Mise en oeuvre de l`aspect demonstrateur des transistors mono

UNIVERSITE DE SHERBROOKE
Faculte de genie
Departement de genie electrique et de genie informatique
Mise en oeuvre de l’aspect demonstrateur des
transistors mono-electroniques
Memoire de maitrise
Specialite : genie electrique
Damien GRIVEAU
Jury : Dominique DROUIN (directeur)
Francis CALMON
Jean-Frangois PRATTE
Sherbrooke (Quebec) Canada Janvier 2013

1+1
Library and Archives
Canada
Published Heritage
Branch
Bibliotheque et
Archives Canada
Direction du
Patrimoine de I'edition
395 Wellington Street
Ottawa ON K1A0N4
Canada
395, rue Wellington
Ottawa ON K1A 0N4
Canada
Your file Votre reference
ISBN: 978-0-499-00334-8
Our file Notre reference
ISBN: 978-0-499-00334-8
NOTICE:
The author has granted a non
exclusive license allowing Library and
Archives Canada to reproduce,
publish, archive, preserve, conserve,
communicate to the public by
telecommunication or on the Internet,
loan, distrbute and sell theses
worldwide, for commercial or non
commercial purposes, in microform,
paper, electronic and/or any other
formats.
AVIS:
L'auteur a accorde une licence non exclusive
permettant a la Bibliotheque et Archives
Canada de reproduire, publier, archiver,
sauvegarder, conserver, transmettre au public
par telecommunication ou par I'lnternet, preter,
distribuer et vendre des theses partout dans le
monde, a des fins commerciales ou autres, sur
support microforme, papier, electronique et/ou
autres formats.
The author retains copyright
ownership and moral rights in this
thesis. Neither the thesis nor
substantial extracts from it may be
printed or otherwise reproduced
without the author's permission.
L'auteur conserve la propriete du droit d'auteur
et des droits moraux qui protege cette these. Ni
la these ni des extraits substantiels de celle-ci
ne doivent etre imprimes ou autrement
reproduits sans son autorisation.
In compliance with the Canadian
Privacy Act some supporting forms
may have been removed from this
thesis.
While these forms may be included
in the document page count, their
removal does not represent any loss
of content from the thesis.
Conformement a la loi canadienne sur la
protection de la vie privee, quelques
formulaires secondaires ont ete enleves de
cette these.
Bien que ces formulaires aient inclus dans
la pagination, il n'y aura aucun contenu
manquant.
Canada

RESUME
Depuis 19C5, la loi de Moore, loi de doublement du nombre de transistors dans une puce
tous les deux ans, n’a jamais ete eontredite. II faut attendre septembre 2007 pour que son
invent eur lui-meme, Gordon Moore, ne la considere plus valide et estime sa fin dans les dix
a quinze ans a venir. Le probleme des limites physiques de la teehnologie CMOS actuelle est
alors aujourd’hui pose : jusqu’ou la m iniaturisation peut-elle continuer? Combien d ’atomes
faut-il pour faire un transistor fonctionnel ? Y-a t'il d ’autres materiaux que les semi-
conducteurs qui perrnettraient d'aller au dela des limites physiques, ou encore d’autres
moyens de coder rinform ation de facon plus efficace?
La teehnologie des transistors a un electron (SET. Single Electron Transistor) est une des
solutions possible et semble ties prometteuse. Bien souvent cantonne a un fonetionnement
bien en dessous de la temperature ambiante. les premiers SETs metalliques demontrant
un earactere typique de blocage de Coulomb a des temperatures depassant 130 °C sont, une
des premieres reussites du projet « SEDIMOS » ici a l’Universite de Sherbrooke.
Veritable couteau-suisse, le SET presente des caracteristiques electriques qui vont au dela
de la teehnologie CMOS actuelle tout en pouvant copier cette derniere sans grande dif-
liculte. Dans un circuit, il faut cependant lui adresse certains problemes tel qu’un faible
courant de commande, un faible gain en tension et un delai im portant. Mais tous ces
aleas peuvent etre cependant contournes ou reduits par une conception adaptee de ces
circuits. Cependant, il existe une difficulte a fabriquer de multiples SETs ayant des carac
teristiques electriques similaires. En outre, les circuits peuvent exiger des SETs avee un
liaut niveau de performance. Souhaitant repousser les limites actuelles de la logique SET,
le but de cette maitrise est de realiser un inverseur SET developpant principalement les
deux caracteristiques critiques mentionnees dans le paragraphe precedent. Sous un travail
a temperature ambiante, voir superieur, l ’inverseur devra developper un gain en tension
superieur a Tunite.
Les SET metalliques presentes dans ce travail sont fabriques sur un substrat de silicium
oxyde par oxydation seche. Le procede de fabrication utilise est cependant compatible
avee Turfite de fabrication finale du CMOS, Back End of Line (BEOL). Un cout reduit,
un faible bilan thernfique, et une amelioration de la densite d ’integration dans le cadre
d’une production de masse de circuits hautement integres rendent ce procede de fabrication
ties attrayant.
L ’objectif principal de cette maitrise peut etre divise en 3 parties : (1) L ’etude des pa-
rametres electriques tels que les tension, gain, capacite d ’attaque et puissance du circuit
inverseur SET, (2) Tamelioration des performances de la logique SET grace a la m odifi
cation des parametres physiques des SETs et de Tarchitecture de leurs circuits et (3) la
presentation des resultats de mesures electriques.
Mots-cI6s : Tr-ansistor monoelectronique, inverseur, gain en tension, logique complemen-
taire, hysteresis, empilement serie

REMERCIEMENTS
Ce mernoire n ’aurait pas ete possible sans Tint ervent ion. eonseiente. d’un grand no mb re
de personnes. Nous souhaitons ici les en remereier.
Je tiens d’abord a remereier ties ehaleureusement Dominique DROUIN qui m ’a permis
de benefieier de son encadrement et Serge ECOFFEY qui a su le seconder sans faille. Les
conseils qu’ils m’ont prodigue, la patience et la confiance qu’il m’ont temoignes. ont ete
determinantes dans la realisation de nion travail de recherche.
Mes remerciements s’etendent egalement a tous les membres du groupe SEDIMOS cotoyes
durant, ses annees d ’etudes. Dans l’ordre alphabetique, nous avons Mohammad BOU-
NOUAR, Frederic BOURQUE. Gabriel DROULERS. Patrick HA R VEY-C O LLARD, Au-
relie LECESTRE, Bruno LEE SANG. Marc G U IL M A IN , Christian N AU H E N E IM , Jean-
Framjois M O RIS ETTE et pour finir. Jean-Philippe RICH AR D.
Enfin, nous tenons a remereier tous ceux qui. de pres ou de loin, ont contribue a la
realisation de ce travail.