La demande d’objets connectés dans notre société est très importante, au vu du marché florissant des smartphones. Ces nouveaux objets technologiques ont pour avantage de regrouper plusieurs fonctions en un seul objet ultra compact. Cette diversité est possible grâce à l’avènement des systèmes-sur-puce (SoC, System-on-Chip) et à la miniaturisation extrême des composants. Les SoC s’intègrent dans l’approche « More than Moore » et demande une superficie importante des puces. Celle-ci peut-être réduite par l’utilisation d’une autre approche appelée « More Moore » qui fut largement utilisée ces dernières années pour miniaturiser la taille des transistors. Cependant cette approche tend vers ses limites physiques puisque la réduction drastique de la taille des MOSFETs (« Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor ») ne pourra pas être poursuivie à long terme. En outre, les transistors de taille réduite présentent des effets parasites, liés aux effets de canaux courts et à une mauvaise dissipation de la chaleur dégagée lors du fonctionnement des MOSFETs miniaturisés. Les effets de canaux courts peuvent-être minimisés grâce à de nouvelles architectures, telles que l’utilisation de nanofils, qui permettent d’obtenir une grille totalement enrobante du canal. Mais le problème de la puissance de consommation reste un frein pour le passage au prochain nœud technologique et pour l’augmentation des fonctions dans les appareils nomades. En effet, la puissance de consommation des MOSFETs ne fait qu’augmenter à chaque nouvelle génération, ce qui est en partie dû à l’accroissement des pertes énergétiques induites par la puissance statique de ces transistors. Pour diminuer celle-ci, la communauté scientifique a proposée plusieurs solutions, dont une des plus prometteuses est le transistor à effet tunnel (TFET). Car ce dispositif est peu sensible aux effets de canaux courts, et il peut fonctionner à de faibles tensions de drain et avoir un inverse de pente sous le seuil inférieur à 60mV/dec. L’objectif de la thèse est donc de fabriquer et de caractériser des transistors à effet tunnel à base de nanofil unique en silicium et silicium germanium. Nous présenterons la croissance et l’intégration des nanofils p-i-n en TFET. Puis nous avons étudié l’influence de certains paramètres sur les performances de ces transistors, et en particulier, l’effet du niveau de dopage de la source et du contrôle électrostatique de la grille sera discuté. Ensuite, l’augmentation des performances des TFETs sera montrée grâce à l’utilisation de semiconducteur à petit gap. En effet, nous insérons du germanium dans la matrice de silicium pour en diminuer le gap et garder un matériau compatible avec les techniques de fabrication de l’industrie de la microélectronique. Un modèle de simulation du courant tunnel bande à bande a été réalisé, se basant sur le modèle de Klaassen. Les mesures électriques des dispositifs seront comparées aux résultats obtenus par la simulation, afin d’extraire le paramètre B de la transition tunnel pour chacun des matériaux utilisés. Enfin nous présenterons les améliorations possibles des performances par une intégration verticale des nanofils. / The connected objects demand in our society is very important , given the successfull smartphone market. These newtechnological objects have the advantage to combine several functions in one ultra compact object. This diversity is possibledue to the advent of system-on-chip (SoC) and the components scaling down. The SoCs are into the More than Mooreapproach and require a large chips area, which can be reduced by the use of "More Moore" approach which was widelyused in recent years to scale down the transistors. However, this approach tends to physical limitations since the drasticscaling down of the MOSFETs ("Metal Oxide Field Efect Transistor Semicondutor") can not be continued in the future. Inaddition, the nanoŰMOSFET have parasitic efects, related to short-channel efects and a low heating dissipation. Theshort channel efects can be minimized thanks to new architectures, such as the use of nanowires, which enable a gate allaround of the channel. But the power consumption problem still drag on the transition to the next technology node and theaddition of new functions in mobile devices. Indeed, the MOSFETŠs consumed power increases with each new generation,which is mainly due to the static power increase of these transistors. To reduce it, the scientiĄc community has proposedseveral solutions, and one of the most promising is a tunnel efect transistor (TFET). Because this device exhibit lessshort-channel efects compared to the conventional MOSFET, it can operate at low drain voltages and their subthresholdslope could be lower than 60 mV/dec. The thesis aims are to fabricate and characterize tunneling transistors based onsingle silicon nanowire and silicon germanium. We will present the growth and integration of pŰiŰn nanowires TFET. Thenwe investigated the inĆuence of some parameters on the electrical performance of these transistors, in particular, the efectof the source doping level and the electrostatic gate control will be discussed. In the next part, the increase of TFETsperformance will be shown thanks to the small band-gap semiconductor use. Indeed, we insert germanium in the silicon dieto reduce the bandgap and keep a material compatible with the CMOS manufacturing. A band to band tunneling modelwas used to calculate the device current, based on the model Klaassen. Electrical measurements will be compared to thesimulated results, in order to extract the B parameter of tunnel transition for each materials used. Finally we will presentthe possible performance improvements thanks to the vertical nanowires integration.

There are many semiconductors with nominally superior electronic properties compared to silicon. However, silicon became the material of choice for MOSFETs due to its robust native oxide. With Moore's observation as a guiding principle, the semiconductor industry has come a long way in scaling the silicon MOSFETs to smaller dimensions every generation with engineering ingenuity and technological innovation. As per the 2012 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), the MOSFET is expected to be scaled to near 6 nm gate length by 2025. However, materials, design and fabrication capabilities aside, basic physical considerations such as source to drain quantum mechanical tunneling, channel to gate tunneling, and thermionic emission over the channel barrier suggest an end to the roadmap for CMOS is on the horizon. The semiconductor industry is already aggressively looking for the next switch which can replace the silicon FET in the long term. My Ph.D. research is part of the quest for the next switch. The promises of process compatibility with existing CMOS technologies, fast carriers with high mobilities, and symmetric conduction and valence bands have led to graphene being considered as a possible alternative to silicon. This work looks at three devices based on graphene using first principles atomistic transport simulations and compact models capturing essential physics: the large-area graphene RF FET, the Bilayer pseudoSpin FET, and the double electron layer resonant tunneling transistor. The characteristics and performance of each device is explored with a combination of SPICE simulations and atomistic quasi static transport simulations. The BiSFET device was found to be a promising alternative to CMOS due to extremely low power dissipation. Finally, I have presented formalism for efficient simulation of time dependent transport in graphene for beyond quasi static performance analysis of the graphene based devices explored in this work. / text

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Dans les dernières années, beaucoup de travail a été consacré par l’industrie électronique pour réduire la consommation d’énergie des composants micro-électroniques qui représente un fardeau important dans la spécification des nouveaux systèmes.Afin de réduire la consommation d’énergie, nombreuses stratégies peuvent être adoptées au niveau des systèmes micro-électroniques et des simples dispositifs nano-électroniques. Récemmentle Transistor Tunnel `a effet de champ (Tunnel-FET) s’est imposé comme un candidat possible pour remplacer les dispositifs MOSFET conventionnels pour applications de tr`es basse puissance à des tensions d’alimentation VDD < 0.5V. Nous présentons un modèle Multi-Subband Monte Carlo modifié (MSMC) qui a été adapté pour la simulation de TFET Ultra Thin Body Fully Depleted Seminconductor on Insulator (FDSOIUTB) avec homo- et hétéro-jonctions et des matériaux semi-conducteurs arbitraires. Nous prenons en considération la quantification de la charge avec une correction quantique heuristique mais précise, validée via des modèles quantiques complets et des résultats expérimentaux.Le modèle MSMC a été utilisé pour simuler et évaluer la performance de FD-SOI TFET sidéealisées avec homo- et hétéro-jonction en Si, alliages SiGe ou composés InGaAs. Dans la deuxième partie de l’activité de doctorat un travail de caractérisation à basse températurea été réalisé sur les TFETs en Si et SiGe homo- et hétéro-jonction fabriqués par le centre de recherche français du CEA -LETI. L’objectif est d’estimer la présence de l’effet Tunnel comme principal mécanisme d’injection et la contribution d’autres mécanismes d’injection comme le Trap Assisted Tunneling. / In the last years a significant effort has been spent by the microelectronic industry to reducethe chip power consumption of the electronic systems since the latter is becoming a majorlimitation to CMOS technology scaling.Many strategies can be adopted to reduce the power consumption. They range from thesystem to the electron device level. In the last years Tunnel Field Effect Transistors (TFET)have imposed as possible candidate devices for replacing the convential MOSFET in ultra lowpower application at supply voltages VDD < 0.5V. TFET operation is based on a Band-to-BandTunneling (BtBT) mechanism of carrier injection in the channel and they represent a disruptiverevolutionary device concept.This thesis investigates TFET modeling and simulation, a very challenging topic becauseof the difficulties in modeling BtBT accurately. We present a modified Multi Subband MonteCarlo (MSMC) that has been adapted for the simulation of Planar Ultra Thin Body (UTB)Fully Depleted Semiconductor on Insulator (FD-ScOI) homo- and hetero-junction TFET implementedwith arbitrary semiconductor materials. The model accounts for carrier quantizationwith a heuristic but accurate quantum correction validated by means of comparison with fullquantum model and experimental results.The MSMC model has been used to simulate and assess the performance of idealized homoandhetero-junction TFETs implemented in Si, SiGe alloys or InGaAs compounds.In the second part of the thesis we discuss the characterization of TFETs at low temperature.Si and SiGe homo- and hetero-junction TFETs fabricated by CEA-LETI (Grenoble,France) are considered with the objective to identify the possible presence of alternative injectionmechanisms such as Trap Assisted Tunneling. / Negli ultimi anni uno sforzo significativo `e stato speso dall’industria microelettronica per ridurreil consumo di potenza da parte dei sistemi microelettronici. Esso infatti sta diventando unadelle limitazioni pi`u significative per lo scaling geometrico della tecnologia CMOS.Diverse strategie possono essere adottate per ridurre il consumo di potenza considerando ilsistema microelettronico nella sua totalit`a e scendendo fino a giungere all’ottimizzazione delsingolo dispositivo nano-elettronico. Negli ultimi anni il transistore Tunnel FET (TFET) si`e imposto come un possibile candidato per rimpiazzare, in applicazioni a consumo di potenzaestremamente basso con tensioni di alimentazione inferiori a 0.5V, i transistori convenzionaliMOSFET. Il funzionamento del TFET si basa sul meccanismo di iniezione purament quantisticodel Tunneling da banda a banda (BtBT) e che dovrebbe permettere una significativa riduzionedella potenza dissipata. Il BtBT nei dispositivi convenzionali `e un effetto parassita, nel TFETinvece esso `e utilizzato per poter ottenere significativi miglioramenti delle performance sottosogliae pertanto esso rappresenta una nuova concezione di dispositivo molto innovativa erivoluzionaria.Questa tesi analizza la modellizazione e la simulazione del TFET. Questi sono argomenti moltocomplessi vista la difficolt`a che si hanno nel modellare accuratamente il BtBT. In questo lavoroviene presentata una versione modificata del modello di trasporto Multi Subband Monte Carlo(MSMC) adattato per la simulazione di dispositivi TFET planari Ultra Thin Body Fully DepletedSilicon on Insulator (UTB FD-SOI), implementati con un canale composto da un unicosemiconduttore (omogiunzione) o con differenti materiali semiconduttori (eterogiunzione). Ilmodello proposto tiene il conto l’effetto di quantizzazione dovuto al confinamento dei portatoridi carica, con un’euristico ma accurato sistema di correzione. Tale modello `e stato poivalidato tramite una comparazione con altri modelli completamente quantistici e con risultatisperimentali.Superata la fase di validazione il modello MSMC `e utilizzato per simulare e verificare le performancedi dispositivi TFET implementati come omo o eterogiunzione in Silicio, leghe SiGe,o composti semiconduttori InGaAs.Nella seconda parte della tesi viene illustrato un lavoro di caratterizazione di TFET planari abassa temperatura (fino a 77K). Sono stati misurati dispositivi in Si e SiGe a omo o eterogiuzioneprodotti nella camera bianca del centro di ricerca francese CEA-LETI di Grenoble. Tramite talimisure `e stato possibile identificare la probabile presenza di meccanismi di iniezione alternativial BtBT come il Tunneling assistito da trappole (TAT) dimostrando come questo effetto `e,con ogni probabilit`a, la causa delle scarse performance in sottosoglia dei dispositivi TFETsperimentali a temperatura ambiente.

Tunnel à effet de champ (TFET) et un nouveau composant MOS à rétroaction que nous avons nommé le Z2-FET.Le Z2-FET est envisagé pour la logique faible consommation et pour les applications mémoire compatibles avecles technologies CMOS avancées. Nous avons étudié de manière systématique des TFETs avec différents oxydesde grille, matériaux et structures de canal, fabriqués sur silicium sur isolant totalement déserté (FDSOI). Lesmesures de bruit à basse fréquence (LFN) sur TFETs montrent la prédominance d'un signal aléatoiretélégraphique (RTS), qui révèle sans ambiguïté le mécanisme d'effet tunnel. Un modèle analytique combinantl'effet tunnel et le transport dans le canal a été développé, montrant un bon accord entre les résultatsexpérimentaux et les simulations.Nous avons conçu et démontré un nouveau dispositif (Z2-FET, pour pente sous le seuil verticale et zéroionisation par impact), qui présente une commutation extrêmement abrupte (moins de 1 mV par décade decourant), avec un rapport ION / IOFF >109, un large effet de hystérésis et un potentiel de miniaturisation jusqu'à 20nm. La simulation TCAD a été utilisée pour confirmer que la commutation électrique du Z2-FET fonctionne parl'intermédiaire de rétroaction entre les flux des électrons et trous et leurs barrières d'injection respectives. LeZ2-FET est idéalement adapté pour des applications mémoire à un transistor. La mémoire DRAM basée sur leZ2-FET montre des performances très bonnes, avec des tensions d'alimentation jusqu'à 1,1 V, des temps derétention jusqu'à 5,5 s et des vitesses d'accès atteignant 1 ns. Une mémoire SRAM utilisant un seul Z²-FET estégalement démontrée sans nécessité de rafraichissement de l'information stockée.Notre travail sur le courant GIDL intervenant dans les MOSFETs de type FDSOI a été combiné avec leTFET afin de proposer une nouvelle structure de TFETs optimisés, basée sur l'amplification bipolaire du couranttunnel. Les simulations de nouveau dispostif à injection tunnel amélioré par effet bipolaire (BET-FET) montrentdes résultats prometteurs, avec des ION supérierus à 4mA/��m et des pentes sous le seuil SS inférieures à 60mV/dec sur plus de sept décades de courant, surpassant tous les TFETs silicium rapportés à ce jour.La thèse se conclut par les directions de recherche futures dans le domaine des dispositifs à pente sous leseuil abrupte.

Cette thèse porte sur l’étude de transistor à effet tunnel (TFET) en FDSOI à géométries planaire et triple grille/nanofils. Nous rapportons pour la première fois des TFETs fabriqués par un processus basse température (600°C), qui est identique à celui utilisé pour l’intégration monolithique 3D. La méthode “Dual IDVDS” confirme que ces TFETs fonctionnent par effet tunnel et non pas par effet Schottky. Les résultats des mesures électriques montrent que l’abaissement de la température de fabrication de 1050°C (HT) à 600°C (LT) ne dégrade pas les propriétés des TFETs. Néanmoins, les dispositifs réalisés à basse température montrent un courant de drain et de fuite plus élevés et une tension de seuil différente par rapport aux HT TFETs. Ces phénomènes ne peuvent pas être expliqués par le mécanisme d’effet tunnel. Le courant de pompage de charges révèle une densité d’états d’interface plus grande à l’interface oxide/Si pour les dispositifs LT que dans les TFETs HT pour les zones actives étroites. Par ailleurs, une analyse de bruit basse fréquence permet de mieux comprendre la nature des pièges dans les TFETs LT et HT. Dans les TFETs réalisés à basse température nous avons mis en évidence une concentration en défauts non uniforme à l’interface oxide/Si et à la jonction tunnel qui cause un effet tunnel assisté par piège (TAT). Ce courant TAT est responsable de la dégradation de la pente sous seuil. Ce résultat montre la direction à suivre pour optimiser ces structures, à savoir une épitaxie de très haute qualité et une optimisation fine des jonctions. Finalement, nous avons proposé de nouvelles architectures innovatrices de transistors à effet tunnel. L’étude de simulation TCAD montre que l’extension de la jonction tunnel dans le canal augmente la surface de la région qui engendre le courant BTBT. Une fine couche dopée avec une dose ultra-haute en bore pourrait permettre l’obtention à la fois d’une pente sous le seuil faible et un fort courant ON pour le TFET. / This thesis presents a study of FDSOI Tunnel FETs (TFETs) from planar to trigate/nanowire structures. For the first time we report functional “Low-Temperature” (LT) TFETs fabricated with low-thermal budget (630°C) process flow, specifically designed for top tier devices in 3D sequential integration. “Dual IDVDS” method confirms that these devices are real TFETs and not Schottky FETs. Electrical characterization shows that LT TFETs performance is comparable with “High-Temperature” (HT) TFETs (1050°C). However, LT TFETs exhibit ON-current enhancement, OFF-current degradation and VTH shift with respect to HT TFETs that cannot be explained via BTBT mechanism. Charge pumping measurements reveal a higher defect density at the top silicon/oxide interface for geometries with narrow widths in LT than HT TFETs. In addition, low-frequency noise analyses shed some light on the nature of these defects. In LT TFETs, we determined a non-uniform distribution of defects at the top surface and also at the tunneling junction that causes trap-assisted tunneling (TAT). TAT is responsible of the current generation that degrades the subthreshold swing. This indicates the tight requirements for quality epitaxy growth and junction optimization in TFETs. Finally, we proposed novel TFET architectures. TCAD study shows that the extension of the source into the body region provides vertical BTBT and a larger tunneling surface. Ultra-thin heavily doped boron layers could allow the possibility to obtain simultaneously a good ON-current and sub-thermal subthreshold slope in TFETs.

The Tunnel Field Effect Transistor (TFET) with sub-60mV/decade Sub-threshold slope and extremely high ION/IOFF ratio has attracted enough attention for low standby power (LSTP) applications where the battery life is very important. So far research in this area has been limited to numerical simulation and experimental analysis. It is however extremely necessary to develop compact models for TFET in order to use them in nano-scale integrated circuit design and simulation. In this work, for the first time, we develop analytical Sub-threshold slope model for n-channel double gate TFET (nDGTFET). Unlike conventional FETs, current in TFET is mainly controlled by the band-to-band tunneling mechanism at source/channel interface. As the total drain current is proportional to band-to-band generation rate, the main challenge in the present work is to find an explicit relationship between average electric field over the tunneling path and the applied gate voltage under nonlocal tunneling condition. Two dimensional Poisson’s equation (with Laplace approximation)is first solved in a rectangular coordinate system in order to obtain analytical expression for electron energy distribution over the channel region.Kane’s Model[J. Phy. Chem.Solids 12(181)1959]for band-to-band tunneling along with some analytical approximation techniques are then used to derive the expression for the Sub-threshold slope under nonlocal tunneling conditions. This Sub-threshold slope model is verified against professional numerical device simulator (MEDICI) for different device geometries. Being an asymmetric device, TFET fabrication suffers from source misalignment with gate. As the doping in source and drain-gate are different, conventional-FET-like self-aligned gate stack formation is not possible for TFET. Such misalignment, at source side, seriously degrades the performance of TFETs. To overcome this problem, in this work we explore the possibility of using “gate replacement” technique for TFET fabrication. We first develop process flow for single gate bulk nTFET, and then we extend it to n-channel double gate TFET (nDGTFET) using modified FinFET process. Good alignments between source and gate are observed with TCAD-simulations in both the cases.

Tunnel à effet de champ (TFET) et un nouveau composant MOS à rétroaction que nous avons nommé le Z2-FET.Le Z2-FET est envisagé pour la logique faible consommation et pour les applications mémoire compatibles avecles technologies CMOS avancées. Nous avons étudié de manière systématique des TFETs avec différents oxydesde grille, matériaux et structures de canal, fabriqués sur silicium sur isolant totalement déserté (FDSOI). Lesmesures de bruit à basse fréquence (LFN) sur TFETs montrent la prédominance d'un signal aléatoiretélégraphique (RTS), qui révèle sans ambiguïté le mécanisme d’effet tunnel. Un modèle analytique combinantl’effet tunnel et le transport dans le canal a été développé, montrant un bon accord entre les résultatsexpérimentaux et les simulations.Nous avons conçu et démontré un nouveau dispositif (Z2-FET, pour pente sous le seuil verticale et zéroionisation par impact), qui présente une commutation extrêmement abrupte (moins de 1 mV par décade decourant), avec un rapport ION / IOFF >109, un large effet de hystérésis et un potentiel de miniaturisation jusqu'à 20nm. La simulation TCAD a été utilisée pour confirmer que la commutation électrique du Z2-FET fonctionne parl'intermédiaire de rétroaction entre les flux des électrons et trous et leurs barrières d'injection respectives. LeZ2-FET est idéalement adapté pour des applications mémoire à un transistor. La mémoire DRAM basée sur leZ2-FET montre des performances très bonnes, avec des tensions d'alimentation jusqu'à 1,1 V, des temps derétention jusqu'à 5,5 s et des vitesses d'accès atteignant 1 ns. Une mémoire SRAM utilisant un seul Z²-FET estégalement démontrée sans nécessité de rafraichissement de l’information stockée.Notre travail sur le courant GIDL intervenant dans les MOSFETs de type FDSOI a été combiné avec leTFET afin de proposer une nouvelle structure de TFETs optimisés, basée sur l'amplification bipolaire du couranttunnel. Les simulations de nouveau dispostif à injection tunnel amélioré par effet bipolaire (BET-FET) montrentdes résultats prometteurs, avec des ION supérierus à 4mA/��m et des pentes sous le seuil SS inférieures à 60mV/dec sur plus de sept décades de courant, surpassant tous les TFETs silicium rapportés à ce jour.La thèse se conclut par les directions de recherche futures dans le domaine des dispositifs à pente sous leseuil abrupte. / This thesis is dedicated to studying sharp switching devices, including the tunneling field-effect-transistor(TFET) and a new feedback device we have named the Z2-FET, for low power logic and memory applicationscompatible with modern silicon technology. We have extensively investigated TFETs with various gate oxides,channel materials and structures, fabricated on fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) substrates.Low-frequency noise (LFN) measurements were performed on TFETs, showing the dominance of randomtelegraphy signal (RTS) noise, which reveals the tunneling mechanism. An analytical TFET model combiningtunneling and channel transport has been developed, showing agreement with the experimental and simulationresults.We also conceived and demonstrated a new device named the Z2-FET (for zero subthreshold swing andzero impact ionization), which exhibits extremely sharp switching with subthreshold swing SS < 1 mV/dec,ION/IOFF current ratio reaching 109, gate-controlled hysteresis and scalability down to 20 nm. The Z2-FEToperates with feedback between carriers flow and their injection barriers. The Z2-FET is used for one-transistordynamic random access memory (DRAM) with supply voltage down to 1.1 V, retention time up to 5.5 s andaccess speed reaching 1 ns. The static RAM (SRAM) application is also demonstrated without the need ofrefreshing stored data.Following our work on gate-induced drain leakage (GIDL) current in short-channel FD-SOI MOSFETs andon TFET operating mechanisms, we propose a new class of optimized TFETs with enhanced ION, based on thebipolar amplification of the tunneling current. Simulations of the bipolar-enhanced tunneling FET (BET-FET),combining the TFET with a heterojunction bipolar transistor, show promising results, with ION > 4×10-3 A/��mand SS < 60 mV/dec over 7 decades of current, outperforming all silicon-compatible TFETs reported to date.The thesis concludes with future research directions in the sharp-switching device arena.