Modelling tunnel effect in semiconductor nanocrystal-based devices: phonon-assisted tunnel effect.

Modélisation de l'effet tunnel à un électron dans les dispositifs à nanocristaux semiconducteurs : effet tunnel à un électron assisté par phonon

Audrey Valentin (1)

1 IEF - Institut d'électronique fondamentale

Within the frame of a study of nanocrystal-based devices as nanocrystal flash memory or single electron transistor, this work aims at accurately modelling the tunnel transport between two nanocrystals, which requires to take into account the energy level broadening induced by the electron-phonon coupling. The vibrational modes in silicon nanocrystals of varying sizes have first been calculated using the Adiabatic Bond Charge Model (ABCM). The results obtained present a very good agreement with experimental Raman spectra. The density of states (DOS) of large nanocrystals has been compared to the bulk silicon DOS. It appears that the DOS are very close, except in specific frequency ranges where surface modes, which do not exist in bulk silicon, have been identified. The electron-phonon interaction has then been taken into account in the calculation of spectral function. The obtained electron-phonon scattering rates are much higher than the tunnel transfer rates: the interaction with phonons is enough to guarantee a sequential transport. The tunnel transfer between two nanocrystals has been modelled with these spectral functions. The current through a two-nanocrystals-based device has been calculated. The study of the influence of different parameters on this current shows a behaviour conform to expected results.

Dans le cadre d'une étude sur les dispositifs à nanocristaux (NC) de silicium, tels que les mémoires flash à nanocristaux et le transistor à un électron, ce travail de thèse a pour objectif de modéliser avec précision le transport d'électrons par effet tunnel entre deux nanocristaux ; cela impose de tenir compte de l'élargissement des niveaux d'énergie électronique dans les NC induit par le couplage entre les électrons et les phonons. Les modes de vibration des NC de silicium de tailles variables ont dans un premier temps été calculés en utilisant l'Adiabatic Bond Charge Model (ABCM). Les résultats obtenus présentent une très bonne concordance avec les spectres Raman expérimentaux. Les densités d'états (DOS) des nanocristaux de grande taille ont été comparées avec la DOS du silicium massif. Il apparaît que les DOS sont globalement très proches, excepté dans des gammes de fréquences spécifiques où des modes de surface, inexistants dans le cristal massif, ont été identifiés. L'interaction électron-phonon a alors été prise en compte par un calcul de fonctions spectrales. Les fréquences d'interaction électron-phonon obtenues sont très grandes par rapport aux fréquences de transfert tunnel : l'interaction avec les phonons suffit donc à garantir un transport séquentiel. Le transfert tunnel d'un nanocristal à l'autre a été modélisé grâce à ces fonctions spectrales. Le courant à travers un dispositif comprenant deux nanocristaux a été calculé. L'étude de l'influence des différents paramètres sur ce courant à travers le dispositif montre une évolution conforme aux résultats attendus.

Mots clés: Modeling; Electron-phonon interaction; Nanoelectronics; Coulomb blockade; Tunnel current; Phonon-assisted tunneling; Phonon dispersion; Spectral function

Mots clés: Modélisation; Interaction électron-phonon; Nanoélectronique; Blocage de Coulomb; Courant tunnel; Effet tunnel assisté par phonon; Dispersion de phonons; Fonction spectrale

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Audrey Valentin. Modélisation de l'effet tunnel à un électron dans les dispositifs à nanocristaux semiconducteurs : effet tunnel à un électron assisté par phonon. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paris Sud - Paris XI, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00350414⟩