Contribution à la modélisation physique et

N° d'ordre : 3838
THÈSE
présentée à
L'UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
École Doctorale des Sciences Physiques et de l'Ingénieur
par Johnny GOGUET
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE
Contribution à la modélisation physique et
électrique compacte du transistor à nanotube
Soutenue le 30 septembre 2009
Après avis de :
Mme. S. GALDIN-RETAILLEAU Professeur à l’Université Paris Sud
M. I. O’CONNOR Professeur à l’École Centrale de Lyon
Devant la commission d'examen formée de :
M. V. DERYCKE Chercheur au CEA
M. P. FOUILLAT Professeur à l’ENSEIRB
M. S. FRÉGONÈSE Chargé de recherche CNRS laboratoire IMS
Mme. S. GALDIN-RETAILLEAU Professeur à l’Université Paris Sud
M. H. HAPPY Professeur à l’Université des Sciences et
Technologies de Lille
Mme. C. MANEUX Maître de Conférences (HDR) à l’Université
Bordeaux 1
M. I. O’CONNOR Professeur à l’École Centrale de Lyon
M. T. ZIMMER Professeur à l’Université Bordeaux 1

Remerciements
Remerciements
Tout d’abord, je tiens à remercier Thomas ZIMMER et Cristell MANEUX pour m’avoir
permis de réaliser cette thèse initialement au sein du laboratoire IXL puis du laboratoire IMS.
Je remercie les professeurs Sylvie GALDIN-RETAILLEAU et Ian O’CONNOR d’avoir
accepté d’être les rapporteurs de ma thèse, pour leur critique constructive de mon manuscrit.
Je suis reconnaissant des discussions intéressantes et fructueuses avec les membres de
l’ACI Nanosys parmi lesquels E. BELHAIRE, V. DERYCKE, J.-O. KLEIN, H. CAZIN
d’HONINCTHUN, J. LIU, R. LEVEUGLE, Ph. DOLLFUS, F. PRÉGALDINY, S. GALDIN-
RETAILLEAU, I. O’CONNOR et j’en oublie…
Mes recherches n’ont pas été effectuées isolément : les apports, en plus de ceux de mes
encadrants, des collègues de l’équipe ou voisins de bureau jusqu’aux chercheurs extra-
Bordelais m’ont permis d’appréhender plus rapidement les divers phénomènes en relation
avec ma thèse.
Je remercie donc de nouveau Hugues CAZIN de l’IEF pour ses explications, sa réactivité
à mes nombreuses questions et ses formules relatives au schéma de bandes du nanotube. Je
remercie de manière générale l’équipe de Physique et Architecture des Composants Ultimes
de la Micro-électroniquE de l’IEF qui nous a chaleureusement accueillis lors de nos réunions
à l’IEF en plus des réflexions intenses et productives autour du nanotube.
Je suis reconnaissant envers Sébastien FRÉGONÈSE pour les discussions et échanges
intéressants (et pour les coups de main mathématiques) qui m’ont permis de me « débloquer »
à plusieurs reprises, et Ludo pour ses rappels de barrière Schottky « académique ».
À propos de mathématiques, merci à Patricia GABINSKI, Maître de Conférences au
CENBG pour m’avoir dévoilé LE « Gradshteyn », et à Jean LABARSOUQUE, Professeur au
CENBG, pour avoir reconnu une de mes intégrales et indiqué une solution partielle.
Je remercie les collègues doctorants qui m’ont aidé à organiser les JNRDM et qui m’ont
plus que secondé quelques jours avant la conférence, Sylvain SAÏGHI pour l’organisation
financière, Alain CAZARRE pour son soutien de manière générale et les secrétaires Mireille
BERNARD, Fanny DAMAS et Valérie CAUHAPÉ pour leur patience et leurs explications
sur les formalités administratives.
Pour ce qui est de la convivialité, je suis heureux d’avoir fait la connaissance des
collègues de labo avec qui j’ai pu passer de bons moments : Marie-Lise, Lu(d)o, Brice, Pierre-
Yvan, Adel, Piero, Charlotte, Montassar, Si-Yu, Domi, Sébastien, Cyril, Nico, Laurianne,
Wei, Willy, Jason, Pierre-Marie.
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Remerciements
Je remercie mes amis Virginie et Rudy, Sandrine et Alexandre, Aurore et Louis,
Marianne et Brice, pour les agréables moments passés et à venir.
Je n’oublie pas Sophie pour sa traduction/réécriture de russe (malheureusement un luxe
superflu et donc absente dans la référence) et sa bonne humeur communicative.
Enfin, je remercie ma famille pour son soutien tout au long de ces (longues) années
d’étude. Je remercie également ma belle-famille pour les changements d’air par la pratique
d’activités diverses telles que la mécanique, la sylviculture, le maraîchage, la maçonnerie (du
petit terrassement à l’électricité en passant par la couverture), la menuiserie, entremêlées de
surprises culinaires, de calembours et de bons mots.
Le tableau ne serait pas complet sans mon artiste préférée, Virginie, qui m’a supporté et
aidé à surmonter les difficultés tout au long de ma thèse et a été présente dans tous les bons
moments.
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Table des matières
Table des matières
INTRODUCTION...............................................................................................4
CHAPITRE 1 : LES NANOTUBES DE CARBONE : PROPRIÉTÉS ET
APPLICATIONS...............................................................................7
I. INTRODUCTION................................................................................................................ 8
II. AUTRES UTILISATIONS DES NANOTUBES........................................................................ 10
II.a. Applications mécaniques et électromécaniques................................................... 10
II.b. Applications optoélectroniques et d’émission de champ ..................................... 12
II.c. Utilisation des propriétés thermiques .................................................................. 13
III. PROPRIÉTÉS ÉLECTRONIQUES ........................................................................................ 14
IV. FABRICATION ET TECHNOLOGIE .................................................................................... 18
IV.a. Évaporation par arcs électriques......................................................................... 18
IV.b. Ablation laser ....................................................................................................... 18
IV.c. Dépôt chimique en phase vapeur ......................................................................... 18
IV.d. Autres méthodes de synthèse................................................................................ 19
IV.e. Effet de l’oxygène................................................................................................. 19
IV.f. Dopage ................................................................................................................. 20
IV.g. Métal des contacts................................................................................................ 21
V. PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTS TYPES DE TRANSISTORS.............................................. 22
V.a. Transistor à barrières Schottky (SB-CNFET)...................................................... 22
V.b. Transistor à modulation de hauteur de barrière (C-CNFET).............................. 25
V.c. Transistor à grille commandée optiquement (OG-CNFET) ................................ 26
V.d. Transistor double grille (DG-CNFET) ................................................................ 27
CHAPITRE 2 : MODÈLE DU TRANSISTOR À NANOTUBE À
MODULATION DE HAUTEUR DE BARRIÈRE......................29
I. INTRODUCTION.............................................................................................................. 30
II. FONCTIONNEMENT ........................................................................................................ 30
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Table des matières
III. CALCUL DE LA CHARGE................................................................................................. 32
III.a. Solutions analytiques partielles ........................................................................... 36
III.a.1 Faible polarisation : eV < sbbd[p] ....................................................................................... 36
III.a.2 Forte polarisation : eV > sbbd[p]......................................................................................... 37
III.a.2.a Faibles énergies : de sbbd[p] à Δ.................................................................................................. 38
III.a.2.b Fortes énergies : de Δ à l’infini..................................................................................................... 38
III.b. Solution complète ................................................................................................. 39
IV. CALCUL DU COURANT ................................................................................................... 42
V. SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT ET INTÉGRATION LOGICIELLE................................. 44
VI. RÉSULTATS NUMÉRIQUES.............................................................................................. 47
VI.a. Simulation Monte Carlo....................................................................................... 47
VI.b. Comparaison des résultats obtenus avec le modèle compact et par simulation
Monte Carlo ..................................................................................................... 48
VII. UTILISATION DU MODÈLE COMPACT POUR L’ANALYSE DE L’IMPACT DE LA DISPERSION
TECHNOLOGIQUE SUR LA CONCEPTION D’UN CIRCUIT.............................................. 53
VIII. CONCLUSION ................................................................................................................. 56
CHAPITRE 3 : MODÈLE DU TRANSISTOR À NANOTUBE DOUBLE
GRILLE (DG-CNFET)...................................................................58
I. INTRODUCTION.............................................................................................................. 59
II. FONCTIONNEMENT ........................................................................................................ 60
III. CALCUL DES CHARGES .................................................................................................. 61
III.a. Schéma de remplissage des états ......................................................................... 62
III.b. Mise en équation .................................................................................................. 65
III.c. Résolution de l’équation constituante de la charge............................................. 71
III.c.1 Cas A : fortes énergies, eVO < sbbd[p] + eVDS – 1,6 kBT................................................... 72
III.c.2 Cas A complémentaire : énergies proches du bas de sous-bande, eVO > eVI – 1,6 kBT...... 76
III.c.3 Cas B : énergies proches de eVI – eVDS, sbbd[p] + eVDS + 1,6kBT > eVO > sbbd[p] + eVDS –
1,6kBT........................................................................................................................... 79
III.c.4 Cas C : faibles énergies, eVO > sbbd[p] + eVDS + 1,6 kBT................................................. 82
III.c.5 Solution complète ................................................................................................................ 84
III.c.5.a Paramètre de limite d’intégration.................................................................................................. 85
III.c.5.b Fonction de lissage........................................................................................................................ 85
III.c.5.c Comparaison solutions numérique/analytique .............................................................................. 86
IV. CALCUL DU COURANT ................................................................................................... 87
V. SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT ET IMPLANTATION.................................................. 88
VI. RÉSULTATS NUMÉRIQUES.............................................................................................. 90
VII. COMPARAISON AVEC DES MESURES............................................................................... 96
VII.a. Caractéristique de transfert avec grille arrière flottante..................................... 97
VII.b. Caractéristiques de transfert................................................................................ 99
VIII. CONCLUSION ............................................................................................................... 103
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