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Cette étude porte sur l'intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d'économies d'énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d'intégration. Cette thèse se propose d'employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l'oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc. Les avantages de ce procédé sont triples : capacité de créer des dispositifs SETs à large marge d'opération, répétabilité élevée, et compatibilité potentielle avec une fabrication en BEOL. Ce dernier point est particulièrement important. En effet, il ouvre la voie à la fabrication de nombreuses couches de SETs empilées les unes sur les autres et formant ainsi des circuits 3D, réalisées au-dessus d'une couche de CMOS. Ceci permettrait d'apporter une forte valeur ajoutée aux plaques de CMOS existantes. On présentera les réalisations obtenues par une adaptation du procédé nanodamascène à une fabrication en BEOL, en mettant en avant les limites rencontrées, et les perspectives d'améliorations. Des caractérisations électriques des dispositifs seront aussi présentées. Elles démontrent la fonctionnalité des dispositifs créés, et valident le transfert avec succès de la méthode nanodamascène à une fabrication en BEOL. Elles ont aussi permis d'identifier la présence d'un nombre élevé de pièges au coeur des dispositifs fabriqués. L'étude du potentiel des SETs fabriqués pour la réalisation de circuits hybride SET-CMOS a été faite au travers de simulations. D a ainsi été possible d'identifier les pistes à privilégier pour les réalisations futures de circuits hybrides.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques.

Ce mémoire est le résultat d'une recherche purement exploratoire concernant la définition d'une application de réseaux de neurones à base de transistors monoélectroniques (Single-Electron Transistor, SET). Il dresse un portait de l'état de l'art actuel, et met de l'avant la possibilité d'associer les SET avec la technologie actuelle (Field Electron Transistor, FET). La raison de cette association est que les SET peuvent être perçus comme un moyen de changement de paradigme, c'est-à-dire remplacer une fonction CMOS occupant une grande place par un dispositif alternatif présentant de meilleures performances ou équivalentes. Par l'intermédiaire de leurs caractéristiques électriques peu ordinaires au synonyme de"l'effet de blocage de Coulomb", les SET ont le potentiel d'être exploités intelligemment afin de tirer profit sur la consommation énergétique essentiellement. Cette problématique est présentée comme une des propositions alternatives"Beyond CMOS" aux termes de la diminution géométrique des transistors FET à la lumière de l'ITRS. Cette recherche propose d'exposer des circuits électroniques de technologie MOS complétés à l'aide de SET (circuits hybrides) et de montrer que l'on est capable de les remplacer ou les compléter (partiellement) dans des architectures à réseau de neurones. Pour cela, des simulations sous logiciel Cadence Environnement permettront de valider le comportement des circuits sur plusieurs critères tels que la vitesse de réponse et la consommation énergétique, par exemple. En résultat, seront proposées deux architectures à réseaux de neurones de fonctions différentes : une architecture Winner-Take-All et un générateur de spikes en tension. La première étant inspirée d'une publication provenant de GUIMARAES et al., veut démontrer qu'à partir d'une architecture SET existante, il est envisageable de se l'approprier et de l'appliquer aux paramètres des SET du CRN[indice supérieur 2] augmentant donc nos chances de pouvoir les concevoir dans notre grou

Ce mémoire est le résultat d'un projet de fabrication de transistors monoélectroniques (SET). Ces dispositifs, fabriqués pour la première fois à la fin des années quatre-vingt, permettent d'observer le passage d'un nombre discret d'électrons entre deux électrodes. À température ambiante, le fonctionnement des transistors n'est pas garanti, et nécessite généralement des composantes de taille nanométriques. Autrefois vus comme de potentiels remplaçants aux transistors MOSFET dans les circuits intégrés, les SET ont vu le consensus général quant à leur application migrer vers les applications-niche, et vers une intégration hybride SET-CMOS. On présente ici une méthode de fabrication basée sur un procédé damascène développé par Dubuc et al .[10][l1]. Les résultats obtenus antérieurement ont démontré que des transistors ainsi fabriqués atteignent des températures maximales d'opération de 433K. Par contre, la fabrication fait appel exclusivement à la lithographie par faisceau d'électrons. Si cette technique permet de définir des motifs de très petite taille, elle est néanmoins relativement lente pour l'écriture de motifs de plus grande taille tels que des pistes de contact électrique. Les motifs sont lithographies directement dans le SiO[indice inférieur 2], qui est une électrorésine à très haute résolution, mais qui demande des doses d'expositions très élevées, ralentissant davantage le procédé. De plus, les transistors utilisent l'arrière de l'échantillon en lieu de grille de contrôle, ce qui fait qu'il est impossible de contrôler individuellement les transistors. Le projet de recherche propose une plateforme pour la fabrication de SET damascène par lithographie hybride. Le but est de prendre avantage à la fois de la rapidité et de la production en lot de la photolithographie, et de la capacité d'écriture de composantes de taille submicronique de l'électrolithographie. On propose également l'ajout d'une grille individuelle auto-alignée et la migration vers la gravure pla

This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55 [micro]m. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to 1.55 [micro]m using the"double cap" procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Micro-photoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 [micro]m from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a high spatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dot using a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantum light sources at 1.55 [micro]m.

Actuellement, plusieurs types de photodétecteurs sont disponibles sur le marché. Leurs performances se caractérisent notamment par la réponse spectrale, le courant d'obscurité, le rapport signal sur bruit, le rendement quantique et le temps de réponse. L'émergence de nouvelles applications nécessite des photodétecteurs de plus en plus sensibles, afin de pouvoir détecter de très faibles niveaux de radiation, voire de pouvoir compter des photons un par un. Ce travail de thèse s'intéresse aux moyens de réalisation de nanopixels pour la détection de faibles niveaux de lumière visible, en utilisant l'absorption dans des nanocristaux de silicium. Après avoir discuté de l'influence de la réduction des dimensions sur les propriétés électroniques et optiques du silicium, ainsi que de l'utilisation du blocage de Coulomb pour la photodétection, nous présentons un procédé de fabrication et d'isolation de nanopiliers contenant des nanocristaux de silicium dans une matrice d'oxyde de silicium. Les caractéristiques électriques des nanopixels intégrant ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence les phénomènes de piégeage de charges dans les îlots, ainsi que leur contribution aux mécanismes de transport. Nous présentons finalement une première étude des propriétés électro-optiques des nanopixels qui ont été caractérisés par des mesures de photocourant.

Ce travail porte sur le développement d'un procédé de fabrication de transistor monoélectronique {single-electron transistor, SET). II dresse un portrait de l'état de l’art actuel et met en lumière un manque dramatique de marge d'opération dans le fonctionnement de ces dispositifs. Cette problématique est présentée comme une des limites majeures aux espoirs de développement commercial de cette technologie. La thèse propose d'aller chercher la marge de manoeuvre manquante par un procédé de fabrication qui exploite le contrôle des dimensions verticales des dispositifs. Les résultats montreront que si les approches actuelles 2D semblent avoir atteint leurs limites physiques, l'approche 3D permet d'accéder à des températures d'opération encore insoupçonnées jusqu'à présent. L'impact est important, puisqu'une analyse de la thèse conclura que, même en tenant compte des pires fluctuations du procédé de fabrication, les SETs issus du concept 3D conservent une marge d'opération appréciable. La gamme de température d'opération obtenue est semblable aux transistors à effet de champ conventionnels (field effect transistor, FET) et on peut penser qu'il serait ainsi possible d'utiliser les deux technologies simultanément sur un même substrat afin de créer de nouvelles fonctionnalités issues de cette technologie hybride SET/FET.

1.0. Les principaux objectifs du projet. Le projet présente la théorie et les étapes de fabrication d'un détecteur de courant de faisceau utilisé en microscopie électronique à pression variable. L'utilisation de la microscopie électronique à balayage à pression variable étant utilisée dans un nombre grandissant de champs des sciences de la vie et des sciences de la matière demande le développement de nouveaux outils et instruments facilitant le travail des utilisateurs. Ce dispositif se base sur une jonction Schottky amplifiant le courant de faisceau et permettant de minimiser les impacts indésirables liés à la présence de molécules dans la chambre d'observation en microscopie électronique à balayage à pression variable. Les chapitres 1 et 2 présentent le travail théorique sous-tendant la réalisation du dispositif. 1.1. La fabrication du dispositif. Différents dispositifs ont été réalisés dans le cadre de ce projet et les principales étapes de fabrication sont présentées dans le présent texte. Le chapitre 3 revient sur les considérations théoriques et la littérature discutant des aspects théoriques de la fabrication et du choix des matériaux. Le chapitre 4 discute des différentes étapes de fabrication et des différents dispositifs. Les résultats présentés peuvent être utilisés dans la réalisation d'une jonction Schottky planaire sur substrat de silicium. Le présent mémoire présente aussi les critères de sélection des différentes couches qui pourraient être utilisés dans la fabrication d'une telle jonction sur un autre semiconducteur. 1.2. Résultats. Le chapitre 5 présente les modalités de mesures et les résultats obtenus avec les différents dispositifs, d'abord les tests électriques et ensuite les tests réalisés in situ, dans le microscope électronique à balayage. 1.3. Travaux à venir. Le dispositif obtenu pourra être utilisé dans une caractérisation plus poussée du faisceau d'électrons en mode pression variable. Une analyse géométrique du faisceau et une analyse de

Ce mémoire de maîtrise, a pour thème la validation d'un modèle de simulation de l'interaction électrons-matière en rapport avec la microscopie électronique à balayage. Un logiciel de simulation, CASINO, basé sur la méthode de Monte Carlo, a été développé à Sherbrooke, par le Dr Dominique Drouin [Drouin, 2001]. On peut comparer les résultats théoriques aux données expérimentales. Si on connaît les conditions expérimentales, et que les résultats théoriques concordent, on peut alors considérer que le modèle de calcul est adéquat pour ces conditions de travail. Tout ce travail est basé sur cette démarche de comparaisons. Plusieurs échantillons ont été fabriqués par épitaxie par jets moléculaires de matériaux III-V; Cette technique permet un excellent contrôle de la composition chimique et de l'épaisseur des couches déposées. Des structures équivalentes vont être décrites dans CASINO. Les micrographies obtenues en microscopie électronique à balayage vont servir de données expérimentales; les simulations seront alors comparées aux mesures expérimentales".--Résumé abrégé par UMI.

Ce mémoire de maîtrise présente les résultats obtenus par spectroscopie de la photoluminescence, spectroscopie de la cathodoluminescence et par imagerie de la cathodoluminescence sur un nombre très réduit de boîtes quantiques (BQ). Ces boîtes quantiques d'InAs/GaAs sont formées spontanément lors de la croissance épitaxiale (Stranski-Krastanov) d'InAs sur un substrat de GaAs. La réduction du nombre de BQ sondées a pu être réalisée par la gravure de nanomésas, une technique entièrement développée dans le cadre de ces travaux. Cette isolation d'un nombre de BQ de l'ordre de l'unité (entre 2 et 10) a permis de s'affranchir du problème de l'élargissement inhomogène des raies provenant des fluctuations dans la taille des BQ. Suite à l'isolation, on observe une grande réduction de la largeur à mi-hauteur des pics présents sur les spectres. Ainsi, il est possible de voir les structures sous-jacentes aux gaussiennes initiales dans les spectres de cathodoluminescence. La comparaison de spectres de photoluminescence et de cathodoluminescence nous a mené à conclure que le remplissage des états et la dynamique des porteurs est très similaire dans les deux cas. Ces deux techniques sont donc complémentaires. Les images de la cathodoluminescence obtenues montrent la distribution de l'intensité émise à l'intérieur d'un mésa. La résolution spatiale de ces images est de ~100 nm, soit cinq fois mieux que la résolution d'une autre technique (micro-photoluminescence). En somme, nous avons montré que la spectroscopie et l'imagerie de la cathodoluminescence, jumelé à l'observation au microscope électronique, sont de puissantes techniques peu utilisées à ce jour pour l'analyse structurale et spectrale des boîtes quantiques.

L’objet de ce mémoire est l’étude des propriétés optiques et structurales par la technique de cathodoluminescence (CL) de deux types de structures à boîtes quantiques d’InAs/InP fabriquées au CNRC à Ottawa. Il s’agit, en premier, des structures à BQs d’InAs/InP dont la croissance est effectuée par auto-assemblage sur un substrat planaire d’InP. L’autre type d’échantillons est une structure à BQs d’InAs/InP dont la croissance est effectuée sur des nanomésas de différentes tailles fabriqués par des techniques de nanolithographie et gravure. Dans cette étude nous avons montré que la CL à faible énergie présente un grand avantage pour la réalisation des images CL de haute résolution spatiale. Couplée à un microscope électronique à effet de champ (FESEM) qui assure un travail à faible énergie la CL nous a permis d’atteindre une résolution spatiale de 130 nm. Des mesures CL en fonction de la température ont été réalisées afin de comprendre le comportement thermique des porteurs à l’intérieur des BQs. Les mesures de l’intensité CL en fonction de l’énergie du faisceau d’électrons sont en bon accord avec les simulations de Monté Carlo. Nous avons montré qu’en minimisant l’épaisseur de la couche d’encapsulation (capping), de façon à ce que les BQs soient plus proches de la surface, il était possible d’améliorer la résolution spatiale des images CL. Le système d’imagerie par CL a été largement exploité pour examiner la qualité structurale et optique de nos différentes structures à BQs. Sur les structures à substrat planaire, les images CL ont révélé l’existence de différentes familles de BQs dont la taille ou la forme varie. Sur les nanomésas, nous avons réussi à montrer la luminescence du WL situé sur les facettes (110) et sur le sommet (001) des mésas, ainsi que la luminescence des boîtes localisées au sommet des mésas. On a remarqué une non-uniformité de la luminescence des BQs au sommet de certaines mésas, ce qui montre l’existence des inhomogénéités dans la distribution