FABRICATION DE TRANSISTORS MONOÉLECTRONIQUES POUR

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie 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 l’on croyait avoir la capacité
de remplacer le transistor des circuits intégrés actuel (MOSFET). Pour des raisons de
faible gain en voltage, d ’impédance de sortie élevée et de sensibilité aux fluctuations de
charges, il est considéré aujourd’hui qu’un hybride tirant profit des deux technologies est
plus avantageux. En exploitant sa lacune d’être sensible aux variations de charge, le SET
est davantage utilisé dans des applications où la détection de charge s’avère indispensable,
notamment dans les domaines de la bio-détection et de l’informatique quantique.
Ce mémoire présente une étude du transistor monoélectronique utilisé en tant que dé
tecteur de charge. La méthode de fabrication est basée sur le procédé nanodamascène
développé par Dubuc et ai. [11] permettant au transistor monoélectronique de fonctionner
à température ambiante. La température d’opération étant intimement liée à la géomé
trie du SET, la clé du procédé nanodamascène réside dans le polissage chimico-mécanique
(CMP) permettant de réduire l’épaisseur des SET jusqu’à des valeurs de quelques nano-
mètres.
Dans ce projet de maîtrise, nous avons cependant opté pour que le SET soit opéré à
température cryogénique. Une faible température d’opération permet le relâchement des
contraintes de dimensions des dispositifs. En considérant les variations de procédés nor
males pouvant survenir lors de la fabrication, la température d’opération maximale cal
culée en conception s’étend 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 conçus sont ensuite fabriqués sur substrat
d’oxyde de silicium. Les résultats de fabrication de SET témoignent de la robustesse du
procédé nanodamascène. En effet, les dimensions atteintes expérimentalement s’avèrent
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 l’application d’une tension sur la grille
latérale et les électrodes d’un 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
capacité de grille et de couplage. Enfin, l’étude 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 l’électromètre.
Mots-clés : détection de charge, électromètre, transistor monoélectronique, nanodamas
cène, nanoélectronique, informatique quantique