L'introduction du transistor à un électron (SET) a secoué l'industrie des semi-conducteurs, avec des promesses d'efficacité inégalée. Cependant, le coût et la complexité associés à la réalisation d'un fonctionnement stable ont fortement entravé leur adoption. Après être tombé en dehors des grâces de l'industrie, la recherche universitaire a continué à pousser, démontrant des techniques novatrices pour la création de SET. Au cœur de ce problème de stabilité, il y a le besoin de construire de manière contrôlable des nanoislands de moins de 10 nm. Parmi les méthodes disponibles pour cette formation nanoisland, le dépôt de couche atomique (ALD) se distingue comme un processus hautement contrôlable industriellement. La deuxième barrière à l'entrée est la création d'électrodes nanogap, utilisées pour injecter du courant à travers ces nanoislands, pour lesquelles les chercheurs se sont largement appuyés sur des techniques de fabrication non évolutives comme la lithographie par faisceau d'électrons et le faisceau ionique focalisé. La technique d'évaporation de bord d'ombre surmonte les problèmes de complexité et d'échelle de la fabrication de nanogap, ouvrant de nouvelles possibilités. Dans ce travail, ALD sera démontré comme une superbe technique pour la culture de vastes réseaux 3D de nanoparticules de platine sous 2nm encapsulées dans Al2O3. ALD a fourni un moyen de faire croître ces matrices de nanoparticules en un seul processus, sous vide et à basse température. Grâce à l'évaporation du bord d'ombre, la lithographie UV a ensuite été utilisée pour former des électrodes nanogap avec des largeurs latérales élevées (100μm), avec des écarts démontrés au-dessous de 7 nm. La combinaison de ces techniques aboutit à un procédé de fabrication à haut rendement et à faible besoin pour la construction de SET complets. A partir des transistors résultants, de fines lamelles ont été préparées à l'aide de FIB et des modèles 3D ont été reconstruits par tomographie TEM pour analyse. La caractérisation électrique a été effectuée jusqu'à 77K, avec une modélisation révélant le transport de Poole-Frenkel en parallèle à un éventuel cotunneling. Des blocus de Coulomb stables, la signature des SET, ont été observés avec une périodicité régulière et étaient identifiables jusqu'à 170K. L'optimisation de ce processus pourrait produire des SETs de surface élevée capables de fonctionner de manière stable à température ambiante. / The introduction of the single electron transistor (SET) shook the semiconductor industry, with promises of unrivaled efficiency. However, the cost and complexity associated with achieving stable operation have heavily hindered their adoption. Having fallen out of the graces of industry, academic research has continued to push, demonstrating novel techniques for SET creation. At the core of this stability issue is a need to controllably build nanoislands smaller than 10nm. Among the methods available for this nanoisland formation, atomic layer deposition (ALD) sets itself apart as an industrially scalable, highly controllable process. The second barrier to entry is the creation of nanogap electrodes, used to inject current through these nanoislands, for which researchers have leaned heavily on non-scalable fabrication techniques such as electron beam lithography and focused ion beam. The shadow edge evaporation technique overcomes the complexity and scaling issues of nanogap fabrication, opening new possibilities. In this work, ALD will be demonstrated as a superb technique for growing vast 3D arrays of sub 2nm platinum nanoparticles encapsulated in Al2O3. ALD provided a means of growing these nanoparticle matrices in a single process, under vacuum, and at low temperatures. Through shadow edge evaporation, UV lithography was then utilized to form nanogap electrodes with high lateral widths (100µm), with gaps demonstrated below 7nm. The combination of these techniques results in a high yield, low requirement fabrication process for building full SETs. From the resulting transistors, thin lamellas were prepared using FIB and 3D models were reconstructed via TEM tomography for analysis. Electrical characterization was performed down to 77K, with modeling revealing Poole-Frenkel transport alongside possible cotunneling. Stable Coulomb blockades, the signature of SETs, were observed with regular periodicity and were identifiable up to 170K. Optimization of this process could yield high surface area SETs capable of stable operation at room temperature.

Although scalingof CMOS technology has been predicted to continue for another decade, novel technological solutions are required to overcome the fundamental limitations of the decananometer MOS transistors. Single Electron Transistor (SET) has attracted attention mainly because of its unique Coulomb blockade oscillations characteristics, ultra low power dissipation and nanoscale feature size. Despite the high potential, due to some intrinsic limitations (e.g., very low current drive) it will be very difficult for SET to compete head-to-head with CMOS’s large-scale infrastructure, proven design methodologies, and economic predictability. Nevertheless, the characteristics of SET and MOS transistors are quite complementary. SET advocates low-power consumption and new functionality (related to the Coulomb blockade oscillations), while CMOS has advantages like high-speed driving and voltage gain that can compensate the intrinsic drawbacks of SET. Therefore, although a complete replacement of CMOS by single-electronics is unlikely in the near future, it is also true that combining SET and CMOS one can bring out new functionalities, which are unmirrored in pure CMOS technology. As the hybridization of CMOSand SET is gaining popularity, silicon SETs are appearing to be more promising than metallic SETs for their possible integration with CMOS. SETs are normally studied on the basis of the classical Orthodox Theory, where quantization of energy states in the island is completely ignored. Though this assumption greatly simplifies the physics involved, it is valid only when the SET is made of metallic island. As one cannot neglect the quantization of energy states in a semi conductive island, it is extremely important to study the effects of energy quantization on hybrid CMOSSET integrated circuits. The main objectives of this thesis are: (1) understand energy quantization effects on SET by numerical simulations; (2) develop simple analytical models that can capture the energy quantization effects; (3)analyze the effects of energy quantization on SET logic inverter, and finally; (4)developa CAD framework for CMOS-SETco-simulation and to study the effects of energy quantization on hybrid circuits using that framework. In this work the widely accepted SIMON Monte Carlo (MC) simulator for single electron devices and circuits is used to study the effects of energy quantization. So far SIMON has been used to study SETs having metallic island. In this work, for the first time, we have shown how one can use SIMON to analyze SET island properties having discrete energy states.It is shown that energy quantization mainly changes the Coulomb Blockade region and drain current of SET devices and thus affects the noise margin, power dissipation, and the propagation delay of SET logic inverter. Anew model for the noise margin of SET inverter is proposed, which includes the energy quantization term. Using the noise margin as a metric, the robustness of SET inverter is studied against the effects of energy quantization. An analytical expression is developed, which explicitly defines the maximum energy quantization (termedas “Quantization Threshold”)that an SET inverter logic circuit can withstand before its noise margin upper bound crosses the acceptable tolerance limit. It is found that SET inverter designed with CT : CG =0.366 (where CT and CG are tunnel junction and gate capacitances respectively) offers maximum robustness against energy quantization. Then the effects of energy quantization are studied for Current biased SET (CBS), which is an integral part of almost all hybrid CMOS-SET circuits. It is demonstrated that energy quantization has no impact on the gain of the CBS characteristics though it changes the output voltage levels and oscillation periodicity. The effects of energy quantization are further studied for two circuits: Negative Differential Resistance (NDR) and Neurone Cell, which use CBS. A new model for the conductance of NDR characteristics is also formulated that includes the energy quantization term. A novel CAD framework is then developed for CMOS-SET co-simulation, whichuses MCsimulator for SET devices alongwithconventional SPICE. Using this framework, the effects of energy quantization are studied for some hybrid circuits, namely, SETMOS, multiband voltage filter, and multiple valued logic circuits. It is found that energy quantization degrades the performance of hybrid circuit, which could be compensated by properly tuning the bias current of SET devices. Though this study is primarily done by exhaustive MC simulation, effort has also been put to develop first order compact model for SET that includes energy quantization effects. Finally it has been demonstrated that the SET behavior under energy quantization can be predicted byslightlymodifyingthe existing SETcompact models that are valid for metallic devices having continuous energy states.

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.

Cette étude porte sur l’intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d’économies d’énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d’intégration. Cette thèse se propose d’employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l’oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc. / This study deals with the hybrid integration of Single Electron Transistors (SET) on a CMOS technology node. SET devices present high potentiels, particularly in terms of energy efficiency, but can't completely replace CMOS in electrical circuits. However, SETs and CMOS devices combination can solve this issue, opening the way toward very low operating power circuits, and high integration density. This thesis proposes itself to use for Back-End-Of-Line (BEOL) SETs realization, meaning in the oxide encapsulating CMOS, the nanodamascene fabrication process devised by C. Dubuc.

Les systèmes mobiles intelligents sont déjà dotés de plusieurs composants de type capteur comme les accéléromètres, les thermomètres et les détecteurs infrarouge. Cependant, jusqu’à aujourd’hui l’intégration de capteurs chimiques dans des systèmes compacts sur puce reste limitée pour des raisons de consommation d’énergie et dissipation de chaleur principalement. Le travail présenté dans cette thèse fut donc concentrée sur la démonstration de l’intégration 3D monolithique de SETs sur un substrat de technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour la réalisation de la fonction capteurs de gaz très sensible et ultra basse consommation d’énergie. L’approche proposée consiste à l’intégration de SETs métalliques à double grilles dans l'unité de fabrication finale BEOL (Back-End-Of-Line) d'une technologie CMOS à l’aide du procédé nanodamascene. L'objectif principal de cette thèse de doctorat peut être divisé en 4 parties : (1) la modélisation et simulation de la réponse d’capteur de gaz à base de SET à double grilles ou d’un MOSFET FD-SOI, et l’estimation de la sensitivité ainsi que la puissance consommée; (2) la caractérisation de la sensitivité du Pt comme couche sensible pour la détection du H2 par la technique de mesure de charge de surface, et le développement du procédé de texturation de surface de la grille fonctionnalisée avec les réseaux de nanotubes de carbone; (3) le développement et l’optimisation du procédé de fabrication des SETs à double grilles dans l’entité BEOL d’un substrat CMOS; et (4) la fonctionnalisation d’un MOSFET FD-SOI avec du Pt pour réalise la fonction de capteur de H2. / The need of integration of new functionalities on mobile and autonomous electronic systems has to take into account all the problematic of heterogeneity together with energy consumption and thermal power dissipation. Therefore, the work presented in this thesis is focussed on the proof of concept of 3D monolithical integration of SETs on CMOS technology for high sensitivity and ultra-low power gas sensing functionality. The proposed approach is to integrate metallic double gate-single electron transistors (DG-SETs) in the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS circuits (within the CMOS interconnect layers) using the nanodamascene process. The main objective of this Ph.D. thesis can be divided into 4 parts: (1) modelling and simulation of a DG-SET and an FD-SOI MOSFET based gas sensor response, and estimation of the sensitivity as well as the power consumption; (2) investigation of Pt sensitivity to hydrogen by surface charge measurement technique and development of the sensing electrode surface texturing process with CNT networks; (3) development and optimization of DG-SET integration process in the BEOL of a CMOS substrate, and (4) FD-SOI MOSFET functionalization with Pt for H2 sensing.