L'industrie de la micro-électronique a sans cesse cherché à réduire les dimensions caractéristiques des transistors afin d'augmenter leurs performances et d'en intégrer toujours plus sur une même puce. La “longueur” d'un transistor atteint aujourd'hui 22 nm, et devrait franchir la barre des 10 nm d'ici 2020. Cette évolution s'est accompagnée de profondes transformations, avec l'introduction de nouveaux matériaux (oxydes d'Hafnium, …) et l'apparition de nouvelles architectures de composants (transistors “FDSOI” sur films fins, transistors “Trigate” à nanofils...). La réduction de la taille et de la dimensionnalité des transistors a cependant exacerbé les effets quantiques et non locaux, qui compliquent l'analyse qualitative et quantitative de ces systèmes.

La modélisation a un grand rôle à jouer dans la compréhension de ces dispositifs et dans le choix des options technologiques. Toutefois, les corrections quantiques sont mal capturées par les méthodes de simulation semi-classiques habituellement utilisées en micro-électronique. Nous avons donc développé un code de simulation quantique basé sur la méthode des fonctions de Green hors-équilibre. Ce code, TB_Sim, a reçu le troisième prix au concours Bull-Fourier en 2012 pour ses performances sur les super-calculateurs du TGCC à Paris.

Cette année, nous avons utilisé TB_Sim pour modéliser la toute dernière technologie FDSOI de STMicroelectronics, et les prochaines technologies Trigate en préparation au Leti. Dans les transistors FDSOI de STMicroelectronics, le courant circule dans un fin film de silicium de 7 nm d'épaisseur. Une électrode à l'arrière du film permet d'optimiser performances et consommation électrique des transistors en fonction de leur activité, un avantage décisif pour les applications basse consommation. Dans les transistors Trigate du Leti, le courant circule dans un fil de silicium dont les dimensions sont elles aussi de l'ordre de 10 nm. Beaucoup de questions restent ouvertes quant à la physique de ces dispositifs. Pour y répondre, nous avons mené des simulations sur des géométries très réalistes, en prenant en compte les principaux mécanismes limitant le courant : Couplage entre électrons et vibrations du réseau atomique, interactions des électrons avec les surfaces et les charges piégées, etc... Nous avons pu ainsi quantifier l'impact de chaque mécanisme, et faire des progrès décisifs dans la compréhension de ces dispositifs. Nous avons par exemple clarifié le rôle joué par les charges piégées dans les oxydes et analysé en détail l'action de l'électrode de face arrière sur les porteurs de charge. Nous avons même mis en évidence de nouveaux mécanismes de diffusion des électrons !

Nous avons ainsi démontré la pertinence de ces solveurs quantiques pour la modélisation des dispositifs ultimes.