UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de nie électrique et de génie informatique
FABRICATION DE TRANSISTORS
MONOÉLECTRONIQUES POUR LA
DÉTECTION DE CHARGE
Mémoire de maîtrise
Spécialité : génie électrique
Jean-Philippe RICHARD
Jury : Dominique DROUIN (directeur)
Michel PIORO-LADRIÈRE (codirecteur)
Abdelkader SOUIFI
Hassan MAHER
Sherbrooke (Québec) Canada Avril 2013
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À mes parents
RÉSUMÉ
Le transistor monoélectronique (SET) est un candidat que lon croyait avoir la capaci
de remplacer le transistor des circuits intégrés actuel (MOSFET). Pour des raisons de
faible gain en voltage, d impédance de sortie élevée et de sensibili aux fluctuations de
charges, il est considé aujourdhui quun hybride tirant profit des deux technologies est
plus avantageux. En exploitant sa lacune dêtre sensible aux variations de charge, le SET
est davantage utilisé dans des applications la détection de charge sare indispensable,
notamment dans les domaines de la bio-détection et de l’informatique quantique.
Ce mémoire présente une étude du transistor monlectronique utilisé en tant que dé
tecteur de charge. La méthode de fabrication est basée sur le prodé nanodamascène
développé par Dubuc et ai. [11] permettant au transistor monoélectronique de fonctionner
à température ambiante. La température dopération étant intimement liée à la géomé
trie du SET, la clé du procé nanodamascène réside dans le polissage chimico-mécanique
(CMP) permettant de réduire lépaisseur des SET jusquà des valeurs de quelques nano-
mètres.
Dans ce projet de mtrise, nous avons cependant opté pour que le SET soit opéré à
température cryogénique. Une faible température dopération permet le relâchement des
contraintes de dimensions des dispositifs. En consirant les variations de procés nor
males pouvant survenir lors de la fabrication, la température dopération maximale cal
culée en conception sétend de 27 K à 90 K, soit une énergie de charge de 78 meV à
23 meV. Le gain du détecteur de charge étant dépendant de la distance de couplage, les
résultats de simulations démontrent que cette distance doit être de 200 nm pour que la
détection de charge soit optimale. Les designs cous sont ensuite fabriqs sur substrat
doxyde de silicium. Les résultats de fabrication de SET témoignent de la robustesse du
procédé nanodamascène. En effet, les dimensions atteintes expérimentalement savèrent
quasi identiques à celles calculées en conception.
Les mesures électriques à basse température de SET fabriqués démontrent un blocage de
Coulomb avec une énergie de charge de 10 meV et une température d opération maximale
de 10 K. Un effet de grille est aussi observé par lapplication dune tension sur la grille
larale et les électrodes dun SET à proximité. Les paramètres extraits à partir du diamant
de Coulomb sont en accord avec les géométries du transistor fabriqué, à l’exception de la
capaci de grille et de couplage. Enfin, létude de la détection de charge est réalisée par
simulation à partir de ces paramètres. Elle permet de conclure que la détection de charge
peut être optimisée en augmentant les surfaces de couplage de lélectromètre.
Mots-clés : détection de charge, électromètre, transistor monoélectronique, nanodamas
cène, nanoélectronique, informatique quantique
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