Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Physique des Dispositifs > Simulation numérique et modélisation
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La simulation numérique est un moyen performant d'analyse et de compréhension des phénomènes physiques. Cette méthode est, de plus, amenée à prendre une part de plus en plus importante en recherche. En effet, pour décrire correctement le comportement de composants dont la taille ne cesse de décroître, il est de plus en plus nécessaire de faire appel à des modèles microscopiques. Ces modèles ne présentant, en général, pas de solution analytique, la méthode numérique doit être employée. Celle-ci permet, soit d'orienter le choix des approximations dans les approches analytiques, soit d'obtenir des résultats directement comparables à ceux de l'expérience. Il s'agit ici d'un apport de la simulation à la compréhension des effets physiques mis en jeu. Une fois cette compréhension établie, la simulation complète de composant apporte une aide déterminante à la conception de nouveaux dispositifs.

Au sein du groupe de Physique de Dispositifs, nous développons des simulateurs intégrant des modèles physiques microscopiques afin de permettre une comparaison directe avec l'expérience. La réalisation d'un simulateur de processus atomiques et moléculaires est une oeuvre de longue haleine. L'un des problèmes majeurs rencontrés dans la modélisation des composants et des procédés pour une simulation dynamique à l'échelle atomistique, est l'étendue sur plusieurs ordres de grandeurs, de l'échelle de temps et d'espace. Deux types de simulateurs sont développés :

  • La simulation des procédés technologiques vise à décrire la physique des dépôts : épitaxie par jets moléculaire (EJM) ou dépôt de diélectrique
  • La simulation du comportement électrique de composants est une activité très ancienne dans le groupe. Mise en sommeil pendant plusieurs années faute de bras, elle présente de nouveau à nos yeux un caractère de développement prioritaire pour venir étayer les études faites sur les TBH ultra rapides (Cf. Action TBH).
D'autre part notre expérience dans le domaine de la simulation numérique nous a poussé à participer à la réflexion engagée à l'échelle du laboratoire pour répondre à la forte demande de simulations numériques.

Activités

Dépôt de diélectrique

Le simulateur conçu à la base sur un modèle atomistique développé ad hoc, facilite l'obtention des effets morphologiques atomistiques de nucléation et de dépôt en temps réel à trois dimensions par une méthode combinée Monte Carlo - Dynamique Moléculaire surfacique. Le modèle conçu prend en compte l'apport des étapes réactionnelles élémentaires hors équilibre par l'intermédiaire d'une activation thermique et/ou photonique. La validation a été effectuée en collaboration avec How Kee Chun et J-L. Courant (Alcatel Opto+) sur le nitrure de silicium 1.

épitaxie

L'épitaxie par jet moléculaire tient un rôle prédominant dans la réalisation des composants et des nanonostructures III-V. Dans une première étape notre but a été, dans cette action, de concevoir les éléments de modélisation de la brique d'épitaxie à l'échelle nanométrique. Nous avons développé un algorithme qui peut à la fois décrire et prédire fidèlement l'évolution des surfaces, interfaces et épaisseurs vers leur topologie finale, anticipant la réalisation de dispositifs. Ultérieurement cet algorithme pourrait être développé pour une gamme plus étendue d'épaisseurs allant de l'échelle nanométrique au mésoscopique, voire micronique.

simulation d'epitaxie
fig 1 : Simulation 3D de début de processus d'épitaxie.

Une première validation expérimentale de la simulation de la rugosité bidimensionnelle à l'échelle nanométrique a été obtenue dans le cas d'une homoépitaxie sur InP, en collaboration avec J-C. Harmand pour l'épitaxie et J-M. Moison pour les mesures par Microscope à Force Atomiques (AFM). Le taux de croissance a été simulé correctement sur un substrat orienté (001). Un maillage de 50 x 50 sites a permis une simulation allant jusqu'à 10 nm environ. La très grande stabilité des résultats à l'échelle nanométrique a également pu être démontrée 2.

Implantation et diffusion

La demande de simulation de la diffusion des espèces dans les semiconducteurs III-V ont d'abord été initiée à l'intérieur du groupe. En effet par implantation ionique d'un caisson implanté p+ entre la couche de base et le contact de base est une solution attrayante au problème de la réalistion des TBH à base fine (< 100 nm). L'activation électrique des dopants ainsi que la guérison des défauts créés par l'implantation nécessitent un recuit au cours duquel une diffusion, qui peut être très rapide, a été observée. De la compréhension des mécanismes mis en jeu à la prédiction d'un procédé de fabrication minimisant les effets de diffusion, la simulation numérique apporte un complément essentiel à l'expérience.

Les très forts niveaux de dopage (> 5x1019 cm-3) utilisés dans les TBH, associé à la forte diffusivité du béryllium dans les semiconducteurs III-V, a rendu le problème ici assez complexe. Un travail de validation a été entrepris dans le cadre de la thèse de S. Demichel 3. et collaboration étroite avec J. Marcon et S. Koumetz. Il a permis de mettre en évidence le rôle des ségrégations dans le profil de dopage anormal observé par SIMS et non prévu par la modélisation 4.
La modélisation de la diffusion pendant l'épitaxie par jet moléculaire a également été étudiée en  collaboration avec D. Leclerc et J. Marcon.

Autres simulations des procédés

La simulation des procédés se poursuit par la création et la validation de deux modules, l'un dédié au collage anodique  d'InP sur silicium , l'autre pour la simulation des phénomènes d'instabilité en vue de maîtriser les effets de ségrégation en cours d'épitaxie.

Transport non stationnaire dans les TBH

La principale motivation pour re-démarrer une activité de simulation du transport électronique dans le groupe est venue des observations expérimentales faites sur les TBH InP / GaAsSb / InP. En effet les excellentes performances dynamiques récemment obtenues dans ces transistors, réalisées dans des conditions du transport électronique particulièrement défavorables (hétérojonction de type II), tant dans la jonction émetteur-base que dans la base elle-même, posent deux types de questions.

La contribution du transport électronique aux limitations en fréquence des TBH ultra-rapides est-elle correctement décrite ? Quel serait l'impact d'une amélioration significative des conditions de transport dans le TBDH InP/GaAsSb sur ses performances dynamiques?

C'est à ces questions que nous tenterons de répondre, en étudiant en détail l'injection d'électrons « froids » dans la base, la relaxation de cette population hors-d'équilibre, son transport dans la base (avec ou sans gradient de composition) ainsi que la dynamique de la collection par une hétérojonction de type II. Basé sur des simulations Monte-Carlo particulaires 1D (le champ électrique est calculé dans la direction perpendiculaire au plan d'hétérojonction) et étayé par des validations expérimentales réalisées dans la même équipe, ce travail débouchera sur une description synthétique (modèle analytique) du comportement dynamique du TBH intrinsèque utilisable par un simulateur macroscopique de type SPICE.

Une deuxième partie portera sur l'étude des effets de bord (diffusion latérale des porteurs, recombinaison des électrons minoritaires, accumulations dynamiques de porteurs...) qui, devenant prépondérants au fur et à mesure que les dimensions des transistors sont réduites, jouent un rôle déterminant dans les performances extrinsèques des TBDH ultra-rapides. Ces limitations présentes dans tous les TBH, devraient, par la présence de l'hétérojonction de type II, être exacerbées dans ce système. Cette étude, par sa capacité à identifier les origines physiques des différentes limitations ainsi qu'à quantifier leur importance relative, fournira une base solide pour la conception d'une nouvelle génération de TBH ultra-rapides.

Activités de service

Notre expérience acquise en simulation nous a naturellement conduit à initier une reflexion sur la création d'une cellule de simulation, ayant une activité de services au niveau du laboratoire. La pérénité des codes développés, le maintient d'un savoir-faire en développement de logiciels scientifiques, la potentielle intégration de modèles développés au cours d'études amont dans des logiciels plus vastes et plus conviviaux, la bonne gestion des moyens logiciels et de calculs intensifs au laboratoire, sont autant de points qui militent pour une organisation minimale, au niveau du laboratoire, des moyens de simulations.

Partenaires

  • Jean-François Palmier (Alcatel Opto+)
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Puce Membres

Contacts

 Pelouard Jean-Luc  (+33) 1 69 63 61 47  
 Bernardi Lorenzo  (+33) 1 69 63 63 51  

Et aussi...

 David Christophe  (+33) 1 69 63 61 82  
 Gierak Jacques  (+33) 1 69 63 60 75  
 Harmand Jean-Christophe  (+33) 1 69 63 60 81  
 Moison Jean-Marie  (+33) 1 69 63 61 80  
 Wang Zhao-Zhong  (+33) 1 69 63 61 85  

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Puce Publications

Publications dans des journaux
  • Atomistic comparative study of VUV photodeposited silicon nitride on InP (100) by simulation and atomic force microscopy , J. Flicstein, E. Guillonneau, J. Marquez, L. S. How Kee Chun, D. Maisonneuve, C. David, Z.-Z. Wang, J. F. Palmier, J. L. Courant, Appl. Surf. Sci. 154-155, 337 (2000)
  • Atomistic comparative study of VUV photodeposited silicon nitride on InP (100) by simulation and atomic force microscopy: discrete representation and topological analysis , J. Flicstein, E. Guillonneau, J. Marquez, L. S. How Kee Chun, D. Maisonneuve, C. David, Z.-Z. Wang, J. F. Palmier, J. L. Courant, Comput. Mat. Sci. 17, 525 (2000)
  • Gallium arsenide fast photodetectors: Selection criteria and predicted response , F. Foulon, J. Flicstein, B. Brullot, P. Petit, P. Bergonzo, C. Rubbelynck, J. Appl. Phys. 88, 2634 (2000)
  • Instruments and methods , F. Foulon, J. Flicstein, P. Bergonzo, B. Brullot, P. Petit, Nucl. Phys. Rev. A 430, 377 (1999)
  • Modeling and dynamic simulation of ultraviolet induced growing interfaces , J. Flicstein, E. Guillonneau, S. Pata, L. S. How Kee Chun, J. F. Palmier, J. L. Courant, Appl. Surf. Sci. 138/139, 394 (1999)
  • Modeling and simulation of ultraviolet induced nucleation and growth tested with silicon nitride onto indium phosphide , J. Flicstein, E. Guillonneau, S. Pata, L. S. How Kee Chun, J. F. Palmier, J. L. Courant, J. Cryst. Growth , 0 (0)
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Puce Stages passés et en cours

Thèse


  • Simulation du transport électronique dans un laser à plasmon de surface

    • T. Petitpre-(2005-10-01 / 2008-09-30)
    Contact : J.-L. Pelouard
    Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
    En savoir plus
    Thèse de Doctorat de l'Université Paris VI

Stage


  • Détecteurs Infrarouge à base de Nanotubes de Carbone

    • Niveau : Master2
    Contact : J.-L. Pelouard , C. Koechlin
    Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
    En savoir plus
    L’unité CIO de l’ONERA est fortement impliquée dans l’étude de la détection optique. Par ailleurs, elle collabore étroitement avec le groupe PhyDis du CNRS/LPN depuis 2004 pour évaluer et exploiter le potentiel des nanotechnologies et des nanomatériaux à l'optique infrarouge. Dans ce cadre, des recherches sont menées sur le potentiel des nanotubes de carbone pour répondre aux besoins de la détection infrarouge – notamment de type bolométrique. Au cours des six derniers mois, nos équipes ont mis au point un procédé de fabrication de dispositifs à base de films de nanotubes de carbone présentant des caractéristiques électriques à l’état de l’art mondial. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort potentiel pour une application de détection dans l’infrarouge moyen (entre 2 et 18m). Le stagiaire rejoindra le projet NanoBolomètres labellisé REI (Recherche Exploratoire et Innovation) et financé par la DGA : il s’agit d’une collaboration avec le RDDC Canadien qui vise à la réalisation, à moyen terme, de détecteurs bolométriques. Il sera chargé de concevoir quelques prototypes selon des paramètres à définir (étude de différents métaux pour les contacts électriques, étude de structures hybrides polymères/nanotubes…), de les fabriquer en salle blanche du CNRS/LPN à partir des process technologiques déjà développés et validés en interne, et de les tester selon les protocoles en oeuvre à l’ONERA/DOTA. Pour cela, il s’appuiera sur une étude bibliographique à mener en début de stage, et bénéficiera de l’expertise et du savoir-faire des équipes déjà en place, dont 1 doctorant et 3 post-docs. L’objectif principal est d’évaluer les performances des différents prototypes en termes de paramètres « détecteurs » (sensibilité, réponse spectrale, temps de réponse), afin d’identifier les pistes technologiques prometteuses. Le travail associé s’inscrit naturellement dans la double logique de la recherche fondamentale (articles à publier) et de la recherche appliquée (brevets à déposer).

  • Étude du transport électronique dans les TBH par simulation Monte-Carlo

    • T. Petitpre-(2004-01-06 / 2004-06-25)
    Niveau : Master2
    Contact : J.-L. Pelouard , L. Bernardi , J.-L. Pelouard
    Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
    En savoir plus
    Stage ingenieur de fin d'etude EPUN

  • Simulation multi-echelle 1D du transport electronique dans les transistors InP/GaAsSb

    • J. Boutkabout-(2003-03-01 / 2004-02-28)
    Niveau : Master
    Contact : J. Flicstein
    Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
    En savoir plus
    Stage ingenieur de fin d'etude EPUN

  • Simulation du collage par Anodic Bonding de diélectriques sur couches métalliques

    • D. Soltani-(2009-04-01 / 2009-06-30)
    Niveau : DUT
    Contact : J. Flicstein
    Groupe : Physique des Dispositifs (PHYDIS)
    En savoir plus
    Stage ingenieur de fin d'etude EPUN
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Mis à jour le
05/07/2012

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