Transistor Bipolaire à Hétérojonction GaInAs/InP pour ...

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 :

S. Delage Rapporteur Thales, CorbevilleJ.-L. Pelouard Rapporteur LPN, MarcoussisN. Labat Examinateur IXL, BordeauxP. Frijlink Examinateur Ommic, Limeil-BrevannesF. Aniel Directeur de thèse IEF, OrsayM. Riet Examinateur Alcatel, Marcoussis

Responsable industriel

Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 2/45

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


Réseaux optiques - Présentation

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


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


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


Plan de l’exposé








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 ++ ++ -


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


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


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


Performances dynamiques - Présentation

Facteurs de mériteFréquences de transition fT & fmax

Temps de transit des électrons

Temps de charge des jonctionsProduits RC

RBcont

RCcont

RC

CBC

RE+ rE

CBE

RB

Émetteur

Base

Collecteur


Performances dynamiques - fT

WB = 65 nm, WC = 240 nm : τB+ τC ~ 70 % (à l’optimum) rE (CBE+ CBC) CBC (RE + RC)

Optimisation fTτB + τCrE = kT/nEqIEProduits RC Géométrie et technologie Réduction des dimensions latérales

Optimisation des résistances

~ 30 %

)()(21

CEBCBCBEECBT

RRCCCrf

+++++=⋅

ττπ

Structure épitaxiale Épaisseurs de base et de collecteur

τC

τB

WC

WB


Performances dynamiques - fmax : mise à l’échelle

Optimisation fmax

Augmenter fTMinimisation de RBCBCint

Diminution des épaisseurs B & C augmentation RB et CBC

Compromis sur les épaisseurs de base et de collecteurDoit être compensée par une « mise à l’échelle »Réduction des dimensions latérales

Optimisation de la structure épitaxiale pour une géométrie donnée

intmax 8 BCB

T

CRff⋅⋅

=π

RBcont

RBint

RCcont

RCint + RCext

CBCint CBCext

RE+rE

CBE

RBext


Plan de l’exposé








Structure du collecteur

Zone de désertion = WCEspaceur GaInAsQuaternaires de transitionInP

100 nm < Épaisseur < 300 nm

Géométrie « de référence »Transistor T10RA20

Émetteur 2 x10 µm2

Technologie triple mesa classique

Q1Q2

n- InP

n+ InP

n+ GaInAs

WC

Esp.


Temps de transit

Augmentation fT : corrélée à la diminution de τC

WC = 240 nm τC ~ 0.40 ps fT=180 GHz

WC = 190 nm τC ~ 0.30 ps fT=210 GHz (@ JE>250 kA/cm²)

τF = τB + τC est calculé par soustractions successives

)()(21

CEBCBCBEECBT

RRCCCrf

+++++=⋅

ττπ

WB = 65 nmWB = 65 nm0 100 200 300 400

0,20,30,40,50,60,70,80,91,0

τ F (p

s)

JE (kA/cm²)0 100 200 300 400 500

50

75

100

125

150

175

200 WC = 190 nm 240 nm 290 nm 390 nm

VCE= 1.6 V

f T (G

Hz)

JE (kA/cm²)


Capacité base-collecteur - Variation

JE = 0 CBC = CBC0 = Capacité de la profondeur désertée

JE > 0 Effet de modulation de la capacitéLiée à la variation du temps de transit de collecteur

WC = 240 nm CBC = 20 fF fmax= 220 GHzWC = 190 nm CBC = 24 fF fmax= 230 GHzWC = 140 nm CBC = 29 fF fmax= 160 GHz

τC compense CBC

WB = 65 nmWB = 65 nm0 100 200 300 400

80100120140160180200220240260

VCE= 1.6 V

WC = 140 nm 190 nm 240 nm 290 nm

VCE = 1.6 V

f max

(GH

z)

JE (kA/cm²)100 200 300 400

161820222426283032

JE (kA/cm²)

Cap

acité

bas

e-co

llect

eur

(fF)


Polarisation optimale - 1

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


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)


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)


Plan de l’exposé








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


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


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


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)


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


Temps de transit de base - Modèle

Évolution quasi-linéaire du temps de transitVitesse induite par le champ de gradualitéAccord avec le calcul théorique

0 10 20 30 40 50 60 700,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Tem

ps d

e tra

nsit

de b

ase

(ps

)Epaisseur de base (nm)

−

−−=

−g

B

LW

exit

g

n

g

n

BgB e

vL

DL

DWL

12

τ

vexit = Vitesse de sortie de base =

Lg = kT/E = Longueur équivalente de gradualité

Dn = Diffusivité des électrons

*2mkT

π

Lg = 26 nm Dn = 85 cm²/sLg = 26 nm Dn = 85 cm²/s

E ~ 8 kV/cmE ~ 8 kV/cm µn ~ 3000 cm²/Vsµn ~ 3000 cm²/Vs


Conséquence sur fmax

65 nm 38 nm : l’augmentation de fT compensecelle de RB

Au delà : fmax est pénalisé par RBCBCWB = 65 nm : RB = 26 ΩWB = 25 nm : RB = 55 Ω

(p = 6 x 1019 cm-3)

Compensation par la géométrieOrigine de RB ?

WC = 190 nmWC = 190 nm

intmax 8 BCB

T

CRff⋅⋅

=π

0 100 200 300 400 50080

100120140160180200220240

VCE = 1.5 V

Epaisseur de base : 25 nm 33 nm 38 nm 65 nm

f max

(G

Hz)

JE (kA/cm²)


Origine de la résistance de base

Résistance intrinsèque : dépendante du courant

Résistance extrinsèque : indépendante du courantPossibilité de dissocier Rbint et RBext

Résistance extrinsèque à plus de 80 %Importance de la réduction de sgE

LsgR

R EBBext 2

⋅=

LR

R cBBcont 2

ρ⋅=

10 20 30 40 50 60 70 8010

20

30

40

50

Résistivité p+- GaInAs 2.75 10-3 Ω.cm 3.50 10-3 Ω.cm

RBe

xt+

RBc

ont

(Ω)

Epaisseur de base (nm)

RBint RBext

sgE RBcont


Bilan des optimisations du T10RA20

Structure standard : WB = 65 nm, WC = 240 nmfT = 180 GHz / fmax = 200 GHz

Structure optimisée : WB = 38 nm, WC = 190 nmfT = 220 GHz / fmax = 230 GHzCompromis τ / RBCBC

Conception spécifique de basculeOuverture d’œil : + 3 à 10 %Diagramme de l ’œil à 40 GHz :

0 100 200 300 400 500100

120

140

160

180

200

220

240

f max

(G

Hz)

JE (kA/cm²)

0 100 200 300 400 500

100

120

140

160

180

200

220

240

Standard Optimisée

f T (G

Hz)

JE (kA/cm²)


Plan de l’exposé








Enchaînement technologique

InGaAs

InP

Polyimide

Métal


Axes d’optimisation technologique

Réduction largeur d’émetteurCapacité B/C intrinsèque : CBCint

Résistance de base intrinsèque : RBint

Réduction sous-gravure d’émetteurRésistance de base extrinsèque : RBext

Effet « pyramide » : RE CBC

Réduction surface de mesa de baseCapacité B/C extrinsèque : CBCext

RBint

RCint + RCext

CBCint CBCext

RE

RBext

WE

sgEWcB

WC

intmax 8 BCB

T

CRff⋅⋅

=π

)()(21

CEBCBCBEECBT

RRCCCrf

+++++=⋅

ττπ


Réalisations TBH

Laboratoires académiques :

WE = 0.6 µm / fT = 370 GHz / fmax = 460 GHz (UCSB)WE = 0.4 µm / fT = 509 GHz / fmax = 219 GHz (UIUC)

« substrat transféré »WE = 0.5 µm / fT = 250 GHz / fmax > 1000 GHz

Rendements faibles

WE = 0.5 µm / fT = 250 GHz / fmax = 275 GHz (LPN)

Laboratoires industriels :

WE = 0.8 µm / fT = 330 GHz / fmax = 330 GHz (NTT)Fonderie : fT / fmax ~ 150GHz / 150 GHz

C

BE

C

B

E


Anisotropie de la gravure d’émetteur

Orientation classique : selon [00 -1] ( = 45° / au méplat)Avantage : Sous gravure possible du collecteur

1 µm

Inconvénient : « pied » sortant d’InPplan cristallographique défavorable présentau coin

2µm

[011]

[011][001]

[010]

[010]

[001]

InP


Gravure sèche d’émetteur - Méthode

1 µm

1 µm

Combinaison de gravure sèche et humideRisque de dégradation de la jonction émetteur/base

sgE ~ 0.35 µm

sgE < 0.2 µm

GaInAsInP

Gravuresèche


Gravure sèche d’émetteur - Résultat

Réduction de sgE Sensible sur émetteur de 1 µm

fT et fmax améliorés

Courant optimal augmenté

Ouverture de la technologie classique vers les dimensions sous-microniques

0 2 4 6 8 10 12 1480

100

120

140

160

f T (G

Hz)

Emetteur : 6 x 1 µm² Gravure humide Gravure sèche

Courant (mA)


Le transistor hexagonal - Motivation

Utilise un plan de gravure favorable de l’InPLimitation naturelle de la sous-gravure

Contrôle aisésgE ~ 0.1 µm

Couche GaInAs moins épaisseMeilleure dissipation thermique

2 µm

GaInAs

InP

[011]

[011][001]

[010]

[010]

[001]

InP


Le transistor hexagonal - Inconvénients et résultat

Pas de sous-gravure simple du collecteurPénalisation sur la capacité base-collecteurRéduction nécessaire de la largeur WB

2 µm 0 5 10 15 20 25 30120

140

160

180

200

220

240

260

Hexagonal 6 x 1.5 µm² Classique 6 x 1.5 µm²

f max

(

GH

z)

IC (mA)

120

140

160

180

200

220

240

260

Hexagonal 6 x 1.5 µm² Classique 6 x 1.5 µm²

f T (

GH

z)

WB


Connexion du transistor

Connexion par via : problématique sur les transistors de faibles dimensions

Épaississement des électrodes et arasement du polyimide

EC

B EC B


Performances de transistors sous-microniques

Fabrication de transistors sous-microniquesMoyens technologiques adaptésLithographie par stepper ou faisceau d’électrons

Estimation des performancesWB = 30 nm, WC = 190 nmDiminution WE ne pénalise pas fT si sgE est suffisamment faibleGain important sur fmax

0,4 0,6 0,8 1,0150

175

200

225

250

275

sgE= 0.15 µm 0.1 µm 0.05 µm

f T

(GH

z)

Largeur d'émetteur (µm)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0150175200225250275300325350

sgE= 0.15 µm 0.1 µm 0.05 µm

f max

(

GH

z)

Largeur d'émetteur (µm)


Retour sur la structure de couches

Nouvelle adaptation de la structure de couchesDéplacement du compromis temps de transit / produits RC

Équilibrage fT / fmax

Réduction τF

Réduction dimensions

En particulier, épaisseur de collecteur :150 nm (UCSB)

JE optimal ~ 1000 kA/cm²fT > 300 GHz

75 nm (UIUC)


Plan de l’exposé






6 - Conclusion & Perspectives


Conclusion

TBH GaInAs / InP : Adapté aux circuits à 40 Gb/s et plus

Optimisation de la structure de couche pour la technologie auto-alignée 2µm

Influence de la structure sur les éléments parasites et des temps de transit

Compromis entre temps de transit et temps de charge : Approche globale

Performances : fT = 220 GHz, fmax = 230 GHz

Fiabilisation de la filière

Optimisation des conditions de croissance et des contrôles de structure

Amélioration et développement de briques technologiques

Réduction des dimensions du TBH et de la sous-gravure d’émetteur


Perspectives

Transistor avancé : Fortement sous-micronique (0.5 µm et moins, ...)

Adaptation de la structure (Compromis τ / RC, effets de forte injection,...)

Développement de solution innovantes (sous-gravure de collecteur par couchesacrificielle, … )

Nouvelles structures / technologies

TBH à base de matériaux antimoine

TBH planarisé avec reprise épitaxiale pour maximiser les surfaces de contact

Fiabilisation

Travail à très forte densité de courant

Adaptation du modèle CAO

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