Simulations quantiques et comparaison de nano-dispositifs – QUASANOVA

Pendant plus de quatre décennies la diminution de la taille des transistors s’est accompagnée d’une augmentation de leurs performances. Cependant, il est unanimement reconnu que de nouvelles architectures seront nécessaires pour atteindre des longueurs de grille de 10 nm prévues dans les prochaines générations de transistors. Dans ce contexte, le développement d’outils de simulation capables de guider l’industrie des semi-conducteurs vers l’architecture la plus performante constitue un des enjeux essentiels des années à venir. La modélisation des dispositifs est ainsi devenue un domaine très concurrentiel à l’échelle internationale. Récemment, plusieurs approches théoriques capturant les effets quantiques se sont imposées, dont celle des fonctions de Green hors-équilibre. Même si ces approches manquent encore de réalisme dans la description de certains effets, elles ont atteint un degré de maturité rendant pertinente la confrontation avec des mesures expérimentales. Ce projet propose donc une comparaison inédite des approches théoriques les plus sophistiqués à ce jour (i.e. basées sur le formalisme des fonctions de Green) avec des mesures expérimentales réalisées sur des transistors à l’état de l’art de la technologie CMOS. L’objectif final est d’analyser à l’aide de modèles validés expérimentalement, les limites des performances de transistors MOS à nanofil et d’évaluer leurs avantages éventuels sur les transistors planaires FD-SOI (fully depleted Silicon On Insulator). Nous explorerons donc les défis auxquels doivent faire face ces deux architectures à partir d’un consortium rassemblant des compétences complémentaires allant de la simulation/modélisation à la fabrication et à la caractérisation de dispositifs.
L’effort collectif des partenaires sera focalisé sur plusieurs mécanismes physiques essentiels à la compréhension du transport quantique dans les nano-transistors, et réparti selon les tâches suivantes:

(i) influence de l’interface Si/SiO2 sur les propriétés de transport, (ii) influence de la diffusion des électrons par les phonons, (iii) étude du transport de trous : transistors de type p, (iv) mesures expérimentales: caractérisation des dispositifs FD-SOI et à nanofil de dernière génération (longueur de grille entre 10 et 20 nm), (v) comparaison à l’aide des modèles théoriques (validés expérimentalement) des architectures FD-SOI et nanofil.
Nous développerons progressivement le premier code quantique 3D validé par des mesures expérimentales. Il permettra d’améliorer l’interprétation des caractéristiques de courant et sera d’une grande utilité pour optimiser les architectures des prochaines générations de transistors.
Le projet QUASANOVA offre une opportunité de fusionner des expertises de différents groupes de recherche qui conduira à des avancées majeures dans la compréhension des nano-transistors.