Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 3/45
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
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
Temps de transit des électrons
Temps de charge des jonctionsProduits RC
RBcont
RCcont
RC
CBC
RE+ rE
CBE
RB
Émetteur
Base
Collecteur
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 12/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 13/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 14/45
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 15/45
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.
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 16/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 17/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 18/45
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
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
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 28/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 29/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 30/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 31/45
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 32/45
Enchaînement technologique
InGaAs
InP
Polyimide
Métal
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 33/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 34/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 35/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 36/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 37/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 38/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 39/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 40/45
Connexion du transistor
Connexion par via : problématique sur les transistors de faibles dimensions
Épaississement des électrodes et arasement du polyimide
EC
B EC B
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 41/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 42/45
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)
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 43/45
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 44/45
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
Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 45/45
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