Gradualité de base

Dans nos essais de structures à épaisseur de base réduite, la gradualité en composition avait été adaptée de manière à conserver un champ électrique induit inchangé (~ 8 kV/cm) d'une base à l'autre. Cette partie décrit la réalisation de deux essais de modifications de la gradualité de base. La première porte sur l'intensité de la gradualité en composition, la deuxième sur le remplacement de la gradualité de composition par une gradualité de dopage.

3.3.7.1 Amplitude de gradualité de composition

L'augmentation de la gradualité de composition est susceptible de permettre une amélioration des performances des TBH, grâce à deux effets :

• Un champ électrique plus intense dans la base pourrait permettre d'augmenter la vitesse des électrons et ainsi de réduire le temps de transit associé τB.

• La solubilité du carbone en tant que dopant est plus élevée dans le GaAs que dans le GaInAs. Des mesures réalisés précédemment au laboratoire 11 avaient ainsi montré que la résistance de couche de base était diminuée lorsque la composition moyenne de la base se rapprochait de GaAs, car le dopage de la couche était augmenté.

La structure TBH 82480 intègre une gradualité de composition différente de la structure standard. L'amplitude de gradualité est ici adaptée de façon à avoir un champ électrique autour de 16 kV/cm. Ce champ est entre 2 et 3 fois plus important que sur la structure 82438 qui intègre une base de même épaisseur.

Plaque n° ^Epaisseur _(nm) x émetteur x collecteur _(meV) ^{∆Eg Champ équivalent} _(kV/cm)

82438 33 0.486 0.52 20 6

Le flux de dopant CBr4 injecté lors de la croissance épitaxiale des deux structures et correspond, sur la plaque 82438, à un dopage de 5 x 1019 at/cm3.

La résistance de couche de base, ainsi que le gain statique en courant des deux structures sont présentés dans le tableau suivant :

Plaque n° ^{Résistance de}

couche (Ω/□) ^{Gain statique}

82438 840 30 82480 860 31

Tableau 3-13: Gain et résistance de base de structures à gradualités différentes

Il apparaît que, ni le gain, ni la résistance de couche ne sont affectés de façon significative par le doublement de l'amplitude de gradualité. La résistance de couche inchangée indique un niveau de dopage moyen identique sur les deux structures, ce qui va à l'encontre du résultat évoqué en référence.11 Le gain inchangé indique que le temps de transit de base est identique sur les deux structures, et donc qu'au-delà d'une certaine valeur, l'augmentation du champ électrique de base ne modifie plus τB. Ce résultat est étayé par une publication récente,21 dans laquelle la gradualité de composition est fortement augmentée grâce à une technique de compensation de la contrainte épitaxiale. De même que dans notre cas, le gain n'augmente plus au-delà d'une certaine amplitude de gradualité. Cette observation est à mettre en regard avec les résultats qui seront présentés au chapitre 5. Toutefois, nous pouvons indiquer ici le phénomène observé pourrait correspondre au fait que le champ électrique de 15.5 kV/cm dans la structure 82480 ne permettrait pas d'augmenter la vitesse globale des porteurs, il est au-delà du champ critique dans le GaInAs, qui est de 5 kV/cm environ.

3.3.7.2 Gradualité de dopage

Récemment, une équipe de l'université UCSB a présenté un TBH GaInAs/InP intégrant une couche de base dont la gradualité en composition a été remplacée par une gradualité de dopage.22 Le niveau de dopage est ainsi modulé de 8 x 1019 at/cm3 côté émetteur, à 5 x 1019 at/cm3 côté collecteur. Le principe du dopage graduel est d'induire, par variation du niveau de Fermi, un champ électrique balayant les porteurs. Ce principe est depuis longtemps exploité dans les transistors bipolaires en silicium,23 pour minimiser le temps de transit.

La structure 82457 intègre une base conjointement graduelle en composition et en dopage, dont les paramètres et les caractéristiques statiques sont récapitulés dans le tableau suivant. Pour mémoire, les paramètres de la plaque 82438 intégrant une couche de base identique sans gradualité de dopage, sont rappelés.

Plaque n° ^Epaisseur de base (nm)

Composition en

indium (at/cm^Dopage 3) statique ^Gain

Résistance couche de base (Ω/□) x = xE 0.486 82438 33 x = xC 0.52 ^{5 x 10} 19 30 840 x = xE 0.486 x = xE 5 x 1019 82457 33 x = xC 0.52 x = xC 7 x 1019 17 810

Tableau 3-14: Paramètres de la gradualité de dopage

La structure 82457 présente une résistance de couche légèrement (moins de 5 %) inférieure à la 82438, mais en revanche son gain statique en courant est deux fois plus faible. Il apparaît, après analyse, que l'utilisation d'un dopage constant légèrement au-dessus de 5 x 1019 at/cm3 permettrait d'obtenir une résistance de couche équivalente à la structure 82457, tout en conservant un gain statique proche de 30. Cette déduction s'appuie sur les résultats du paragraphe 3.3.2, qui montrent que l'utilisation dans la base d'une zone très fortement dopée (NA ~ 7 x 1019 at/cm3) pénalise le compromis gain / résistance de base, en raison de la non-linéarité de la relation entre temps de vie électronique et dopage. Par ailleurs, des mesures en régime dynamique montrent que les temps de transit de base des structures 82457 et 82438 sont analogues.

Ainsi, l'augmentation du champ électrique dans la base, par superposition d'une gradualité de composition et de dopage, ne semble pas permettre d'augmenter les performances dynamiques de nos composants. Ce résultat est à mettre en parallèle avec le paragraphe précédent, qui nous avait montré que l'augmentation de ce champ par l'utilisation d'une gradualité en composition d'amplitude supérieure à la structure standard n'avait pas non plus d'influence sur le temps de transit de base.