Le transistor hexagonal

Au paragraphe 4.3.1.1, nous avons vu que la présence de directions de gravure privilégiées dans les III-V, et en particulier dans l'InP, rendait problématique la définition d'un mesa d'émetteur à flancs verticaux. Une orientation différente des composants, à 45° de l'orientation considérée jusqu'à maintenant, permet de tirer avantage de l'anisotropie des gravures chimiques. La figure suivante présente les profils de gravure de l'InP pour différentes orientations de mesa.

[011] [011] [001] [010] [010] [001]

Figure 4-23: Flancs de gravure de l'InP en fonction de la direction cristallographique

Dans tout ce qui a été présenté jusqu'ici, les transistors étaient orientés le long de l'axe cristallographique [010], c'est-à-dire à 45° par rapport au méplat principal des substrats d'InP. Pour un mesa orienté dans cette direction (ou perpendiculairement), la couche d'InP peut être sous-gravée chimiquement. Lors de la gravure de l'émetteur de nos transistors, c'est au niveau du coin du mesa qu'apparaît le flanc sortant d'InP, car à cet endroit se révèle le plan cristallographique [0 1-1], qui ne se sous-grave pas.28

Il apparaît que le comportement des sous-gravures dans les directions [0 1-1] et [011], c'est-à-dire parallèlement et orthogonalement au méplat principal, est bien différent. Pour un mesa orienté parallèlement au méplat, la couche d'InP ne pourra pas être sous-gravée, et présentera un flanc de gravure sortant prononcé. A l'inverse, la sous-gravure de l'InP sur un mesa perpendiculaire au méplat montrera un flanc légèrement rentrant, ce qui est précisément le profil recherché pour notre mesa d'émetteur. Ainsi, en orientant le mesa d'émetteur dans cette direction, le retrait nécessaire pour réaliser l'auto-alignement de la base se fera de façon simple. En revanche, pour ne pas avoir de flancs fortement sortants aux deux extrémités du mesa, celles-ci sont dessinées en forme de pointes dont les contours sont alignés selon les directions permettant leur sous-gravure, ce qui confère à ce type de transistors une forme hexagonale.

GaInAs InP

Figure 4-24: Transistor de forme hexagonale

Les transistors hexagonaux furent initialement présentés par l'équipe japonaise de NTT,21, 22

et cette technologie est aujourd'hui largement adoptée par les équipes travaillant sur le TBH GaInAs/InP. Ses avantages sont multiples.

Premièrement, l'utilisation de transistors hexagonaux permet de diminuer la dimension des composants jusqu'à des émetteurs sous-microniques, pour lesquels l'orientation classique est inappropriée. Sur un émetteur hexagonal de 400 nm d'épaisseur, grâce à l'absence de flanc sortant dans l'InP d'émetteur, une sous-gravure de 0.1 µm environ peut être rendue compatible avec l'auto-alignement de la base. Dans le cas d'un émetteur classique, nous avons vu que cette sous-gravure devait être d'au moins 0.25 µm. Lorsque les dimensions sont inférieures au micron, ce gain de 0.15 µm sur la sous-gravure devient crucial.

2 µm

2 µm

figure 4-25: Photo au microscope électronique d'un émetteur de transistor hexagonal en coupe (a), et dans le sens de la longueur (b)

Ensuite, l'utilisation de la forme hexagonale va dans le sens de la reproductibilité et de la simplification du processus de fabrication. Le contrôle de la profondeur de sous-gravure d'émetteur est aisé, car celle-ci s'arrête d'elle même le long de l'axe principal du mesa. Là où une observation systématique au microscope électronique était nécessaire sur les

transistors classiques, le respect d'un temps de gravure donné pourra être sur les hexagonaux.

Enfin, dans le but de favoriser l'évacuation thermique des transistors, il est possible sur les hexagonaux d'augmenter l'épaisseur de la couche d'InP par rapport à celle de GaInAs dans l'émetteur. Cela était impossible sur les transistors classiques en raison de la pénalisation de sous-gravure qui en résultait.

En revanche, le blocage de la sous-gravure de l'InP, qui est un avantage dans le cas de la gravure d'émetteur, devient un inconvénient lors de la gravure du mesa de base, car il devient impossible de sous-graver la couche d'InP de collecteur. Le transistor est alors pénalisé par une surface de mesa base-collecteur importante, ce qui induit une forte capacité base-collecteur, limitant les performances dynamiques du composant. La figure suivante présente un transistor hexagonal après gravure du collecteur, sur lequel l'absence de sous-gravure est visible.

2 µm

Figure 4-26: Photo MEB d'un transistor hexagonal après gravure du mesa de base

Lorsque la sous-gravure est naturellement impossible, ce qui est le cas ici, il devient nécessaire que la largeur des contacts de base soit faible de part et d'autre du mesa d'émetteur, de façon à réduire la surface de jonction et donc la capacité. Néanmoins, nous présenterons au paragraphe 4.3.2.1 un procédé rendant possible la sous-gravure du collecteur sur les transistors hexagonaux.

Pour les raisons présentées précédemment, les transistors hexagonaux se montrent incontournables pour la réalisation de composants de dimension sous-micronique. Au paragraphe 4.4, nous présenterons les caractéristiques attendues pour de tels transistors avec des géométries adaptées, et nous constaterons qu'ils possèdent un potentiel élevé en termes de performances dynamiques.

En l'absence d'une adaptation complète de la géométrie, les performances des transistors hexagonaux, et en particulier leur fréquence maximale d'oscillation, sont limitées par la capacité base-collecteur. La figure suivante présente les fréquences de gain unitaire (a) et maximales d'oscillation (b), pour deux TBH, l'un classique et l'autre hexagonal, ayant des dimensions de métallisation d'émetteur équivalentes. Sur le transistor classique, le collecteur est sous-gravé conformément à la technologie standard. La largeur des contacts de base a été réduite à 1 µm, sur le transistor hexagonal, par rapport aux 1.5 µm habituels.

0 5 10 15 20 25 30 120 140 160 180 200 220 240 260 Hexagonal 6 x 15 µm² Classique 6 x 15 µm² fT (G Hz) I_C (mA) (a) 0 5 10 15 20 25 30 120 140 160 180 200 220 240 260 Hexagonal 6 x 15 µm² Classique 6 x 15 µm² fma x (GHz ) I_C (mA) (b)

Figure 4-27: Performances dynamiques d'un transistor hexagonal, comparaison avec un transistor classique

Les deux composants ayant des fT équivalents, une différence importante sur la valeur de fmax est induite par la capacité base collecteur du transistor hexagonal. Celle-ci est de 25 fF environ, alors qu'elle ne vaut que 17 fF dans le cas du transistor classique. Cette différence provient des surfaces de jonction base-collecteur : 15 µm² environ dans le cas du transistor hexagonal, contre 7 µm² pour le classique. Au delà de la pénalisation due à la capacité base-collecteur, on remarque ici les bonnes performances du transistor hexagonal : fT/fmax~ 218/222 GHz. Ces performances seront dans le futur améliorées par des modifications appropriées : réduction de la largeur d'émetteur, réduction de la largeur de contact de base, et utilisation d'une structure épitaxiale optimisée.

4.3.2.1 Sous-gravure du collecteur sur les transistors hexagonaux

La sous-gravure directe des transistors hexagonaux est impossible car l'orientation cristallographique du plan à graver latéralement bloque la gravure chimique. Contrairement à l'InP, le GaInAs ne présente aucune direction de blocage à la gravure chimique. Ainsi, en

insérant une couche de GaInAs sacrificielle dans le collecteur, il sera possible de la sous-graver chimiquement, et de transmettre verticalement cette sous-gravure aux couches d'InP voisines, toujours par voie chimique. Lors de l'étape de sous-gravure de GaInAs de collecteur, il est nécessaire de protéger la couche de base. La protection peut être réalisée au moyen d'un plot de résine déposé après l'étape de gravure du collecteur, et recouvrant le mesa d'émetteur et de collecteur, comme le montre la figure suivante :

InP GaInAs InP (a) (b) InP GaInAs InP (c) (d) (e)

Figure 4-28: Procédé de sous-gravure des transistors hexagonaux par protection complète du mesa de base. (a) Gravure du collecteur, (b) protection, (c) sous-gravure du GaInAs, (d)

Gravure verticale de l'InP, (e) dissolution de la résine

La photo suivante présente une réalisation de composant au moyen du procédé décrit précédemment.

Figure 4-29: Photo MEB d'un transistor hexagonal à collecteur sous-gravé

La difficulté de la réalisation de ce procédé concerne l'alignement entre la sous-gravure de collecteur et le mesa d'émetteur, qui peut être perturbé par :

• Un désalignement lithographique entre le mesa d'émetteur et la résine de protection,

• Une sous-gravure de collecteur trop faible ou trop forte, cette sous-gravure se réalisant 'en aveugle', car le mesa d'émetteur est recouvert par la résine.

L'utilisation de moyens lithographiques plus précis, comme un masqueur électronique, permettraient de réduire ces difficultés, grâce à une meilleure précision d'alignement, et grâce à la possibilité de réaliser la protection de résine au plus près de la métallisation de base. Toutefois, l'utilisation d'un procédé auto-aligné pour la réalisation du niveau de protection, aurait pour intérêt de supprimer l'étape d'alignement. Une solution alternative a ainsi été étudiée. Elle consiste, comme cela est présenté en figure suivante, à protéger la base au moyen d'un anneau de résine, logé à l'emplacement de la sous-gravure de base.

Résine de protection

InP

GaInAs

InP

Figure 4-30: Etapes de sous-gravure auto-alignée du collecteur sur les transistors hexagonaux

La résine de protection de l'émetteur, déposée avant la gravure de la base, est conservée. L'anneau de protection de la base peut être obtenu par insolation directe, la résine se trouvant à l'emplacement voulu étant protégée des UV par le métal de base. Une autre possibilité est de réaliser l'anneau de protection de la base au moyen d'un espaceur en nitrure de silicium SiNx.