Les matériaux thermoélectriques permettent de convertir de l'énergie thermique en énergie électrique. Leur rendement de conversion trop faible limite cependant leur utilisation à grande échelle. Plusieurs voies d'optimisation sont utilisés afin d'augmenter les rendements de conversion en diminuant la conductivité thermique. Dans cette thèse, nous modélisons les propriétés de transport thermique des matériaux half-Heusler parfaits et dopés qui présentent des propriétés thermoélectriques intéressantes. La méthode repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les propriétés harmoniques et anharmoniques des composés parfaits et déterminer les temps de vie des phonons. Ensuite, ces derniers sont utilisés pour écrire une équation de transport de Boltzmann pour la densité de phonons dont la résolution donne accès à la conductivité thermique. L'inclusion de défauts ponctuels a pour objectif de réduire la conductivité thermique par diffusion des phonons. Pour modéliser leur effet dans un régime de forte concentration une méthode champ moyen a été développée et appliquée aux half-Heusler. Pour traiter le régime dilué, une méthode faisant appel aux fonctions de Green a été utilisée. Ces deux méthodes montrent que des réductions significatives de conductivité thermique des composés NiTiSn, NiZrSn et NiHfSn sont déjà obtenues pour des concentrations de 10 % en dopants. / Thermoelectric materials provide a way to convert thermal energy into electrical energy. Nonetheless, their low efficiency is the main obstacle for global scale applications. Experimentally, specific treatments can lead to great improvement in the efficiency, mainly by lowering the thermal conductivity. This thesis is aimed at calculating from first principles, the thermal transport properties in perfect and doped half-Heusler thermoelectric materials. We begin with a theoretical analysis of the harmonic and anharmonic properties of phonons for perfect phases.The density functional theory is used to deduce the phonons lifetime from phonon-phonon interactions. The lifetimes are integrated into the Boltzmann transport equation for the phonon density, which solution allows us to compute fully ab initio the lattice thermal conductivity. The purpose of point defects is to scatter the phonons and thus reduce thermal conductivity. We developed two methods to account for the defects on thermal transport. The first one, based on a mean field approach, is suitable for the high concentration regimes. The second one in the framework of Green functions theory is used for dilute regimes. Both methods consistently show that the main reduction of thermal conductivity is already obtained within around 10 % of solute elements in NiTiSn, NiZrSn and NiHfSn.

Le développement de la technologie des composants CMOS ultimes à grille ultra-courte (L < 20 nm) se heurte à de nombreuses difficultés technologiques, mais également à des limites thermiques qui perturbent notablement les règles de mise à l'échelle communément employées jusqu'à présent. Les fortes densités de courant obtenues dans des zones actives aussi réduites génèrent un important échauffement local (par effet Joule), lié à l'émission de phonons par les porteurs chauds, qui peut conduire à des réductions très sensibles des performances, voire à des défaillances. Ce phénomène est identifié comme un des plus critiques pour la poursuite de l'augmentation de la densité d'intégration des circuits. Cela est particulièrement crucial dans les technologies SOI (silicium sur isolant), où la présence de l'isolant enterré constitue un frein à l'évacuation de la chaleur. À l'échelle nanométrique, l'étude théorique de ces phénomènes d'échauffement n'est plus possible par des modèles macroscopiques (coefficient de diffusion de la chaleur) mais nécessite une description microscopique détaillée des transferts de chaleur qui sont localement hors d’équilibre. Il s'agit donc de modéliser de façon appropriée, non seulement le transport électronique et la génération de phonons, mais aussi le transport de phonons hors équilibre et les interactions phonons-phonons et électrons-phonons.Le formalisme de l’équation de transport de Boltzmann (BTE) est très bien adapté à l'étude de ce problème. En effet, il est largement utilisé depuis des années pour l'étude du transport des particules chargées dans les composants semi-conducteurs. Ce formalisme est beaucoup moins standard pour étudier le transport des phonons. Une des problématiques de ce travail concerne le couplage de la résolution de la BTE des phonons avec celle des électrons.Ce travail de thèse a développé un algorithme de calcul du transport de phonons par résolution directe de la BTE des phonons. Cet algorithme de transport de phonon a été couplé au transport électronique simulé grâce au logiciel "MONACO" basé sur une résolution statistique (ou Monte Carlo) de la BTE. Finalement, ce nouveau simulateur électrothermique a été utilisé pour étudier les effets d’auto échauffement dans des nano-transistors. L’intérêt principal de ces travaux est de permettre une analyse du transport electro-thermique au-delà d’une approche macroscopique (respectivement formalisme de Fourier pour la thermique et dérive-diffusion pour le courant). En effet, il donne accès aux distributions de phonons dans le dispositif et pour chaque mode de phonon. En particulier, ce simulateur apporte une meilleure compréhension des effets des électrons chauds sur les points chauds et leur relaxation dans les accès. / The ultra-short gate (LG < 20 nm) CMOS components (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) face thermal limitations due to significant local heating induced by phonon emission by hot carriers in active regions of reduced size. This phenomenon, called self-heating effect, is identified as one of the most critical for the continuous increase in the integration density of circuits. This is especially crucial in SOI technology (silicon on insulator), where the presence of the buried insulator hinders the dissipation of heat.At the nanoscale, the theoretical study of these heating phenomena, which cannot be led using the macroscopic models (heat diffusion coefficient), requires a detailed microscopic description of heat transfers that are locally non-equilibrium. It is therefore appropriate to model, not only the electron transport and the phonon generation, but also the phonon transport and the phonon-phonon and electron-phonon interactions. The formalism of the Boltzmann transport equation (BTE) is very suitable to study this problem. In fact, it is widely used for years to study the transport of charged particles in semiconductor components. This formalism is much less standard to study the transport of phonons. One of the problems of this work concerns the coupling of the phonon BTE with the electron transport.In this context, wse have developed an algorithm to calculate the transport of phonons by the direct solution of the phonon BTE. This algorithm of phonon transport was coupled with the electron transport simulated by the simulator "MONACO" based on a statistical (Monte Carlo) solution of the BTE. Finally, this new electro-thermal simulator was used to study the self-heating effects in nano-transistors. The main interest of this work is to provide an analysis of electro-thermal transport beyond a macroscopic approach (Fourier formalism for thermal transport and the drift-diffusion approach for electric current, respectively). Indeed, it provides access to the distributions of phonons in the device for each phonon mode. In particular, the simulator provides a better understanding of the hot electron effects at the hot spots and of the electron relaxation in the access.

Le progrès de l'industrie des circuits intégrés, durant ces dernières années, a été poussé par une miniaturisation continue des transistors. Avec la réduction des composants à des dimensions de 0.1 micron et moins, de nouveaux effets physiques entrent en jeu que les simulateurs standard en deux dimensions (2D) ne considèrent pas. En fait la troisième dimension entre en jeu car les dimensions transversales et longitudinales des composants sont du même ordre de grandeur. Pour décrire le fonctionnement de tels composants avec plus de fidélité, il faut donc affiner les outils de simulation et les adapter afin de prendre en compte ces phénomènes. Le cadre général de ce travail s'inscrit dans cette optique. Au cours de cette thèse, on a élaboré deux simulateurs distincts pour étudier les composants submicroniques. Ces deux outils ont été développés dans un environnement à éléments finis, en combinant l'équation de transport de Boltzmann avec l'équation de Poisson dans une résolution tridimensionnelle (3D) et autonome. Nos travaux ont été réalisés sur FLUX3D© (logiciel développé au LEG pour la simulation 3D des dispositifs électromagnétiques par éléments finis). * Le 1 er simulateur est basé sur une approche déterministe par le modèle de dérive diffusion. * Le 2e simulateur est basé sur une approche stochastique consistant en la simulation dynamique des particules par la méthode de Monte-Carlo. Ces deux outils constituent une contribution importante à la modélisation des composants, et peuvent être utiles même hors du contexte des petits composants. Éventuellement, ils peuvent êtres unis dans un simulateur hybride combinant les modèles de Monte-Carlo et de dérive diffusion. L'aspect novateur de ce projet réside dans le fait que les nombreux travaux antérieurs qui utilisent la technique de Monte-Carlo se basent sur la méthode des différences finies le plus souvent en 2D seulement. Jusqu'à présent, une approche 3D par éléments finis de ces questions n'a jamais été employée, à notre connaissance.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un 'solveur' Monte Carlo dédié à la résolution de l'ETB des phonons dans l'espace réciproque, prenant en compte tous les processus d'interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d'interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l'approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu'un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d'interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l'ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l'InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l'un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l'autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d'étudier l'effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l'approximation de temps de relaxation surestime souvent l'effet bottleneck des phonons. Le 'solveur' Monte Carlo est étendu pour résoudre l'ETB des phonons dans l'espace réel (en plus de l'espace réciproque), cela a permet d'étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L'effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l'effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d'une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l'équation analytique de conduction de la chaleur.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l’équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un ‘solveur’ Monte Carlo dédié à la résolution de l’ETB des phonons dans l’espace réciproque, prenant en compte tous les processus d’interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d’interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l’approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu’un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d’interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l’ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l’InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l’un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l’autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d’étudier l’effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l’approximation de temps de relaxation surestime souvent l’effet bottleneck des phonons. Le ‘solveur’ Monte Carlo est étendu pour résoudre l’ETB des phonons dans l’espace réel (en plus de l’espace réciproque), cela a permet d’étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L’effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l’effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d’une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l’équation analytique de conduction de la chaleur. / This work is dedicated to the study of phonon transport and dynamics via the solution of Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons. The Monte Carlo stochastic method is used to solve the phonon BTE. A solution scheme taking into account all the different individual types of Normal and Umklapp processes which respect energy and momentum conservation rules is presented. The use of the common relaxation time approximation is thus avoided. A generalized Ridley theoretical scheme is used instead to calculate three-phonon scattering rates, with the Grüneisen constant as the only adjustable parameter. A method for deriving adequate adjustable anharmonic coupling coefficients is presented. Polarization branches with real nonlinear dispersion relations for transverse or longitudinal optical and acoustic phonons are considered. Zone-center longitudinal optical (LO) phonon lifetimes are extracted from the MC simulations for GaAs, InP, InAs, and GaSb. Decay channels contributions to zone-center LO phonon lifetimes are investigated using the calculated scattering rates. Vallée-Bogani’s channel is found to have a negligible contribution in all studied materials, notably GaAs. A comparison of phonons behavior between the different materials indicates that the previously reported LO phonon lifetimes in InAs and GaSb were quite underestimated in the literature. For the first time, to our knowledge, a coupling of two independent Monte Carlo solvers, one for charge carriers [PhD manuscript, E. TEA], and one for phonons, is undertaken. Hot phonon effect on charge carrier dynamics is studied. It is shown that the relaxation time approximation overestimates the phonon bottleneck effect. The phonon MC solver is extended to solve the phonon’s BTE in real space simultaneously with the reciprocal space, to study phonon and heat transport. Ridley’s generalized theoretical scheme is utilized again with simulation particles interacting directly together. Energy and momentum conservation laws are rigorously implemented. Umklapp processes effect on the total phonon momentum is thoroughly reproduced, as for the anharmonic interactions effect on resulting phonon directions. This is thanks to a procedure taking in consideration the respective vector directions during an interaction, instead of the randomization procedure usually used in literature. Our preliminary results show the limit of the analytic macroscopic heat conduction equation.

Les procédés bipolaires semi-conducteurs complémentaires à oxyde de métal (BiCMOS) peuvent être considérés comme étant la solution la plus généralepour les produits RF car ils combinent la fabrication sophistiquée du CMOSavec la vitesse et les capacités de conduction des transistors bipolaires silicium germanium(SiGe) à hétérojonction (HBT). Les HBTs, réciproquement, sontles principaux concurrents pour combler partiellement l'écart de térahertzqui décrit la plage dans laquelle les fréquences générées par les transistors etles lasers ne se chevauchent pas (environ 0.3 THz à 30 THz). A_n d'évaluerles capacités de ces dispositifs futurs, une méthodologie de prévision fiable estsouhaitable. L'utilisation d'un ensemble hétérogène d'outils et de méthodes desimulations permet d'atteindre successivement cet objectif et est avantageusepour la résolution des problèmes. Plusieurs domaines scientifiques sont combinés, tel que la technologie de conception assistée par ordinateur (TCAO),la modélisation compacte et l'extraction des paramètres.Afin de créer une base pour l'environnement de simulation et d'améliorerla confirmabilité pour les lecteurs, les modèles de matériaux utilisés pour lesapproches hydrodynamiques et de diffusion par conduction sont introduits dèsle début de la thèse. Les modèles physiques sont principalement fondés surdes données de la littérature basées sur simulations Monte Carlo (MC) ou dessimulations déterministes de l'équation de transport de Boltzmann (BTE).Néanmoins, le module de TCAO doit être aussi étalonné sur les données demesure pour une prévision fiable des performances des HBTs. L'approchecorrespondante d'étalonnage est basée sur les mesures d'une technologie depointe de HBT SiGe pour laquelle un ensemble de paramètres spécifiques àla technologie du modèle compact HICUM/L2 est extrait pour les versionsdu transistor à haute vitesse, moyenne et haute tension. En s'aidant de cesrésultats, les caractéristiques du transistor unidimensionnel qui sont généréesservent de référence pour le profil de dopage et l'étalonnage du modèle. Enélaborant des comparaisons entre les données de références basées sur les mesureset les simulations, la thèse fait progresser l'état actuel des prévisionsbasées sur la technologie CAO et démontre la faisabilité de l'approche.Enfin, une technologie future de 28nm performante est prédite en appliquantla méthodologie hétérogène. Sur la base des résultats de TCAO, leslimites de la technologie sont soulignées. / Bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) processescan be considered as the most general solution for RF products, as theycombine the mature manufacturing tools of CMOS with the speed and drivecapabilities of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors(HBTs). HBTs in turn are major contenders for partially filling the terahertzgap, which describes the range in which the frequencies generated bytransistors and lasers do not overlap (approximately 0.3THz to 30 THz). Toevaluate the capabilities of such future devices, a reliable prediction methodologyis desirable. Using a heterogeneous set of simulation tools and approachesallows to achieve this goal successively and is beneficial for troubleshooting.Various scientific fields are combined, such as technology computer-aided design(TCAD), compact modeling and parameter extraction.To create a foundation for the simulation environment and to ensure reproducibility,the used material models of the hydrodynamic and drift-diffusionapproaches are introduced in the beginning of this thesis. The physical modelsare mainly based on literature data of Monte Carlo (MC) or deterministicsimulations of the Boltzmann transport equation (BTE). However, the TCADdeck must be calibrated on measurement data too for a reliable performanceprediction of HBTs. The corresponding calibration approach is based onmeasurements of an advanced SiGe HBT technology for which a technology specific parameter set of the HICUM/L2 compact model is extracted for thehigh-speed, medium-voltage and high-voltage transistor versions. With thehelp of the results, one-dimensional transistor characteristics are generatedthat serve as reference for the doping profile and model calibration. By performingelaborate comparisons between measurement-based reference dataand simulations, the thesis advances the state-of-the-art of TCAD-based predictionsand proofs the feasibility of the approach.Finally, the performance of a future technology in 28nm is predicted byapplying the heterogeneous methodology. On the basis of the TCAD results,bottlenecks of the technology are identified. / Bipolare komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Prozesse bietenhervorragende Rahmenbedingungen um Hochfrequenzanwendungen zurealisieren, da sie die fortschrittliche Fertigungstechnik von CMOS mit derGeschwindigkeit und Treiberleistung von Silizium-Germanium (SiGe) Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) verknüpfen. Zudem sind HBTs bedeutendeWettbewerber für die teilweise Überbrückung der Terahertz-Lücke, derFrequenzbereich zwischen Transistoren (< 0.3 THz) und Lasern (> 30 THz).Um die Leistungsfähigkeit solcher zukünftigen Bauelemente zu bewerten, isteine zuverlässige Methodologie zur Vorhersage notwendig. Die Verwendungeiner heterogenen Zusammenstellung von Simulationstools und Lösungsansätzenerlaubt es dieses Ziel schrittweise zu erreichen und erleichtert die Fehler-_ndung. Verschiedene wissenschaftliche Bereiche werden kombiniert, wie zumBeispiel der rechnergestützte Entwurf für Technologie (TCAD), die Kompaktmodellierungund Parameterextraktion.Die verwendeten Modelle des hydrodynamischen Simulationsansatzes werdenzu Beginn der Arbeit vorgestellt, um die Simulationseinstellung zu erläuternund somit die Nachvollziehbarkeit für den Leser zu verbessern. Die physikalischenModelle basieren hauptsächlich auf Literaturdaten von Monte Carlo(MC) oder deterministischen Simulationen der Boltzmann-Transportgleichung(BTE). Für eine zuverlässige Vorhersage der Eigenschaften von HBTs muss dieTCAD Kon_guration jedoch zusätzlich auf der Grundlage von Messdaten kalibriertwerden. Der zugehörige Ansatz zur Kalibrierung beruht auf Messungeneiner fortschrittlichen SiGe HBT Technologie, für welche ein technologiespezifischer HICUM/L2 Parametersatz für die high-speed, medium-voltage undhigh-voltage Transistoren extrahiert wird. Mit diesen Ergebnissen werden eindimensionaleTransistorcharakteristiken generiert, die als Referenzdaten fürdie Kalibrierung von Dotierungspro_len und physikalischer Modelle genutztwerden. Der ausführliche Vergleich dieser Referenz- und Messdaten mit Simulationengeht über den Stand der Technik TCAD-basierender Vorhersagenhinaus und weist die Machbarkeit des heterogenen Ansatzes nach.Schlieÿlich wird die Leistungsfähigkeit einer zukünftigen Technologie in28nm unter Anwendung der heterogenen Methodik vorhergesagt. Anhand derTCAD Ergebnisse wird auf Engpässe der Technologie hingewiesen.