Filière technologique hybride InGaAs/SiGe pour applications CMOS

High-mobility channel materials such as indium-galium-arsenide (InGaAs) and silicon-germanium(SiGe) alloys are considered to be the leading candidates for replacing silicon (Si) in future lowpower complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) circuits. Numerous challenges haveto be tackled in order to turn the high-mobility CMOS concept into an industrial solution. Thisthesis addresses the majors challenges which are the integration of InGaAs on Si, the formationof high-quality gate stacks and self-aligned source and drain (S/D) regions, the optimizationof self-aligned transistors and the co-integration of InGaAs and SiGe into CMOS circuits. Allinvestigated possible solutions are proposed in the framework of very-large-scale integration requirements.Chapter 2 describes two different methods to integrate InGaAs on Si. Chapter 3 detailsthe developments of key process modules for the fabrication of self-aligned InGaAs metal-oxidesemiconductorfield-effect transistors (MOSFETs). Chapter 4 covers the realization of varioustypes of self-aligned MOSFETs towards the improvement of their performance. Finally, chapter5 demonstrates three different methods to make hybrid InGaAs/SiGe CMOS circuits.Les materiaux à forte mobilité comme l’InGaAs et le SiGe sont considérés comme des candidats potentiels pour remplacer le Si dans les circuits CMOS futurs. De nombreux défis doivent être surmontés pour transformer ce concept en réalité industrielle. Cette thèse couvre les principaux challenges que sont l’intégration de l’InGaAs sur Si, la formation d’oxydes de grille de qualité, la réalisation de régions source/drain auto-alignées de faible résistance, l’architecture des transistors ou encore la co-intégration de ces matériaux dans un procédé de fabrication CMOS.Les solutions envisagées sont proposées en gardant comme ligne directrice l’applicabilité des méthodes pour une production de grande envergure.Le chapitre 2 aborde l’intégration d’InGaAs sur Si par deux méthodes différentes. Le chapitre3 détaille le développement de modules spécifiques à la fabrication de transistors auto-alignés sur InGaAs. Le chapitre 4 couvre la réalisation de différents types de transistors auto-alignés sur InGaAs dans le but d’améliorer leurs performances. Enfin, le chapitre 5 présente trois méthodes différentes pour réaliser des circuits hybrides CMOS à base d’InGaAs et de SiGe

Silicon quantum dot devices with a self-aligned second gate layer

We implement silicon quantum dot devices with two layers of gate electrodes using a self-alignment technique, which allows for ultra-small gate lengths and intrinsically perfect layer-to-layer alignment. In a double quantum dot system, we investigate hole transport and observe current rectification due to Pauli spin blockade. Magnetic field measurements indicate that hole spin relaxation is dominated by spin-orbit interaction, and enable us to determine the effective hole $g$-factor $\simeq1.6$. From an avoided singlet-triplet crossing, occurring at high magnetic field, the spin-orbit coupling strength $\simeq0.27$meV is obtained, promising fast and all-electrical spin control

Comprehensive comparison and experimental validation of band-structure calculation methods in III\u2013V semiconductor quantum wells

We present and thoroughly compare band-structures computed with density functional theory, tight-binding, k p and non-parabolic effective mass models. Parameter sets for the non-parabolic C, the L and X valleys and intervalley bandgaps are extracted for bulk InAs, GaAs and InGaAs. We then consider quantum-wells with thickness ranging from 3 nm to 10 nm and the bandgap dependence on film thickness is compared with experiments for In0:53Ga0:47As quantum-wells. The impact of the band-structure on the drain current of nanoscale MOSFETs is simulated with ballistic transport models, the results provide a rigorous assessment of III\u2013V semiconductor band structure calculation methods and calibrated band parameters for device simulations

Hybrid InGaAs/SiGe technology platform for CMOS applications

Les materiaux à forte mobilité comme l’InGaAs et le SiGe sont considérés comme des candidats potentiels pour remplacer le Si dans les circuits CMOS futurs. De nombreux défis doivent être surmontés pour transformer ce concept en réalité industrielle. Cette thèse couvre les principaux challenges que sont l’intégration de l’InGaAs sur Si, la formation d’oxydes de grille de qualité, la réalisation de régions source/drain auto-alignées de faible résistance, l’architecture des transistors ou encore la co-intégration de ces matériaux dans un procédé de fabrication CMOS.Les solutions envisagées sont proposées en gardant comme ligne directrice l’applicabilité des méthodes pour une production de grande envergure.Le chapitre 2 aborde l’intégration d’InGaAs sur Si par deux méthodes différentes. Le chapitre3 détaille le développement de modules spécifiques à la fabrication de transistors auto-alignés sur InGaAs. Le chapitre 4 couvre la réalisation de différents types de transistors auto-alignés sur InGaAs dans le but d’améliorer leurs performances. Enfin, le chapitre 5 présente trois méthodes différentes pour réaliser des circuits hybrides CMOS à base d’InGaAs et de SiGe.High-mobility channel materials such as indium-galium-arsenide (InGaAs) and silicon-germanium(SiGe) alloys are considered to be the leading candidates for replacing silicon (Si) in future lowpower complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) circuits. Numerous challenges haveto be tackled in order to turn the high-mobility CMOS concept into an industrial solution. Thisthesis addresses the majors challenges which are the integration of InGaAs on Si, the formationof high-quality gate stacks and self-aligned source and drain (S/D) regions, the optimizationof self-aligned transistors and the co-integration of InGaAs and SiGe into CMOS circuits. Allinvestigated possible solutions are proposed in the framework of very-large-scale integration requirements.Chapter 2 describes two different methods to integrate InGaAs on Si. Chapter 3 detailsthe developments of key process modules for the fabrication of self-aligned InGaAs metal-oxidesemiconductorfield-effect transistors (MOSFETs). Chapter 4 covers the realization of varioustypes of self-aligned MOSFETs towards the improvement of their performance. Finally, chapter5 demonstrates three different methods to make hybrid InGaAs/SiGe CMOS circuits

Scaling without scaling

Microelectronics is as pervasive as it is invisible. It is however impacting every moment and aspect of our daily lives and has radically transformed all industries. Yet, this adventure began only about 60 years ago, with the first integrated circuits by J. Kilby and R. Noyce