Effect of discrete impurities on electron transport in ultra-short MOSFET using 3D Monte Carlo simulation

This paper discusses the influence of the channel impurity distribution on the transport and the drive current in short-gate MOSFET. In this purpose, a careful description of electron-ion interaction suitable for the case of discrete impurities has been implemented in a 3D particle Monte Carlo simulator. This transport model is applied to the investigation of 50 nm MOSFET operation. The results show that a small change in the number of doping impurities or in the position of a single discrete impurity in the inversion layer may significantly influence the drain current. This effect is not only related to threshold voltage fluctuations but also to variations in transport properties in the inversion layer, especially at high drain voltage. The results are analyzed in terms of local fluctuations of electron velocity and current density. In a set of fifteen simulated devices the drive current Ion, determined at VGS = VDS = 0.6 V, is found to vary in a range of 23% according to the position of channel impurities.Comment: 31 pages, 13 figures, revised version: discussions and references added, to be published in IEEE Trans. Electron. Device

Scaling Law in Carbon Nanotube Electromechanical Devices

We report a method for probing electromechanical properties of multiwalled carbon nanotubes(CNTs). This method is based on AFM measurements on a doubly clamped suspended CNT electrostatically deflected by a gate electrode. We measure the maximum deflection as a function of the applied gate voltage. Data from different CNTs scale into an universal curve within the experimental accuracy, in agreement with a continuum model prediction. This method and the general validity of the scaling law constitute a very useful tool for designing actuators and in general conducting nanowire-based NEMS.Comment: 12 pages, 4 figures. To be published in Phys. Rev. Let

Propriétés électromécaniques des nanotubes de carbone multiparois

Nous avons cherché, d'une part, à répondre théoriquement et expérimentalement à la question du dimensionnement des nanosystèmes électromécaniques (NEMS) à base de nanotube de carbone (NTC) multiparois, et d'autre part, à appliquer le savoir-faire développé à la réalisation d'interrupteurs. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la déflexion d'un NTC suspendu soumis à une force d'attraction électrostatique. Ce modèle montre qu'il existe une loi d'échelle reliant la déflexion électrostatique aux paramètres géométriques, électriques, et physiques des NEMS à base de NTC. Ce résultat constitue un outil de dimensionnement pour la conception de ces dispositifs, car il permet de prédire leur comportement électromécanique sur une large gamme de paramètres opérationnels. Nous avons aussi mis au point des procédés pour fabriquer des structures intégrant un NTC suspendu actionnable électrostatiquement. La plus simple des structures a été utilisée pour sonder les propriétés électromécaniques des NTC. Nous avons développé une méthode basée sur l'utilisation d'un microscope à force atomique pour mesurer la déflexion en fonction de la tension d'actionnement. Ces mesures montrent clairement, pour différents NTC et sans paramètre ajustable, l'existence d'une telle loi d'échelle. De plus, nous en avons extrait le module d'Young des NTC. Pour des diamètres inférieurs à 30 nm il est constant et vaut en moyenne 400 GPa. Au-delà, nous observons une forte diminution qui pourrait s'expliquer par un régime de déformation non-linéaire. Enfin, nous montrons la réalisation d'un interrupteur électromécanique à base de NTC qui présente de bonnes caractéristiques de commutation.In this PhD thesis, we tackled theoretically and experimentally the problem of designing nanoelectromechanical systems (NEMS) based on multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). Furthermore, we applied our know-how to perform components like switches. We developed a theoretical model to describe the deflection of a suspended MWCNT stressed by an attractive electrostatic force. Our model highlights a scaling law linking up the electrostatic deflection, geometrical, electrical and physical parameters of MWCNTs based NEMS. This result constitutes a practical designing tool because it predicts their electromechanical behaviour on a "large" range of operational parameters. At the same time, we developed several processes to fabricate nanostructures incorporating a suspended MWCNT electrostatically Actuated. Among these different structures, the simplest was used to develop a method for probing electromechanical properties of MWCNTs. Our method is based on atomic force microscopy measurements on a doubly clamped suspended MWCNT electrostatically deflected by a drive voltage. These measurements show clearly for different MWCNTs (different diameter and length) the existence of such scaling law in agreement with the continuum model prediction. From these results, we extracted the Young's modulus of MWCNTs. For diameters smaller than 30 nm it is constant and its average value equals 400 GPa. Above, we observed a strong decrease that could be explained by the entry in a non-linear regime of deformation. Finally, we show the realization of an electromechanical switch based on a suspended MWCNT which presents good switching behaviour.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Etude des propriétés électroniques de molécules organiques au sein d'une jonction métal-molécule-métal

CETTE THESE DECRIT LES TRAVAUX REALISES SUR LE TRANSPORT ELECTRIQUE DANS DES MOLECULES ORGANIQUES INSEREES AU SEIN D'UNE JONCTION PLANAIRE DE DIMENSION NANOMETRIQUE. DANS UN PREMIER TEMPS, ON A MIS AU POINT UNE METHODE DE FABRICATION (COMBINANT LITHOGRAPHIE OPTIQUE ET ELECTRONIQUE) DE NANOFILS D'OR DE DIMENSIONS 50X400 NM2 SUR UNE EPAISSEUR DE 15 NM. SOUS L'EFFET DU PASSAGE D'UN COURANT D'INTENSITE CROISSANTE, CES NANOFILS "CLAQUENT" (DE LA MEME MANIERE QU'UN FUSIBLE) POUR DONNER DES " GAPS " DE L'ORDRE DU NANOMETRE. DES MESURES ELECTRIQUES, REALISEES A FROID (4 K), ONT PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE UN TRANSPORT ELECTRONIQUE DE TYPE TUNNEL A TRAVERS LES JONCTIONS ET D'OBTENIR LES CARACTERISTIQUES MOYENNES DE LA BARRIERE ENERGETIQUE SUPPOSEE RECTANGULAIRE: 1.5 NM DE LARGEUR ET 2.5 EV DE HAUTEUR. DANS UN DEUXIEME TEMPS, DES MOLECULES ET DES NANOPARTICULES ONT ETE INSEREES DANS L'ESPACE AINSI GENERE. ON A AINSI PU METTRE EN EVIDENCE LE PHENOMENE DE BLOCAGE DE COULOMB EN PRESENCE DE NANOPARTICULES, ET UNE CONDUCTION DE TYPE TUNNEL SEQUENTIEL A TRAVERS LES NIVEAUX D'ENERGIE DISCRETS D'UNE MOLECULE. ON A ENFIN OBTENU UNE JONCTION A BASE DE MOLECULES ET DE NANOPARTICULES POUR LAQUELLE UNE MODULATION DE GRILLE PERIODIQUE EST OBSERVEE.THIS PH-D THESIS IS ABOUT ELECTRONIC TRANSPORT THROUGH ORGANIC MOLECULES INSERTED IN A METAL-MOLECULE-METAL JUNCTION. WE DESCRIBE FIRST A SIMPLE PROCESS TO PREPARE SUB-3 NM GAPS BY CONTROLLABLE BREAKAGE (UNDER AN ELECTRICAL STRESS) OF GOLD WIRES LITHOGRAPHED ON A SIO2/SI SUBSTRATE AT LOW TEMPERATURE (4.2 K). WE SHOW THAT THE INVOLVED MECHANISM IS THERMALLY ASSISTED ELECTROMIGRATION. WE OBSERVE THAT CURRENT-VOLTAGE (I-V) CHARACTERISTICS OF RESULTING ELECTRODES ARE STABLE UP TO ~5 V, WHICH GIVES ACCESS TO THE WELL-KNOWN FOWLER-NORDHEIM REGIME IN THE I-V, ALLOWING AN ACCURATE CHARACTERISATION OF THE GAP SIZE. THE AVERAGE GAP IS FOUND TO BE BETWEEN 1.5 NM IN WIDTH AND 2.5 EV IN HEIGHT. MOLECULES AND NANOPARTICULES HAVE THEN BEEN INSERTED IN THE JUNCTION. IN THE CASE OF NANOPARTICULES FOR EXAMPLE, THE RESULTING I-V CLEARLY SHOWS THE SUPPRESSION OF ELECTRICAL CURRENT AT LOW BIAS, KNOWN AS COULOMB BLOCKADE, CHARACTERISTIC OF SINGLE-ELECTRON TUNNELLING THROUGH NANOMETER-SIZED STRUCTURES. FINALLY WE FABRICATED A SINGLE-ELECTRON TUNNELING DEVICE BASED ON AU NANOPARTICLES CONNECTED TO THE ELECTRODES VIA TERTHIOPHENE (T3) MOLECULE. WE USE THE SILICON SUBSTRATE, SEPARATED FROM THE PLANAR STRUCTURE BY A SILICON OXIDE OF 200 NM, AS AN ELECTROSTATIC GATE AND OBSERVED CLEAR CURRENT MODULATION WITH POSSIBLE SIGNATURE OF THE TRANSPORT PROPERTIES OF THE TERTHIOPHENE MOLECULES.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Gate-induced spin precession in an In

We report a study of the gate-induced spin precession in an In0.53Ga0.47As two dimensional electron gas, using a Monte-Carlo transport model. The precession vector originates from the spin-orbit coupling existing at a III-V hetero-interface, usually denoted as Rashba interaction. Contrary to the case of a one dimensional electron gas, the precession vector is randomized by the scattering events, which leads to a non negligible loss of spin coherence for an initially spin-polarized electron population moving along a conduction channel. However, we show that by operating at the liquid nitrogen temperature, or by reducing the channel width to a value close to 0.1 µm, the gate-controlled spin-polarization remains high enough to enable the investigation of the physics of spin-related phenomena in a ferromagnet/semiconductor structure

Réalisation et modélisation Monte-Carlo du Transistor Bipolaire à Hétérojonctions NnpnN InGaAlAs/InGaAs/InGaAlAs

Ce papier présente une étude expérimentale et une analyse par simulation Monte-Carlo de Transistors Bipolaires à Hétérojonctions InGaAlAs/InGaAs/InGaAlAs avec et sans espaceurs. Ces espaceurs, destinés à séparer les jonctions électriques et métallurgiques, permettent de diminuer les hauteurs de barrière vues par les électrons tout en conservant celles vues par les trous. L'injection, de nature thermoïonique pour les hétérojonctions abruptes, se fait par effet diffusif lorsque l'on introduit un espaceur, et ainsi le coefficient d'injection est augmenté. D'autre part les espaceurs au collecteur conduisent à une meilleure collection des électrons, cette collection étant facilitée par une injection d'électrons chauds dans le cas d'une hétéro jonction émetteur-base abrupte. Les gains en courant en émetteur commun obtenus sont supérieurs à 100