L'isolement du graphène a suscité un grand intérêt vers la recherche d’applications potentielles de ce matériau unique et d'autres matériaux bidimensionnels (2D) pour l'électronique, l'optoélectronique, la spintronique et de nombreux autres domaines. Par rapport au graphène, les dichalcogenides de métaux de transition (TMD) 2D offrent l'avantage d'être des semi-conducteurs, ce qui permettrait de les utiliser pour des circuits logiques. Au cours des dix dernières années, de nombreux développements ont déjà été réalisés dans ce domaine où les opportunités et les défis coexistent. Cette thèse présente les résultats de simulations de transport quantique d’une nouvelle structure de dispositif logique à très faible consommation à base de matériaux bidimensionnels : le transistor à effet tunnel à base d’hétérostructures verticales de TMDs 2D. A cause de leur petite taille, ces dispositifs sont intrinsèquement dominés par des effets quantiques. Par conséquent, l’adoption d’une théorie générale du transport s’impose. Le choix se porte ici sur la méthode des fonctions de Green hors équilibre (NEGF), une approche largement utilisée pour la simulation du transport électronique dans les nanostructures. Dans la première partie de cette thèse, les matériaux 2D, leur synthèse et leurs applications sont brièvement introduits. Ensuite, le formalisme NEGF est illustré. Cette méthode est ensuite utilisée pour la simulation de deux structures de transistor à effet tunnel vertical basées sur l’hétérojonction van der Waals de Mos2 et WTe2. La description du système se base sur un modèle de masse effective calibré avec des résultats ab-initio (afin de reproduire la structure de bandes dans l’intervalle d’énergie intéressé par les simulations de transport) et aux mesures expérimentales de mobilité (pour le couplage électron-phonon). Les résultats non seulement démontrent la possibilité d’obtenir une forte pente sous seuil avec ce type de transistors, mais présentent une étude de la physique qui en détermine les performances en fonction de leur géométrie et de l’interaction entre électrons et phonons. Dans la dernière partie, les effets du malignement rotationnel entre les deux couches 2D sont investigués. Expérimentalement, ce type de désordre est difficile à éviter et peut considérablement affecter les performances du transistor. Par le moyen de simulations quantiques précises et d’analyses physiques, cette thèse montre les défis à relever dans la conception des transistors à effet tunnel à base de matériaux 2D performants. / The successful isolation of graphene in 2004 has attracted great interest to search for potential applications of this unique material and other newborn members of the two-dimensional (2D) family in electronics, optoelectronics, spintronics and other fields. Compared to graphene, the 2D transition metal dichalcogenides (TMDs) have the advantage of being semiconductors, which would allow their use for logic devices. In the past ten years, significant developments have been made in this area, where opportunities and challenges co-exist.This thesis presents the results of quantum transport simulations of novel 2D-material-based tunnel field-effect transistors for ultra-low-power digital applications. Due to their size, such devices are intrinsically dominated by quantum effects. This requires the adoption of a fairly general theory of transport, such as the nonequilibrium Green's functions (NEGF) formalism, which is a method extensively used for the simulation of electron transport in nanostructures.In the first part of this thesis, a brief introduction about the 2D materials, their synthesis and applications is presented. Then, the NEGF formalism is concisely reviewed. This approach is applied to the simulation of two different models of vertical tunnel field-effect transistors based on 2D-TMD van der Waal heterojunctions (MoS2 and WTe2). To properly describe the system, a coupled effective mass Hamiltonian has been implemented and carefully calibrated to experimental measurements and density functional theory to reproduce the band structure in the energy range of interest for the simulations.This thesis not only demonstrates the ultra-steep subthreshold slope potentially expected for these devices, but also provides a physical insight into the impact of the transistor geometry on its performances. In the last and more exploratory part of the manuscript, the effect of rotational misalignment within the two layers of the heterostructure is investigated. Experimentally, such a disorder is difficult to avoid, and it can substantially affect the device performances.Through accurate quantum simulations and deep physical analysis, this study sheds light on the design challenges to be addressed for the development of efficient tunnel field-effect transistors based on 2D materials.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017GREAT009 |
| Date | 23 January 2017 |
| Creators | Cao, Jiang |
| Contributors | Grenoble Alpes, Pala, Marco |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
Page generated in 0.0021 seconds