaurus. Des signatures électriques similaires ont été observées dans la bibliographie par de plusieurs auteurs. / This work presents the implementation of an experimental procedure to evaluate the failure mechanisms of submicron Heterojunction Bipolar Transistor on InP substrate. This procedure presents 3 steps: activation, detection and localization of the failure mechanisms. The accelerated aging tests have been used to active the failure mechanisms on hexagonal shape HBTs with InGaAs or GaAsSb base together with TLM. Due to the electrical analysis through the compact modelling, we established the first hypothesis about the origin of the failure mechanisms. For example, on InGaAs HBT, the failure mechanisms observed are located:- At the emitter sidewall. This mechanism leads to the increase of the base current for VBE<0.6 V- At the base-emitter junction leading to the increase of base and collector current for VBE>0,6 V and 0.2<VBE<0,8 V respectively.- And the ohmic contact layer leading to the collector current decrease for VBE>0.8 V.These hypotheses were validated by 2D physical simulation using TCAD Sentaurus. The same electrical signatures of the failure mechanisms are observed in literature.

Cette thèse porte sur le thème général de la fiabilité des circuits microélectroniques. Le but de notre travail fut de développer un outil de simulation multi-physiques pour la conception des circuits intégrés fiables qui possède les caractéristiques innovatrices suivantes : • (i) L’intégration dans un environnement de conception microélectronique standard, tel que l’environnement Cadence® ; • (ii) La possibilité de simulation, sur de longues durées, du comportement des circuits CMOS analogiques en tenant compte du phénomène de vieillissement ; • (iii) La simulation de plusieurs physiques (électrique-thermique-mécanique) couplées dans ce même environnement de CAO en utilisant la méthode de simulation directe. Ce travail de thèse a été réalisé en passant par trois grandes étapes traduites par les trois parties de ce manuscrit. / This thesis was carried out under the theme of the microelectronics Integrated Circuits Reliability. The aim of our work was to develop a multi-physics simulation tool for the design of reliable integrated circuits. This tool has the following innovative features : • (i) The integration in a standard microelectronics design environment, such as the Cadence® environment ;• (ii) The possibility of efficient simulation, over long periods, of analog CMOS circuits taking into account the aging henomenon ; • (iii) The simulation of multiple physical behaviours of ICs (electrical-thermalmechanical) coupled in the same environment using the direct simulation method. This work was carried out through three main stages detailed in the three parts of this Manuscript.

Silicon Carbide (SiC), owing to its large bandgap, has proved itself to be a very viable semiconductor material for the development of extreme temperature electronics. Moreover, its electrical properties like critical field (Ecrit) and saturation velocity (vsat) are superior as compared to the commercially abundant Silicon, thus making it a better alternative for RF and high power applications. The in-house SiC BJT process at KTH has matured a lot over the years and recently developed devices and circuits have shown to work at temperatures exceeding 500˚C. However, the functional reliability of more complex circuits requires the use of simulators and device models to describe the behavior of constituent devices. SPICE Gummel Poon (SGP) is one such model that describes the behavior of the BJT devices. It is simpler as compared to the other models because of its relatively small number of parameters. A simple semi-empirical DC compact model has been successfully developed for low voltage applications SiC BJTs. The model is based on a temperature dependent SiC-SGP model. Studies over the temperature dependences for the SGP parameters have been performed. The SGP parameters have been extracted and some have been optimized over a wide temperature range and they have been compared with the measured data. The accuracy of the developed compact model based on these parameters has been proven by comparing it with the measured data as well. A fairly accurate performance at the required working conditions and correlation with the measured results of the SiC compact model has been achieved.