Semi-empirical and ab-initio simulation of quantum transport in nanoscale devices

La diminution agressive de la taille des transistors menée par l'industrie microélectronique a atteint l'échelle nanométrique. Les performances des composants à cette échelle sont fortement impactées par des phénomènes quantiques (effet tunnel, confinement, interférence, ...) mais le contrôle électrostatique devient également plus délicat. Pour gagner en performance, il devient indispensable de prendre ces phénomènes en compte et d'explorer des alternatives au MOSFET à base de silicium qui est la référence actuelle. En support de cette tâche, il est important de mettre en place une approche théorique rigoureuse pour étudier les propriétés électroniques des matériaux et simuler les performances des composants. Dans cette thèse, nous proposons de développer un modèle du transport électronique basé sur le formalisme des fonctions de Green hors équilibre. La particularité de notre approche est l'utilisation de Hamiltoniens de type pseudopotentiels développés sur des ondes planes. Ces Hamiltoniens peuvent être de type soit semi-empirique soit ab-initio. Ils permettent d'obtenir une description atomistique du matériau et ainsi d'avoir une description précise à l'échelle microscopique. Dans un premier temps, nous développons le modèle des Hamiltoniens pseudopotentiels empiriques pour étudier des hétérostructures de matériaux III/V (InAs/GaSb) avec une interface non abrupte. Cette méthode a été appliquée à l'étude de composants basés sur l'effet tunnel, la diode Esaki et le tunnel FET. Les résultats montrent une dégradation du courant lorsque la région de transition est longue. Une comparaison avec une étude expérimentale a permis également de montrer la précision de nos simulations. Pour la suite, la thèse se concentre sur les Hamiltoniens obtenus à partir de calculs ab-initio. Nous avons commencé avec le développement d'un modèle pour étudier les Hamiltoniens des hétérostructures en étudiant deux approches ab-initio, une basée sur le Hamiltonien d'un des matériaux isolés et la deuxième basée sur le Hamiltonien d'une super cellule de l'hétérostructure. Les modèles ont été appliquées à deux composants, un MOSFET composé de monocouche et bicouche de PtSe₂ et un tunnel FET composé de monocouche PdSe₂ et de monocouche SnS₂. Cela a permis de montrer que l'étude de l'interface entre deux matériaux distincts requiert l'utilisation d'approches sophistiquées pour décrire le couplage entre les matériaux. Pour améliorer le modèle, nous avons ensuite inclus les interactions