Les TBH III-V :état de l'art et perspectives

Jean-Luc PelouardLaboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN-CNRS)

Marcoussis

● Longtemps parents pauvres de la microélectronique (trop difficiles à fabriquer), les TBH affichent des performances de tout premier plan pour des applications exigeant

– Rapidité

– Tenue en tension

– Puissance● Nouveaux matériaux

● Nouvelles technologies

● Boost du TBH SiGe !

● TBH sur substrat GaAs

– TBH GaInP/GaAs

– TBH GaAs/nitrure faible gap

● TBH sur substrat InP

– TBH InP/InGaAs

– TBH InP/GaAsSb

● TBH GaN

● TBH métamorphiques

● TBH reportés

TBH InP/InGaAs

● Hétérojonction émetteur-base

● Transport électronique dans la base

● Jonction base-collecteur

TBH InP/InGaAs : jonction émetteur-base

● Hétérojonction quasi-idéale : efficacité, recombinaison

● Très faibles vitesses de recombinaison à la surface d'InGaAs

Ledge : gain en courant indépendant de la polarisation0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Ic [mA]

G000420

G000712

Gain

InP

InxGa

1-xAs

InGaAs

p= 2 1019 cm-3

90 nm

Collecteur Schottky

InP

InxGa

1-xAs

InGaAs

p= 4 1019 cm-3

40 nm

Collecteur Schottky

TBH InP/InGaAs : transport dans la base

● Electro-luminescence :

– Injection d'électrons balistiques dans la base

> 35nm => le transport est majoritairement balistique dans la base.

[D.Sicault et al Phys. Rev. B 65 121301(R) (2002)]

W

tr

ts

Électrons balistiques délocalisés

Miroir(contact Ti/Au)

E2E1

E3

InP InGaAsAlAs

dopé p

0

10

20

30

40

0

Dopage de base (cm-3)

3K

300K

4.10191019 2.1019 3.1019

Taux (ps-1)

TBH InP/InGaAs : jonction BC● Hétérojonction base-collecteur

– Tenue en tension (collecteur à grand gap)

– Blocage des électrons en sortie de base

● DHBT : jonction graduelle et/ou composite

[M.Ida et al. IEEE EDL 23(12), 694 (2002)] [M.Dahlstrom et al. IEEE EDL 24(7), 433 (2003)]

fT = 282 GHz f

max = 400 GHzf

T = 351 GHz f

max = 288 GHz

● Semble OK. Quid à plus haute fréquence ?

Base intrinsèque

InGaAs:Be

Pont à air

Collecteur : Tungstène

Contact émetteur InGaAs:Si

InP:Si

InGaAs

Base extrinsèque

Contact ohmique

TBH InP/InGaAs : collecteur métallique

WE=0.5m : f

T = 250 GHz f

max = 275 GHz [coll. F.Mollot IEMN]

InGaAsP

InGaAs base

InP emitter

W collector

1 µm

● MHBT : collecteur métallique (jonction Schottky)

– Réduction de la charge stockée dans la jonction base-collecteur

– Réduction de la résistance d'accès au collecteur

– Meilleure thermalisation

– Meilleures caractéristiques de bruit

InP

InxGa

1-xAs

InGaAs

p= 2 1019 cm-3

90 nm

Collecteur Schottky

Optimisation TBH InP / InGaAs

● SHBT

– SEB=0.35x8m2 J c= 1.15 MA/cm2 (1)

– WBC=75nm fmax=504GHz et fT=261GHz (1)

● DHBT : jonction base-collecteur

● Base graduelle :

– en composition fmax=288GHz et fT=351GHz (2)

– en dopage fmax=400GHz et fT=282GHz (3)

● Effets parasites latéraux : auto-alignement

(1) W.Hafez et al. Electron. Lett. 39(20) 1475 (2003)

(2) M.Ida et al. IEEE EDL 23(12) 694 (2002)

(3) M.Dahlstrom et al. IEEE EDL 24(7) 433 (2003)

TBH InP / GaAsSb

● InP/GaAsSb : type II

– Transport électronique ?

● GaAsSb:C

– Dopages p très élevés (>2.1020cm-3)

– Diffusion du carbone négligeable

– Faible résistivité des contacts p (faible barrière de surface)

– Injections négligeables vers E et C (v = 0.85eV)

-> Transistor à base quasi-métallique

● DHBT : InP/GaAsSb/InP BVCEo > 7V

● fT = fmax = 300 GHz [C.Bolognesi et al. JJAP 41(2B) 1131 (2002)]

RNRT Melba (Opto+, Picogiga, LPN, LPM-INSA, IXL)

TBH GaN

● Potentiel pour applications à :

– Hautes températures, forte tension, forte puissance

● MAIS

– Couche de base très résistive (100 k/carré)

– Pas de gravure humide disponible (matériaux inertes)

– Gravure sèche chlorée : génération de défauts

● Dopage local de type n● Réduction de la durée de vie

● Résultats statiques :

– BVCEo=330V et = 18 (Jc = 1kA/cm2) [H.Xing et al. IEEE EDL 24(3) 141 (2003)]

– W = 270 kW/cm2 [T.Makimoto et al. APL 84(11) 1964 (2004)]

TBH reportés● Technologie du report

– sans contrainte

– en début du process sur de grandes surfaces

● Brasure AuIn [brevet LPN]

● Thermalisation

– MHBT reporté sur substrat conducteur de la chaleur :InP(0.68WK-1cm-1) Si(1.3WK-1cm-1) 6H:SiC(5WK-1cm-1)

● Domaine THz● Applications de puissance

● Intégration

– Hyper - opto, TBH - HEMT ...

– Hyper - IC silicium

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

centerEdge

Tem

pera

ture

Ris

e (

K)

Distance from substrate ( m)

SC ES C B E E Metal

M.Dahlstrom et al. (UCSB)

InGaAs

Conclusions

● Le TBH InP/InGaAs reste le TBH le plus rapidefmax=509GHz, fT=350GHz

● Le TBH InP/GaAsSb présente un très fort potentiel

● Pour être compétitifs les TBH devront intégrer :

– Ledge

– Largeur de doigt d'émetteur < 300 nm

– Jonction base-collecteur < 100 nm

● Pour atteindre le domaine THz:

– Collecteur métallique

– Report sur substrat conducteur de la chaleur

– Base en GaAsSb

TBH GaInP/GaAs

● Le système historique AlGaAs/GaAs n'est plus utilisé : trop difficile, pas assez performant

● Technologie la plus mature

– Commercialisation de circuits rapides et de puissance

● Actuellement optimisation en :

– Thermalisation [B-P. Yan et al. TED 50(10), 2154 (2003)]

– Fiabilité [S.Y. Deng et al. EDL 24(6), 372 (2003)]

TBH GaAs / nitrure faible gap

● GaInAsNSb : alliage faible gap sans contrainte sur GaAs

– Réduction de la tension de seuil donc de la puissance dissipée

● La présence de l'azote introduit des niveaux profonds

– Faibles mobilités 2D et 3D

– Faibles durées de vie : gain (<1 en MBE, <10 en MOCVD)

Ln=36nm

n=20ps

RMNT Reginal (LPN, LPMC-ENS, CRHEA, Picogiga)

220mV

● Progrès matériaux ?

MHBT InP/InGaAs

1 µm

Base

Collector

Emitter

Air gap

Air bridge

Air bridge

InGaAsP

InGaAs base

InP emitter

W collector

1 µm

fT = 250 GHz f

max = 275 GHz

tb + t

c (fs)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

h21

U

fT=250 GHz

fmax=275 GHz

0.1 1 10 100

Frequence (GHz)

Ib =140 mA Ic=14.9 mA

Vce=1.10 VGain (dB)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 500 1000 1500 2000 2500

Epaisseur de collecteur (Ang.)

G000712.2TBHs 5x17

tb + RexCbc (fs)

TBH métamorphiques

● Motivations

– TBH GaN sur Si ou SiC

– TBH InP sur GaAs

● Dimensions des substrats● Coût des substrats InP

● Difficultés

– Réduction des défauts dus au désaccord de maille[F.Mollot IEMN et LPN]

– Dissipation thermique à travers un buffer épais (>1m)[Y.M. Kim et al. IEEE TED 50(5) 1411 (2003)]

● État de l'Art :

– fT = 216 GHz fmax =284 GHz [Y.M.Kim et al. IEEE EDL 25(4), 170 (2004)]