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

Les TBH III-V : état de l'art et perspectives Jean-Luc Pelouard Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN-CNRS) Marcoussis.

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

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  1. Les TBH III-V : état de l'art et perspectives Jean-Luc Pelouard Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN-CNRS) Marcoussis

  2. 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 !

  3. 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

  4. TBH InP/InGaAs • Hétérojonction émetteur-base • Transport électronique dans la base • Jonction base-collecteur

  5. Ga In As 1-x x As Ga In cm p= 2 10 1-x x 19 -3 p= 4 10 cm -3 19 InGaAs InP InGaAs 90 nm InP 40 nm Collecteur Schottky Collecteur Schottky 200 Gain G000712 150 100 G000420 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Ic [mA] 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 polarisation

  6. Électrons balistiques délocalisés 40 Taux (ps-1) t s 30 E E 1 2 20 Miroir E t 3 (contact Ti/Au) r 3K 300K 10 W 0 2.10 0 4.10 10 3.10 19 19 19 19 AlAs InP InGaAs Dopage de base (cm-3) dopé p TBH InP/InGaAs : transport dans la base • Electro-luminescence : • Injection d'électrons balistiques dans la base [D.Sicault et al Phys. Rev. B 65 121301(R) (2002)] L > 35nm => le transport est majoritairement balistique dans la base.

  7. 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 = 351 GHz fmax = 288 GHz fT = 282 GHz fmax = 400 GHz • Semble OK. Quid à plus haute fréquence ?

  8. As Ga In W collector x 1-x p= 2 10 cm -3 19 InGaAs InGaAs base 90 nm InP 1 µm Collecteur Schottky InP emitter InGaAsP TBH InP/InGaAs : collecteur métallique • 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 WE=0.5mm : fT = 250 GHz fmax = 275 GHz [coll. F.Mollot IEMN]

  9. Optimisation TBH InP / InGaAs • SHBT • SEB=0.35x8mm2 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)

  10. TBH InP / GaAsSb RNRT Melba (Opto+, Picogiga, LPN, LPM-INSA, IXL) • 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 (Dev = 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)]

  11. TBH GaN • Potentiel pour applications à : • Hautes températures, forte tension, forte puissance • MAIS • Couche de base très résistive (100 kW/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 b = 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)]

  12. TBH reportés M.Dahlstrom et al. (UCSB) • 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 InGaAs

  13. Conclusions • Le TBH InP/InGaAs reste le TBH le plus rapide fmax=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

  14. 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)]

  15. 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 (b<1 en MBE, b<10 en MOCVD) RMNT Reginal (LPN, LPMC-ENS, CRHEA, Picogiga) Ln=36nm tn=20ps 220mV • Progrès matériaux ?

  16. 50 m =140 I A W collector 45 b Ic=14.9 mA Gain (dB) =1.10 V V h21 ce 40 InGaAs base 35 1 µm 30 U 25 InP emitter InGaAsP =275 GHz f 20 max 15 10 f =250 GHz T 5 0 0.1 1 10 100 Frequence (GHz) 1 µm 800 G000712.2 tb + RexCbc (fs) TBHs 5x17 700 Air bridge 600 500 400 Air bridge Collector 300 Air gap 200 Base 100 Emitter 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Epaisseur de collecteur (Ang.) MHBT InP/InGaAs fT = 250 GHz fmax = 275 GHz tb + tc (fs)

  17. 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 (>1mm)[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)]

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