Transistor Bipolaire à Hétérojonction GaInAs/InP pour circuits ultra-rapides : Structure, fabrication et caractérisation Thèse de l’université Paris XI - Orsay, présentée par M. Kahn, devant : S. Delage Rapporteur Thales, Corbeville J.-L. Pelouard Rapporteur LPN, Marcoussis N. Labat Examinateur IXL, Bordeaux P. Frijlink Examinateur Ommic, Limeil-Brevannes F. Aniel Directeur de thèse IEF, Orsay M. Riet Examinateur Alcatel, Marcoussis Responsable industriel
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Transistor Bipolaire à Hétérojonction GaInAs/InPpour circuits ultra-rapides :Structure, fabrication et caractérisation
Thèse de l’université Paris XI - Orsay,présentée par M. Kahn, devant :
Explosion récente des télécomsInternetApplications nouvelles (vidéo, ...)
Concentration du trafic sur des dorsalesContinentales / Sous-marines
Longue distanceDébit important
Fibre optique = support le plus performantInformation sous forme d’impulsions lumineusesFaibles pertesFaible dispersion
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 4/45
10 Gb/s
Techniques de transmission - ETDM
Multiplexage temporel (TDM)Alternance temporelle des bits d’informationFonction réalisée sur le signal électriquen (canaux) x d (débit de base) = n x d Gb/s
MUX
10 Gb/s
10 Gb/s
10 Gb/s
40 Gb/s
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 5/45
Architecture système
Traitement du signal en entrée/sortieFonctions analogiques (amplification,...)Fonctions numériques (MUX/DMUX, remise en forme,...)
Manipulation de signaux très hauts débits (circuits rapides) Besoin de composants électroniques rapides
MUX
DEMUX
Amplification
Multiplexage Amplification
Remise en forme
Démultiplexage
Récupération d’horloge
Modulateur
Laser
Multiplexage enlongueur d’onde (WDM)
Débit > 10 Tb/s
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 6/45
Plan de l’exposé
1 - Introduction - Les réseaux optiques
2 - Le Transistor Bipolaire à Hétérojonction
3 - Optimisation de la structure de collecteur
4 - Optimisation de la couche de base
5 - Adaptation technologique
6 - Conclusion & perspectives
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 7/45
Technologies bipolaires disponibles
InP : potentiel matériau le plus élevéTechnologie peu mature comparée à Si / SiGe / GaAsNiveau d’intégration modéréDestiné à des applications fortes performances / faible volume
Pour s’imposer, le TBH InP doit progresser sur plusieurs frontsMaturité industrielle : « from the lab to the fab »Démonstration de performances uniquesExploration de nouvelles solutions (Antimoine, ... )
Technologie Vitesse Puissance Maturité
TBH SiGe ++ - ++TBH Ga As + ++ +
TBH InP ++ ++ -
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 8/45
Structure du TBDH n-p-n InP/GaInAs
Émetteur InP
Base Ga1-xInxAsÉpaisseur ~ 25 - 65 nm
Gradualité de composition
Dopage carbone (p > 3 x 1019 cm-3)
Collecteur InPÉpaisseur ~ 150 - 250 nm
Double hétérojonction (TBDH)
Réduction de l’ionisation dans le collecteur
Tension de travail importante
Quaternaires GaInAsP à l’interface B/C
Réduit le blocage aux discontinuités
Couches de contact GaInAs : Si
Émetteur Bas
e
Collecteur
InP
InP
BV
BC
GaI
nAs
Sous-collecteur
Qua
tern
aire
s
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 9/45
Technologie 2µm triple mesa
Gravure des mesaChimique pour InP et GaInAsUsinage ionique pour les quaternaires
3 niveaux de contacts métalliquesTi / Pd / Au
BaseCollecteurEmetteur
Auto-alignement du contact de base
Réduction de la surface B/CSous-gravure collecteur
2µm
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 10/45
Du composant au circuit
Éléments passifsRésistances & capacités
3 niveaux d’interconnexion
Circuit de multiplexagefonctionnant à 40GHz
Points d’optimisation :Performances dynamiquesConsommationRendement de fabricationFiabilitéModélisation
Rendement TBH = 99 %
50 % de rendement
sur des circuits de 100 TBH
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 11/45
Performances dynamiques - Présentation
Facteurs de mériteFréquences de transition fT & fmax
Effet Kirk = Annulation du champ en entrée de collecteur croissance de τFRetardé grâce à un collecteur fin
biBC VVAiredxE +==∫
⋅
−−==coll
CD
r vqJNqPente
dxdE
εε0
VBC détermine l’aire sous la courbe de champÉvolution de E(x) : à aire constante
Le courant détermine la pente du champ
WC1 WC2
Cha
mp
E
J=0 VCB
WC1 WC2
J
WC1 WC2
J
EffetKirk
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 19/45
Polarisation optimale - 2
Collecteur fin repousse le courant d’effet KirkPermet de travailler à plus forte densité de courant JE
Permet de travailler à plus faible tension VCE
Réduction de la consommation électrique
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
0,4
0,6
0,8
1,0
JE= 160 kA/cm²Collecteur :
190 nm 290 nm 390 nm
f T re
latif
VCE (V)
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,40,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
JE= 160 kA/cm²Collecteur :
190 nm 290 nm 390 nm
f max
rel
atif
VCE (V)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 20/45
Tension de claquage
Champ E dans le collecteur ~ 1/WC
Collecteur fin induit une tension de claquage réduite
BVCE0 ~ 6V reste adapté aux applications circuit
100 200 300 4002
4
6
8
10
12 InP n ~ 2 x 1016at / cm3 (nid) InP n = 5 x 1016at / cm3
B
V CE
0 (V
)
Epaisseur de Collecteur (nm)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 21/45
Plan de l’exposé
1 - Introduction - Les réseaux optiques
2 - Le Transistor Bipolaire à Hétérojonction
3 - Optimisation de la structure de collecteur
4 - Optimisation de la couche de base
5 - Adaptation technologique
6 - Conclusion & perspectives
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 22/45
Compromis sur la base
Collecteur : l’épaisseur (WC) règle un compromis entre temps de transit (τC)et capacité (CBC)
Base : l’épaisseur (WB) et le dopage (NA) règlent un compromis entreTemps de transit (τB)Résistance de base (RB)
Gain (β = τn / τB) : τn = Temps de vie des électrons, lié au niveau de dopage
Méthodologie d’optimisation de la baseRéduction τBGainRésistance de couche
Maintenus par augmentation du dopage
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 23/45
Gradualité de composition
Base : alliage Ga1-xInxAsVariation de x (composition) dans la coucheBase de 65 nm : x = 46 % 53 %
Champ électrique ~ 8 kV/cmRéduit les recombinaisons de surfaceAccélère le transit des porteurs
Augmentation du gain
Importance du contrôle de la gradualitéTrop faible : champ de balayage peu intenseTrop élevée : relaxation de contrainte
Défautscristallographiques
From Benchimol & al.J. Crystal Growth, 2000
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 24/45
Contrôle de la gradualité
Spectre de diffraction X et ajustement des paramètres de simulationÉpaisseur WB
Compositions extrêmes
WB = 29 nm∆a/a : -3100 -4700 ppm
x : 52 % 47.5 %
WB = 29 nm∆a/a : -3100 -4700 ppm
x : 52 % 47.5 %
WB = 63 nm∆a/a : 0 ppm -5300 ppm
x : 53 % 44 %
WB = 63 nm∆a/a : 0 ppm -5300 ppm
x : 53 % 44 %
32,8 33,0 33,2 33,41
10
100
1000
10000
100000
Base graduelleGa1-xInxAs
Pic substratInP
Mesure Simulation
Cou
ps/s
Ω (deg)32,6 32,8 33,0 33,2 33,41
10
100
1000
10000
100000
Base graduelleGa1-xInxAs
Pic substratInP
Ω (deg)
Mesure Simulation
Cou
ps/s
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 25/45
Adaptation du dopage
β > 20 et RB < 1000 ΩCompromis entre gain et résistance : NA ~ 5 x 1019 cm-3
Pour RB donné, la base la moins dopée a le gain le plus élevéImpossibilité de conserver β et RB élevés par diminution d’épaisseur et augmentationde dopageLimite de la méthode d’optimisation
200 400 600 800 1000 1200
20
40
60
80
100
25 nm38 nm
28 nm
42 nm
95 nm
Dopage de la base : 3 x 1019 at/cm3
5 x 1019 at/cm3
6 x 1019 at/cm3
Gai
n st
atiq
ue
Résistance couche de la base (Ω)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 26/45
Temps de transit de base - Variation
100 200 300 400
160
180
200
220
240
VCE = 1.5 V
Epaisseur de base :
25 nm 33 nm 38 nm 65 nmf T
(GH
z)
JE (kA/cm²)
Réduction épaisseur base 65 nm 25 nmRéduction temps de transitτB : 0.25 0.1 psfT : 210 250 GHz
WC = 190 nmWC = 190 nm
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 27/45
Temps de transit de base - Modèle
Évolution quasi-linéaire du temps de transitVitesse induite par le champ de gradualitéAccord avec le calcul théorique