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Présentation
[Action terminée]
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.
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| 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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Et aussi...
PublicationsPublications 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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