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Transistor Bipolaire à Hététrojonction GaInAs/InP
pour circuits ultra-rapides : structure, fabrication et
caractérisation
Mathias Kahn
To cite this version:
Mathias Kahn. Transistor Bipolaire à Hététrojonction GaInAs/InP pour circuits ultra-rapides :
struc-ture, fabrication et caractérisation. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paris
Sud - Paris XI, 2004. Français. �tel-00006792�
N° D'ORDRE :
UNIVERSITE PARIS XI
UFR SCIENTIFIQUE D'ORSAY
THESE
Présentée
Pour obtenir
Le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES
DE L'UNIVERSITE PARIS XI ORSAY
PAR
Mathias KAHN
Sujet : Transistor Bipolaire à Hététrojonction GaInAs/InP
pour circuits ultra-rapides : structure, fabrication et
caractérisation
Soutenue le 2 Juin 2004 devant la commission d'examen
F. Aniel
Directeur de thèse
S.
Delage
Rapporteur
J.-L. Pelouard
Rapporteur
N. Labat
Examinateur
M. Riet
Examinateur
Remerciements
Je tiens tout d'abord à remercier F. Brillouet pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire Opto+ à Marcoussis, et m'avoir ainsi permis de réaliser ce travail de thèse dans d'excellentes conditions.
Ma reconnaissance va ensuite à A. Scavennec, dont la connaissance du transistor bipolaire à hétérojonction, et plus généralement de la physique des composants à semi-conducteurs, m'a éclairé lors de ce travail à de nombreuses reprises.
F. Aniel a bien voulu, depuis l'Institut d'Electronique Fondamentale d'Orsay, encadrer cette thèse. Je le remercie pour avoir assumé cette tâche, ainsi que pour son dynamisme, son soutien et ses compétences scientifiques.
Je remercie les rapporteurs S. Delage et J.-L. Pelouard pour l'intérêt qu'ils ont porté à mon travail. Merci également aux autres membres du jury qui ont accepté de juger cette thèse : N. Labat et P. Frijlink.
J'ai trouvé dans le groupe "composants bipolaires à hétérojonction" une ambiance particulièrement favorable pour mener à bien ce travail. Je remercie J. Godin, qui le dirige, de m'y avoir accueilli. Ce travail aurait été inenvisageable sans la participation de M. Riet, qui dirige les développements technologiques du transistor bipolaire à Opto+. Je la remercie sincèrement pour son soutien sans faille, ainsi que pour les nombreux échanges que nous avons pu avoir. Je tiens également à remercier l'équipe des technologues travaillant aux développements du TBH : V. Dhalluin, C. Fortin, et tout particulièrement P. Berdaguer. Ma profonde reconnaissance va également à S. Blayac, qui m'a guidé tout au long de ce travail, et qui m'a transmis de nombreuses connaissances sur la physique du TBH.
Je remercie les personnes du groupe "matériaux et épitaxie", qui ont largement participé à ce travail : J-L. Benchimol, J.-L. Gentner, A. Pinquier, F. Lelarge, F. Gaborit, et tout particulièrement F. Alexandre, qui a toujours été très présent sur le bâti d'épitaxie par jets chimiques, et qui m'a grandement aidé.
Le transistor bipolaire développé à Opto+ trouve son application dans des réalisations de circuits numériques, dont la conception est dirigée par A. Konczykowska. Qu'elle en soit remerciée, ainsi que P. Jorge et E. Dutisseuil pour leur investissement dans la caractérisation des composants.
Merci à S. Long, maître de conférence à l'IEF, pour son investissement dans la mesure des facteurs de bruit des TBH.
Je remercie toutes les personnes ayant à diverses occasions collaboré à ce travail : S. Vuye, F. Blache et G. Post pour leur aide occasionnelle en caractérisation, N. Broqua et C. Jany pour des moments passés en salle blanche, ainsi que E. Deroin et O. Drisse pour leur travail sur le masqueur électronique. Je remercie le personnel administratif, et en particulier B. Duval, P. Téfaine, S. Le Calvez et C. Delavault.
Un grand merci au stagiaires, thésards et autres collègues que j'ai quotidiennement côtoyés pendant ces trois années et que je ne peux tous citer. Parmi eux M. Medjoub, M. Muller, S. Withitsoonthorn, G. Rondeau, A-E. Kasbari, C. Méliani, V. Puyal.
INTRODUCTION ... 7
1 GENERALITES ... 9
1.1 Une société de l'information...9
1.2 Les télécommunications optiques ...10
1.3 Quel composant pour quelle application ? ...13
1.3.1 Les III-V face à l'hégémonie du silicium ...13
1.3.2 Le HEMT et les applications analogiques ...15
1.3.3 Les applications logiques : la guerre des TBH...15
1.3.4 Le TBH SiGe ...16
1.3.5 Où l'on reparle du CMOS ...19
1.3.6 Le TBH InP : En phase de maturation ...20
1.4 Présentation du TBH InP...23
1.4.1 Historique du TBH ...23
1.4.2 Le TBH InP à OPTO+ ...23
1.4.3 Les matériaux III-V ...24
1.4.4 Principe de fonctionnement du TBH ...28
1.5 Caractéristiques statiques du TBH ...32
1.5.1 Origine des courants ...32
1.5.2 Le tracé de Gummel...34
1.5.3 Les caractéristiques IC(VCE) ...39
1.5.4 Synthèse : les facteurs de mérite en statique...44
1.6 Les facteurs de mérite dynamiques ...45
1.6.1 La matrice [S] ...45
1.6.2 Gains dynamiques et fréquences de coupure ...46
1.6.3 Modélisation électrique et fréquences de coupure ...47
1.7 Etat de l'art...50 1.7.1 Réalisations industrielles ...50 1.7.2 Réalisations académiques ...53 1.7.3 TBH InP métamorphique...57 1.7.4 Matériaux alternatifs ...57 1.8 Références...59
2 CROISSANCE EPITAXIALE... 69
2.1 Introduction ...69 2.2 Technique d'épitaxie...69 2.2.1 Historique ...692.2.2 L'épitaxie par jets chimiques...70
2.3 Le système Riber Epineat...72
2.3.1 Les précurseurs ...73 2.3.2 Les dopants ...73 2.4 Uniformité des dépôts...73 2.4.1 Uniformité en épaisseur ...73 2.4.2 Uniformité en composition ...74 2.4.3 Uniformité du dopage ...78
2.4.4 Uniformité des caractéristiques des TBHs...79
2.4.5 Morphologie des couches ...80
2.5 Matériaux utilisés pour le TBH et conditions de croissance ...81
2.5.1 Dopage résiduel dans l'InP...82
2.5.2 Croissance du collecteur ...83
2.5.3 Croissance de la base ...85
2.5.4 La passivation par l'hydrogène ...86
2.5.5 La base graduelle ...89
2.5.6 Croissance des couches de contact ...93
2.6 Conclusion ...94
2.7 Références...96
3 STRUCTURE DE COUCHES DU TBH ... 101
3.1 Structure standard pour circuits à 40 Gb/s. ...101
3.1.1 Présentation de la structure ...101
3.1.2 Performances dynamiques ...103
3.1.3 Axes d'optimisation de la structure standard...104
3.2 Optimisation du collecteur...106
3.2.1 Fréquence de gain unitaire fT...107
3.2.2 Temps de transit de collecteur ...108
3.2.3 Fréquence maximale d'oscillation fmax...111
3.2.4 Capacité base-collecteur ...111
3.2.5 Recherche des conditions de polarisation optimales...114
3.2.6 Tension de claquage...119
3.2.7 Bilan fT / fmax / BVCE0...121
3.2.8 Vitesse des porteurs dans le collecteur ...121
3.3 Optimisation de la base ...126
3.3.1 Conservation de la gradualité de composition ...127
3.3.2 Compromis entre épaisseur, gain et résistance ...129
3.3.3 Fréquence de gain unitaire fT...132
3.3.4 Fréquence maximale d'oscillation fmax...133
3.3.5 Temps de transit de base...134
3.3.6 Résistance de base ...139
3.3.7 Gradualité de base...146
3.4 Synthèse : épaisseur de base et de collecteur...149
3.5 Evolutions futures...149
3.6 Références...151
4 OPTIMISATIONS TECHNOLOGIQUES... 155
4.1 Technologie de fabrication pour circuits à 40 Gb/s ...156
4.1.1 Briques de base ...156
4.1.2 Enchaînement technologique ...158
4.2 Fiabilisation et réduction des résistances d'accès...160
4.2.1 Passivation de la base par un quaternaire...161
4.3.1 Sous-gravure d'émetteur ...174
4.3.2 Le transistor hexagonal...181
4.3.3 Connexion du transistor ...188
4.4 Optimisation géométrique : évolution vers le transistor hexagonal sous-micronique ...191
4.4.1 Modèle ACPAR...192
4.4.2 Résultats...197
4.5 Conclusion ...204
4.6 Références...205
5 TRANSPORT ELECTRONIQUE DANS LA BASE ... 209
5.1 Mécanismes de recombinaison et de relaxation ...209
5.1.1 Mécanismes de recombinaison ...209
5.1.2 Temps de vie des porteurs ...212
5.1.3 Lien entre gain statique et temps de vie des porteurs...213
5.1.4 Temps de relaxations des porteurs...214
5.2 Mécanismes de transport ...215
5.2.1 Transport diffusif ...215
5.2.2 Transport balistique ...222
5.3 Nature du transport dans la base ...223
5.3.1 Simulation Monte-Carlo ...223
5.3.2 Eléments expérimentaux...229
5.4 Etude du mécanisme de transport à partir des variations du gain statique ...230
5.4.1 Charge de base...231
5.4.2 Expression du gain dans le cas diffusif...231
5.4.3 Confrontation avec la mesure ...235
5.5 Conclusion ...237
5.6 Références...239
CONCLUSION GENERALE... 243
ANNEXE A : MESURES DE BRUIT HAUTE FREQUENCE... 249
A.1 Banc de bruit HF de l'IEF...249
A.2 Résultats ...250
A.2.1 Variations du bruit avec la fréquence ...252
A.2.2 Variations du bruit avec la densité de courant et avec les épaisseurs de collecteur et de base ...253
A.2.3 Variations du bruit avec la largeur d'émetteur ...254
Introduction
La fin du XXème siècle a été le théâtre d'un important développement des
télécommunications à l'échelle mondiale, dont l'un des stimulants fut la généralisation de l'accès à internet. Cet essor n'aurait jamais été envisageable sans l'existence de réseaux de communication performants, capables de transmettre des flux de données grandissants. Ce, en particulier sur certaines liaisons à moyenne et longue distance qui concentrent une grande partie du trafic.
Le support naturel pour de telles voies de communication est la fibre optique, sur laquelle des débits de transmission très importants peuvent être atteints, au-delà de 10 Tb/s (1012
bits par seconde) à l'heure actuelle. De tels débits sont atteints grâce à des procédés de multiplexage de l'information, qui consistent à faire passer dans une seule fibre de multiples canaux. Parmi ces techniques, le multiplexage temporel permet par exemple de regrouper 4 signaux de débit 10 Gb/s en un seul canal à 40 Gb/s.
La réalisation des fonctions de multiplexage électronique, ainsi que d'autres opérations de traitement logique, nécessite la manipulation des signaux sous forme électrique en entrée et en sortie du système de transmission optique. Les circuits électroniques classiques sur silicium sont au-delà de leurs limites de fonctionnement à ces très hautes fréquences. Il est alors nécessaire d'avoir recours à des composants réalisés à base de matériaux semi-conducteurs alternatifs. Parmi eux se trouvent les alliages GaInAs et InP, à base desquels sont réalisés les Transistors Bipolaires à Hétérojonction (TBH), dont il est question dans ce travail.
Le premier intérêt du TBH GaInAs/InP est sa grande rapidité : pour permettre la réalisation de fonctions à 40 Gb/s ou plus, nos composants doivent posséder des performances dynamiques élevées. Toutefois, la finalité de ces TBH est l'intégration au sein de circuits, et les exigences induites par cet objectif sont de taille. La vitesse de fonctionnement n'est en conséquence pas le seul critère important. En outre, nos transistors doivent être capables d'afficher leurs bonnes performances aussi bien à de forts niveaux de tension et de courant qu'à de faibles niveaux de consommation électrique. Par ailleurs, les transistors doivent posséder une bonne résistance au vieillissement, ainsi que de bons rendements de fabrication.
La mise en place d'une filière complète de fabrication de circuits à base de TBH, partant du substrat vierge et allant jusqu'au module final et utilisable dans un système de télécommunications, nécessite que soient maîtrisée un grand nombre d'étapes. Un certain nombre d'entre elles touche directement au composant : conception, épitaxie, fabrication
technologique, caractérisation… A ces étapes doit être ajoutée une certaine compréhension des phénomènes physiques intervenant dans le dispositif, ainsi que la modélisation du TBH et de son fonctionnement hyperfréquence.
Au début de ce travail, l'enchaînement technologique a été réalisé au laboratoire et permettait d'obtenir des composants bipolaires avec une dimension standard au-delà du micron, et des fréquences de transition de l'ordre de 180 GHz. Après avoir présenté au premier chapitre le contexte global des télécommunications et des composants dans lequel se situe ce travail, ainsi que les principes de fonctionnement du TBH, plusieurs axes d'optimisation seront explorés.
Le deuxième chapitre portera spécifiquement sur le procédé de réalisation de la structure de couches du TBH, par épitaxie par jets chimiques. Les questions d'uniformité des dépôts et leur conséquence sur l'uniformité des caractéristiques des composants seront abordées. Une large part des performances du TBH repose sur les propriétés des matériaux intervenant dans la structure de couche ; des évolutions de la méthode d'élaboration seront proposées, de manière à améliorer ces propriétés.
Dans le troisième chapitre, nous nous intéresserons plus particulièrement à la structure de couche du TBH. Les temps de transit de base et de collecteur seront réduits grâce à une diminution des épaisseurs de couche. Les conséquences sur les caractéristiques du TBH sont multiples et seront passées en revue. En particulier, l'influence des évolutions proposées sur les résistances et les capacités parasites sera discutée en détail.
Le chapitre quatre sera focalisé sur la technologie de fabrication du TBH. Les axes d'optimisation de la géométrie du composant seront explicités, et certaines évolutions mises en œuvre. Nous verrons, entre autres, l'importance de la sous-gravure d'émetteur, des résistivités de contact des électrodes, ainsi que les problèmes spécifiques soulevés par l'utilisation d'une forme hexagonale orientée à 45° pour nos composants.
Enfin, le cinquième chapitre portera sur l'analyse des mécanismes physiques intervenant dans la base du TBH GaInAs/InP. En particulier, nous nous interrogerons sur le mode de transport des porteurs minoritaires (les électrons), en transit entre l'émetteur et le collecteur. Une série d'expériences permettant d'apporter un élément de réponse sera réalisée et interprétée grâce à une synthèse des résultats existant sur ce sujet dans la bibliographie.
1 Généralités
Le transistor bipolaire à hétérojonction (TBH), sur lequel se focalise le travail présenté ici, a pour principale application la réalisation de circuits électroniques, pour des applications dans le domaine des télécommunications. Dans ce chapitre, nous allons en premier lieu présenter le contexte global des réseaux de télécommunications et des technologies de composants électroniques dans ce domaine. Plus précisément, nous situerons la position du TBH sur substrat de phosphure d'indium (InP) par rapport aux autres technologies existantes. Dans une seconde partie, nous présenterons les phénomènes physiques fondamentaux régissant le comportement du TBH. Nous exposerons enfin les principales caractéristiques, statiques et dynamiques, de ce composant.
1.1 Une société de l'information
La plus marquante des évolutions sociales survenue durant la dernière décennie du XXème
siècle est sans doute le développement et la démocratisation de l'accès aux "technologies de l'information". Rares sont désormais, dans notre société, les individus n'ayant pas une utilisation quotidienne de ces technologies. Téléphonie, internet, télévision numérique, leurs applications grand public sont multiples, mais ne sont que 'la partie visible de l'iceberg', car la totalité des systèmes globaux économiques, bancaires, et plus généralement d'échange d'information, repose désormais entièrement sur ces nouvelles technologies.
Ainsi, le développement des connaissances techniques et scientifiques liées aux télécommunications a été très intense dans les dernières décennies, et peut être comparée à celui des technologies de l'électricité au XIXéme siècle :
« Il n'est plus un secteur d'activité, une firme ou un ménage qui ne recoure […] à des technologies de l'information et des communications sans même souvent savoir qu'elles sont mises en œuvre. Au même titre que l'électricité à partir de la fin du XIXème siècle diffuse ses
usages, on assiste en cette fin de siècle à une diffusion massive des technologies micro-électroniques, optiques, Hertzienne, […] dans nos économies et sociétés. »
Les technologies de l'information et des communications et l'emploi en France Rapport Direction Générale de l'Industrie, des Technologies de l'Information et des Postes, Laurent Gille et Robert Marti, 2000.
Outre ces interrogations sur les conséquences du développement des télécommunications pour notre société, la réalisation physique de structures permettant des échanges
d’informations variés et quasi instantanés entre un grand nombre d’entités géographiquement éloignées est un défi technologique de taille.
1.2 Les télécommunications optiques
Aujourd'hui, un réseau global de télécommunication ceinture la planète. Ce réseau est composé de nombreuses ramifications allant du réseau local aux liaisons interurbaines, ainsi que de "dorsales" (backbones), qui sont des liaisons continentales ou océaniques, véritables artères du réseau, concentrant les débits d'information les plus importants.
Figure 1-1: Principales dorsales sous-marines du réseau global 1
Dans ce réseau, les informations sont codées numériquement sous forme de bits, unité binaire de valeur 0 ou 1. Les signaux binaires voyagent ensuite sous forme d'un signal optique, à travers des fibres de silice (SiO2), aussi appelées fibres optiques.
Evoquée dès 1966, l'idée de transporter des signaux à grande distance sur une fibre optique ne se développe de façon pratique que progressivement au cours des années 70, en raison des problèmes initiaux d'atténuation du signal lors de la propagation.2 Aujourd'hui, grâce à
de nombreuses améliorations des matériaux utilisés et des procédés de fabrication, le transport d'information sous forme lumineuse à travers une fibre optique s'impose comme principal moyen de communication sur les longues distances. Les débits potentiels de cette
technique, supérieurs à 10 Tb/s, ne peuvent en effet pas être concurrencés par les techniques de communications électriques ou hertziennes.
L'évolution globale des capacités de transmission à travers une fibre optique, qui se mesure en [débit d'information] x [distance de transmission], est représentée en Figure 1-1. On constate en moyenne depuis 30 ans une multiplication par 10 tous les 4 ans de cette capacité. 100 101 102 103 104 105 106 107 108
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Amplificateurs à fibre dopée à l ’Erbium 95 97 99 01 03 1998 2002 Autres Fujitsu Alcatel Lucent Nortel KDD NTT NE C Tycom Pour h uniquementFigure 1-2: Evolution depuis l'apparition des transmissions optiques du produit débit x distance 3
Dans les premiers temps (année 70-90), cette progression est obtenue grâce à l'utilisation, pour la porteuse optique, de longueurs d'onde de plus en plus judicieuses, permettant en particulier de minimiser les phénomènes de dispersion (dispersion nulle à λ = 1.3 µm), puis d'atténuation (0.2 dB/km à λ = 1.55 µm). Grâce à l'utilisation du multiplexage temporel (TDM : Time division multiplexing), la voie vers les débits de 10 Gb/s et plus sur des grandes distances (plusieurs milliers de kilomètres) est ouverte. Cette technique consiste à intercaler entre eux des bits d'information provenant de signaux de fréquence moins élevée que le signal transmis. Par exemple, le multiplexage temporel de 4 signaux à 10 Gb/s produit un signal à 40 Gb/s.
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10 Gb/s 10 Gb/s 10 Gb/s 10 Gb/s4 canaux
40 Gb/s
Figure 1-3: Le multiplexage, fonction élémentaire des transmissions TDM, permet de regrouper N canaux à n Gb/s en un seul canal à N x n Gb/s
Si les débits obtenus en TDM avec l'apparition, vers 1990, des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier), la principale évolution que rend possible ce nouvel élément est le multiplexage en longueur d'onde (DWDM : Dense Wavelenght Division Multiplexing). Cette technique consiste à superposer dans une même fibre un grand nombre de signaux optiques à des longueurs d'ondes légèrement différentes.
λ1 λ2 λ3 λn-1 λn
...
λ1 λ2 λ3 λn ... M U X optiqueFigure 1-4: Multiplexage en longueur d'onde
Aujourd'hui, avec l'association du multiplexage temporel et du multiplexage en longueur d'onde, des débits globaux supérieurs au Tb/s sont atteints sur de longues distances. 3 Un
record de débit de transmission a récemment été établi par une équipe d'Alcatel, avec le multiplexage en longueur d'onde de 256 canaux à 40 Gb/s chacun, permettant d'atteindre sur une distance de 300 km un débit de 10.2 Tb/s.4
Dans un système complet de transmission à haut débit, le signal porteur de l'information subit de nombreux traitements. La plupart d'entre eux, comme par exemple le multiplexage temporel, sont réalisés sur le signal alors qu'il est encore sous forme électrique, c'est-à-dire avant sa conversion électrique/optique. La Figure 1-5 représente une simplification grossière d'un système complet de transmission, et laisse entrevoir la multiplicité de ces fonctions de traitement du signal électrique utilisées : multiplexage, démultiplexage, amplification, remise en forme, récupération d'horloge, etc…
M U X
...
M U X optique D E M U X...
D E M U X optique Amplification Multiplexage Amplification Remise en forme Démultiplexage Récupération d’horlogeFigure 1-5: Schéma complet d'un système de transmission associant le multiplexage en temps et en longueur d'onde
La réalisation de circuits électroniques exécutant ces fonctions, et de façon plus générale manipulant des signaux de fréquences élevées comme ceux utilisés dans ces transmissions à haut débit, requiert l'utilisation de composants extrêmement rapides. Ainsi, il est généralement considéré que pour manipuler et réaliser un traitement sur un signal numérique à une fréquence donnée, on doit disposer de composants dont la fréquence de coupure, c'est-à-dire la fréquence à partir de laquelle la fonction élémentaire du composant n'est plus réalisée (gain = 1 pour un transistor), est de 2 a 3 fois supérieure à la fréquence du signal à traiter. Par exemple, la réalisation de fonctions électroniques portant sur un signal à 40 GHz (c'est-à-dire pour un débit de 40 Gb/s), requiert des fréquences de coupures de 120 GHz ou plus, et des composants avec 300 à 500 GHz de fréquence de coupure sont requis pour traiter un débit de 160 Gbits/s. Ceci pourrait être la prochaine étape dans la course aux débits.
1.3 Quel composant pour quelle application ?
1.3.1 Les III-V face à l'hégémonie du silicium
Depuis l'invention du transistor bipolaire 5 en 1947 par Bardeen et Brattain des 'Bell Labs',
l'industrie des semi-conducteurs n'a jamais cessé de progresser en volume d'activité, en raison de l'augmentation permanente du champ d'application de l'électronique. Parmi les matériaux de base utilisés pour la fabrication des composants, le silicium occupe une position de quasi monopole (98 % du marché en 1995),6 et ce malgré des propriétés
physiques limitées en terme de transport de porteurs et de tenue au champ électrique. Plusieurs facteurs donnent au silicium cette position incontournable. Tout d'abord, le
silicium possède, de façon intrinsèque et en raison de son histoire industrielle, d'importants avantages :
• Abondance et faible coût de la matière première (silice SiO2) utilisée pour la
fabrication des substrats
• Existence d'une interface Si/SiO2 quasi idéale tant électriquement que
technologiquement
• Grande maturité technologique de la fabrication des composants dans cette technologie.
Ensuite, il est à noter que cette hégémonie du silicium s'auto-entretient : en raison de l'importance des investissements cumulés dans cette industrie depuis les années 60, toute utilisation d'une technologie ou de matériaux alternatifs semble suspecte aux yeux des industriels, car elle impliquerait d'importants changements d'infrastructure et d'équipements. Tous les efforts sont ainsi faits pour faire évoluer la technologie de fabrication des composants sur silicium vers des performances de plus en plus élevées, selon les recommandations de la feuille de route des semi-conducteurs (ITRS : Internationnal Roadmap for Semiconductors),7 qui reprend la pragmatique loi de Moore.8
Cette évolution passe par une diminution des dimensions des composants, et implique donc une perpétuelle réduction de la taille des dispositifs qui s'accompagne d'une forte augmentation des coûts des moyens de production : une salle blanche capable de produire sur des tranches de 30 cm des composants de dernière génération coûte près de 1.5 milliards d'Euros 9 ! La limite intrinsèque des composants à base de silicium en dimensions
et en performances a été maintes fois prédite (limite quantique, lithographique, …), mais jusqu'à aujourd'hui toujours repoussée, grâce à des moyens technologiques toujours plus performants (lithographies ultimes, silicium contraint, …).
Malgré la position dominante qu'a le silicium dans le monde des composants, certaines applications dans le domaine des hyperfréquences n'ont pu être satisfaites par la technologie classique, et ont stimulé à partir des années 70 le développement de composants sur une classe de matériaux semi-conducteurs alternatifs, et prometteurs de par leurs propriétés de transport : les matériaux III-V. Cette classe de matériaux sera présentée plus en détail au paragraphe 1.4.3. Le secteur des composants électroniques sur matériaux III-V a depuis les années 80 bénéficié d'un important effort de recherche, permettant dans certains cas leur utilisation industrielle (technologie GaAs pour les amplificateurs de puissance dans les téléphones mobiles par exemple).
Ainsi, les composants sur matériaux III-V sont, aujourd'hui l'une des alternatives au silicium, pour certaines applications où de très hautes fréquences de fonctionnement sont
requises. Pour survivre face à la concurrence de la filière silicium, les composants III-V n'ont d'autre perspective que de s'imposer, par leurs performances inégalées, dans des marchés de 'niche' où leur coût est compétitif.
Ce travail de thèse prenant place dans le domaine des circuits intervenant dans les systèmes de télécommunication optique, nous allons passer en revue, pour ce domaine, les performances des principales technologies existantes.
1.3.2 Le HEMT et les applications analogiques
Le transistor à haute mobilité électronique (HEMT : High Électron Mobility Transistor), est un transistor à effet de champ sur III-V. Le HEMT intègre un canal de conduction non dopé dans lequel les porteurs bénéficient des très fortes valeurs de mobilité des matériaux III-V (GaAs ou GaInAs). Les principaux avantages du HEMT par rapport à ses concurrents, et en particulier face au transistor bipolaire à hétérojonction (TBH), sont :
• Le faible bruit haute fréquence
• Les fréquences de transition et maximales d'oscillation élevées
Grâce à ces deux caractéristiques, le HEMT sera généralement préféré dans les applications analogiques, comme l'amplification haute fréquence faible bruit ou de puissance. En revanche, la dépendance des caractéristiques du HEMT (performances dynamiques et tension de pincement) à certains paramètres technologiques (définition lithographique de la grille), confère une moins bonne homogénéité et reproductibilité des caractéristiques électriques à ce composant qu'au TBH. Par ailleurs, la transconductance du HEMT, qui est faible comparée à celle du TBH, le rend plus sensible aux capacités parasites du circuit, et aussi moins facilement "pilotable" en courant. Pour ces raisons, le HEMT apparaît moins bien adapté aux application logiques que le transistor bipolaire.
Le record actuel des plus hautes performances fréquentielles de HEMT revient à une équipe japonaise, avec un couple ft/fmax de 547 GHz / 400 GHz, pour un composant sur InP.10
Malgré ces inconvénients, la technologie HEMT permet de réaliser des circuits à très hautes fréquences pour les télécommunications.11
1.3.3 Les applications logiques : la guerre des TBH
Le transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) est un équivalent sur matériaux composés du transistor bipolaire à homojonction sur silicium. Par rapport à ce dernier, le TBH intègre
une hétérojonction base-émetteur qui lui permet d'utiliser une couche de base peu résistive et ainsi d'atteindre des performances fréquentielles élevées. La structure et le fonctionnement du TBH seront présentées en détail au paragraphe 1.4.4.
Par rapport à celles souhaitées pour les circuits analogiques, les caractéristiques requises au niveau du composant pour la fabrication de circuits numériques sont différentes. Dans ce domaine, c'est le transistor bipolaire à hétérojonction (TBH) qui répond le mieux à ces attentes. Les caractéristiques du TBH qui font de lui un bon candidat pour la conception de circuits numériques sont :
• Les performances fréquentielles (fT et fmax) élevées.
• La caractéristique exponentielle de la diode émetteur-base, induisant une transconductance élevée favorable au fonctionnement en commutation.12
• La capacité à travailler à des densités de courant et des tensions élevées, grâce aux importantes tensions de claquage BVCE.
• La bonne homogénéité et reproductibilité des performances et caractéristiques électriques, qui en raison de la nature verticale du transport électronique dans la structure TBH, sont contrôlées par les paramètres épitaxiaux indépendamment de la lithographie.
Dans le domaine des circuits logiques, la compétition entre composants silicium et III-V est incarnée par la course aux performances que se livrent les technologies TBH sur InP et TBH à base SiGe sur silicium. La technologie bipolaire SiGe est intégrable avec la technologie MOS classique, comme dans le cas de la technologie BiCMOS, qui est elle-même une intégration de transistors bipolaires et transistors MOS. Cette solution technologique permet donc de réaliser des circuits très haute fréquence sans sortir de l'environnement silicium, et donc de bénéficier de ses avantages en terme de maturité, de coût de fabrication (le passage de la technologie bipolaire Si à SiGe n'augmente le coût que de 15 %),13 et de densité
d'intégration.
1.3.4 Le TBH SiGe
Le concept du TBH "SiGe" constitue une évolution du transistor à homojonction sur silicium, qui consiste à introduire dans la couche de base une proportion de germanium (Ge), dans le but de former un alliage SixGe1-x. Cette évolution du matériau de base a
plusieurs avantages pour la structure de bandes et les propriétés de transport.
(∆EV = 150 meV pour x = 0.2 ). Le composant formé est donc un transistor à
hétérojonction, ce qui permet, tout comme dans le cas du TBH III-V, de doper fortement la base et d'augmenter ainsi les performances fréquentielles du composant (Cf paragraphe 1.4.4.3).
• Les électrons et les trous possèdent une mobilité plus élevée dans SiGe que dans Si. Cela favorise, d'une part, des temps de transit électroniques faibles (mobilité électronique), et d'autre part, une résistance de base faible (mobilité de trous). Ces deux caractéristiques vont dans le sens de meilleures performances fréquentielles.
• En variant la proportion de germanium dans l'alliage de base du TBH SiGe (base graduelle), un pseudo champ électrique est créé dans cette couche, ce qui a pour effet de balayer les électrons injectés, et donc d'améliorer le temps de transit et les performances fréquentielles du composant. Le principe de la base graduelle est détaillé au chapitre 3.
Contrairement à sa concurrente III/V, la technologie SiGe bénéficie des avances technologiques réalisées depuis des décennies sur les composants silicium. Deux possibilités technologiques issues du silicium sont particulièrement appréciables :
• Les technologies de lithographie et de gravure, très avancées sur silicium, permettent d'utiliser des dimensions latérales très faibles. Ceci permet, par une réduction des éléments parasites (résistance, capacité, …) du composant, de compenser les qualités physiques moyennes des matériaux à base de silicium. • Les contacts ohmiques peuvent être répartis sur des surfaces importantes grâce
à l'utilisation de dépôts de polysilicium dopé. Le polysilicium a une très faible résistance de contact avec les matériaux à base de silicium, ce qui permet de réduire fortement les dimensions intrinsèques du composant, sans être pénalisé par les résistances de contact.
La figure suivante présente un exemple de technologie de TBH SiGe, ainsi que l'intérêt du report de contacts grâce au polysilicium.
Base SiGe p+ Poly-Si p+ Emetteur Poly-Si n+ Substrat p -Tranchée d’isolation Sous-collecteur n+ enterré Collecteur implanté n + Collecteur Poly-Si n+ Contact Base Contact Emetteur Contact Collecteur
Figure 1-6: Coupe transversale schématique d'un TBH SiGe 14
Les performances des dispositifs SiGe ont fortement progressé ces dernières années en raison d'un important effort de recherche et développement, comme le montre le nombre d'acteurs industriels de la recherche sur ce sujet. Les résultats les plus marquants sont regroupés dans le tableau suivant.
fT fmax BVCE0 WE Année
350 170 1.4 IBM Microelectronics 270 260 1.6 0.12 2002 14 Infineon 150 180 1.5 0.35 2003 15 STMicroelectronics 166 175 1.8 0.13 2003 16 Hitachi 201 227 - 0.15 2003 17 190 243 1.9 0.18 IHP 147 180 2.5 - 2003 18, 19
Tableau 1-1: Etat de l'art des TBH SiGe
Au niveau de la réalisation de circuits, la technologie SiGe, tout en conservant dans la plupart des cas la compatibilité avec la technologie CMOS sur silicium, semble avoir prouvé sa capacité à concurrencer les III-V sur les débits de 40 Gb/s, et même au-delà. Des résultats récents présents dans la littérature font ainsi état de diviseurs statiques et dynamiques 20 respectivement à 86 GHz et 100 GHz, d'un multiplieur 21 (quadrupleur) à
45 GHz, d'une bascule-D 22 ainsi que d'un circuit complet de récupération d'horloge 23 à
On note toutefois dans le tableau précédent les faibles valeurs de BVCE (tension de claquage
en émetteur commun) des dispositifs SiGe, par rapport aux valeurs obtenues sur III-V, au-dessus de 6 V. Cette caractéristique limite en outre la tension délivrable par les circuits SiGe, qui ne peuvent ainsi concurrencer les technologies III-V pour certaines applications où de fortes tensions de sortie sont requises (circuit de commande, amplificateurs de puissance, …).
1.3.5 Où l'on reparle du CMOS
Il est aussi à noter qu'avec la constante avancée des performances de la technologie classique CMOS sur silicium, on peut légitimement se demander si cette dernière ne sera pas à terme capable de satisfaire aux exigences des circuits numériques pour les télécommunications. Ainsi, des performances au-delà des 150 GHz ont été rapportées pour des transistors MOS :
fT fmax Année
IBM 178 193 2001 24
Mitsubishi 114 135 2001 25
Fujitsu 120 185 2001 26
Tableau 1-2: Etat de l'art des transistors CMOS
Ces performances remarquables au niveau composant permettent de réaliser des circuits numériques et analogiques fonctionnant à très haute fréquence, comme un multiplexeur 27
et un démultiplexeur 40 Gb/s, ainsi qu'un oscillateur contrôlé en tension 28 (VCO : voltage
controled oscillator) à 51 GHz. Avec l'arrivée de nouvelles techniques (silicium contraint, Silicon on Nothing,…) qui permettront à la technologie CMOS de progresser encore vers de plus hautes fréquences, cette technologie semi-séculaire pourrait bien, dans un futur proche, faire figure de troisième protagoniste dans la compétition TBH SiGe/III-V pour les circuits très hautes fréquences. Malgré cela, le CMOS ne semble pas en mesure actuellement de s'affranchir de son importante limitation en tension de sortie, tout comme le TBH SiGe, ce qui permet de rendre les composants III-V encore irremplaçables pour certaines applications où une tension de sortie importante est requise.
1.3.6 Le TBH InP : En phase de maturation
Les deux principaux matériaux III-V de base utilisés pour la fabrication de composants, sont le GaAs (arséniure de gallium) et l'InP (phosphure d'indium). Si le développement des composants sur GaAs a sans doute atteint un stade plus avancé que sur InP, c'est toutefois sur ces derniers que les performances les plus prometteuses sont atteintes, et que la plus grande partie des efforts de recherche se concentre actuellement. C'est pour cette raison que nous restreindrons cette présentation du domaine des III-V aux composants sur substrat d'InP.
Contrairement aux technologies CMOS et SiGe sur silicium qui ont acquis une grande maturité, la technologie du TBH sur InP est jeune de seulement une dizaine d'années, et n'a hérité, à ses débuts, que d'une partie de la maturation des procédés sur GaAs. Les procédés de fabrication des TBH sur substrat d'InP ont été développés dans les laboratoires de recherche (aussi bien publics que privés) durant les années 90, et les premières compagnies proposant commercialement des réalisations à base de ces composants sont apparues peu après l'an 2000.
Pour comparaison, le tableau suivant dresse un récapitulatif des performances les plus élevées de TBH sur InP publiées par des équipes de recherche. Un état de l'art détaillé des technologies de fabrication du TBH InP sera dressé au paragraphe 1.7.
Laboratoire fT
(GHz) (GHz) fmax BV(V) CE0
UCSB 71 370 375 5
UCSB 72 204 1080 8
UIUC 75 509 219 2.7
Tableau 1-3: Performances les plus marquantes des TBHs sur InP
En plus de la capacité à délivrer des tensions de sortie plus élevées, il apparaît clairement que les performances fréquentielles ultimes obtenues sur TBH InP sont supérieures à celles obtenues par la technologie concurrente SiGe. Les TBH InP sont en fait, à ce jour, les transistors les plus rapides existants. Certaines des réalisations présentées ici se basent sur des fabrications technologiques "acrobatiques" souffrant de très mauvais rendements et reproductibilités. Si elles ne sont sans doute pas toutes utilisables industriellement, ces réalisations ont le mérite de démontrer le potentiel important de l'utilisation de ce matériau. Ce potentiel pourra sans doute être pleinement utilisé dans des réalisations industrielles
lorsque le TBH bénéficiera d'une maturité suffisante, en particulier au niveau des dimensions lithographiques.
L'application du TBH InP se focalisant sur les circuits rapides pour les télécommunications optiques, les réalisations de circuits logiques sont nombreuses. Le TBH InP permet globalement de réaliser toutes les fonctions nécessaires à la constitution d'une liaison complète à 40 Gb/s. Les circuits suivants ont ainsi été présentés dans la littérature: bascule-D à 48 Gb/s,29 diviseur statique à 100 GHz,30 Multiplexeur à 80 Gb/s,31
Démultiplexeur ainsi que circuit de récupération d'horloge à 40 Gb/s.32
Figure 1-7: Photo et diagramme de l'oeil à 80 Gb/s d'un circuit multiplexeur à base de TBH InP, réalisé au laboratoire 31
Une illustration des performances attendues sur les TBH InP et les circuits réalisés dans cette technologie est donnée par les objectifs que l'agence gouvernementale américaine DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) s'est fixée pour son programme de financement de recherche dans ce domaine.33, 34
Pré-programme Phase I Phase II
Largeur d'émetteur (µm) 1.0 0.25 0.15
ft/fmax (GHz) 200/200 350/400 500/500
Densité de courant (kA/cm²) 200 500 1000
Vitesse circuit bascule (GHz) 75 150 250
Alors que de nombreuses équipes de recherche travaillent depuis 10 ans environ à améliorer les performances de TBH sur InP, quelques compagnies proposent commercialement la fabrication de ces composants. Pour certains, les procédés utilisés ont été développés dans des laboratoires de recherche, comme cela est mentionné dans la tableau suivant. Les composants proposés sont à des niveaux de performance en dessous de ceux des laboratoires de recherche, en raison de la nécessité pour les commercialiser d'avoir des rendements de fabrication excellents, ainsi que de bonnes tenues en vieillissement.
Localisation provenant de Technologie Performances f
t/fmax (GHz)
Alpha Industries Massachusets, USA - > 120
Innovative Processing AG Duisburg, Allemagne University, Duisburg Gerhard-Mercator > 100 Global Communication
Semiconductor Californie, USA HRL > 130 / 180
Opnext Yokohama, Japon Hitachi -
Ommic Limeil-Brevannes, France OPTO+ 180 / 180
Velocium Californie, USA TRW 150 / 200
Vitesse Californie, USA - 150 / 150
Xindium Technologies Illinoi, USA University of Illinois, Urbana-Champaign 160 / 250
Yokogawa Japon - -
Tableau 1-5: fonderies proposant commercialement par des TBHs sur InP
Finalement, il apparaît que le développement des composants à base de III-V, et en particulier à base d'InP, a été très rapide dans les dix dernières années. A l'heure actuel les technologies classiques à base de silicium ne parviennent pas à atteindre des niveaux de performances équivalent. En revanche, ces solutions restent très attractives en raison de leur grande maturité technologique, et de coût de revient relativement faible.
1.4 Présentation du TBH InP
1.4.1 Historique du TBH
L'histoire du transistor bipolaire débute en 1947, avec la découverte de l'effet d'amplification du courant par J. Bardeen et W.H. Brattain en 1947 aux Bell Labs.5 L'idée de l'utilisation
d'un émetteur à large bande interdite apparaît rapidement, et W.B. Shockley dépose le brevet fondateur du principe de l'hétérojonction en 1951.35 Par la suite, H. Kroemer pose les
bases théoriques du fonctionnement du transistor à hétérojonction,36 ces travaux lui valant
l'attribution du prix Nobel de physique en l'an 2000.37
Les premières réalisations expérimentales de transistors à hétérojonction datent des années 70, les technologies disponibles avant cette date ne permettant pas la réalisation d'hétérojonctions abruptes. Les premiers TBH sont fabriqués sur substrat d'arséniure de gallium, en exploitant l'hétérojonction GaAs/AlGaAs réalisée par épitaxie en phase liquide.38
Le TBH sur GaAs a été dans les années 80 l'objet de nombreuses études à travers le monde.
C'est au début des années 80 qu'apparaissent les premières réalisations de transistors bipolaires à hétérojonction sur InP. Outre le potentiel de ce composant en vitesse de fonctionnement, supérieur à son homologue sur GaAs, c'est sans doute la possibilité d'intégration avec des composants optoélectroniques qui pousse des opérateurs en télécommunication, comme ATT ou NTT, à se lancer dans la course aux performances.
1.4.2 Le TBH InP à OPTO+
La genèse de l'étude actuellement menée au laboratoire remonte au milieu des années 70, avec le démarrage au Centre National d'Etudes en Télécommunications (CNET) de Bagneux d'un projet de recherche sur le TBH sur substrat de GaAs. Le projet sur InP est lancé en 1993, et débouche, en 1996 sur une première structure à double hétérojonction.39 La
structure est progressivement améliorée par l'optimisation de la jonction base-collecteur et l'ajout de la base graduelle en composition.40 Par la suite, l'utilisation d'une technologie
auto-alignée et de dimensions réduites a permis d'obtenir des composants avec des fréquences de coupures fT/fmax respectivement de 180 GHz et 200 GHz, amenant ainsi le
laboratoire à l'état de l'art des réalisations de TBHs InP orientés circuits.41
En 2000, l'équipe du CNET travaillant sur les composants bipolaires est intégrée au sein du laboratoire Opto+, faisant partie du groupe Alcatel. L'activité TBH se poursuit, avec la réalisation de circuits numériques à 40 Gb/s et plus : MUX,31 sélecteur,42 bascule.29 C'est
1.4.3 Les matériaux III-V
Le matériau le plus répandu pour la réalisation de dispositifs électroniques est sans aucun doute le silicium, cet état de fait a été présenté au début de ce chapitre. Il a aussi été évoqué que certaines applications, en particulier dans le domaine des hyperfréquences, ne semblaient pas à la portée des composants silicium, du moins à leurs débuts. La limitation du silicium provient principalement de ses médiocres propriétés de transport, c'est-à-dire des faibles vitesses que peuvent atteindre les électrons dans ce matériau. Deux autres limitations de la technologie silicium, l'impossibilité de réaliser des hétérojonctions et l'absence de substrats isolants, ont été résolues récemment avec l'apparition des alliages silicium-germanium SiGe (paragraphe 1.3.4), et de la technique "silicon on insulator" (SOI).
Là où le silicium était limité, une autre classe de semi-conducteurs, celle des matériaux III-V, se montre bien appropriée. Les matériaux III-V constituent une famille d'alliages, formés en proportion stœchiométriques d'éléments des colonnes III (indium, gallium, aluminium) et V (arsenic, phosphore, antimoine) de la classification périodique des éléments. Ce type d'alliage cristallise en structure zinc-blende, avec un certain paramètre de maille qui dépend de la composition de l'alliage utilisé. Outre les excellentes propriétés de transport électronique de cette famille de matériaux que nous détaillerons par la suite, un intérêt majeur des matériaux III-V est la possibilité de réaliser des hétérojonctions, c'est-à-dire de juxtaposer des régions de matériaux avec des énergies de bande interdite différentes. La Figure 1-8 représente les principaux alliages III-V, en fonction de leur paramètre de maille et de leur énergie de bande interdite.
Figure 1-8: Energie de bande interdite des alliages III-V en fonction de leur paramètre de maille cristalline. A l'accord de maille sur l'InP, on trouve le GaInAs, l'AlInAs et le GaAsSb.
Parmi les alliages III-V, l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP) jouent un rôle particulier car ils sont utilisés comme substrat. La conservation d'un paramètre de maille constant dans la structure de couche d'un composant implique que l'on ne peut pas utiliser n'importe quel matériau sur n'importe quel substrat. Ainsi, le paramètre de maille de l'InP est d'environ 5.87 Å, et seuls des alliages ayant un paramètre de maille égal ou très proche pourront être déposés sur un substrat d'InP. Ces alliages se trouvent, dans la figure précédente, sur une ligne verticale passant par l'InP, et sont Ga0.47In0.53As, Al0.48In0.52As, et
GaAs0.5Sb0.5.
1.4.3.1 Les
hétérojonctions
Sur substrat d'InP, un matériau à l'accord de maille fréquemment utilisé est Ga0.47In0.53As.
Ce matériau possède une énergie de bande interdite plus faible que l'InP, et présente avec ce dernier des discontinuités d'énergie en bande de valence et en bande de conduction. La Figure 1-9 représente les discontinuités de bandes entre InP et GaInAs.
0.24eV 0.37eV 1.35eV
InP
Ga
0.47In
0.53As
0.75eVFigure 1-9: Hétérojonction InP/GaInAs
Comme nous le verrons par la suite, le GaInAs est présent dans la structure de couche des composants étudiés dans ce travail, et l'hétérojonction InP/GaInAs joue un rôle fondamental dans le fonctionnement de ces dispositifs.
1.4.3.2 Des matériaux rapides
Les matériaux III-V sont remarquables par leur propriétés de transport électronique. Leurs structures de bande sont le plus souvent de nature directe avec de fortes courbures de bande en fonction du vecteur d'onde électronique. Cette caractéristique confère aux électrons en mouvement de faibles masses effectives, c'est pourquoi ces électrons sont très mobiles.
Champ électrique (kV/cm) Vitesse élect ro nique (1 0 7 cm/s)
Figure 1-10: Vitesse de dérive des électrons en régime stationnaire, en fonction du champ électrique, pour des matériaux III-V accordés sur InP. Source : D. Ankri, L'écho des
recherches 44
La Figure 1-10 représente les vitesses de dérive électronique à l'équilibre pour différents matériaux lorsqu'un champ électrique est appliqué. Comme on l'observe dans le cas des matériaux III-V, la vitesse croît aux faibles valeurs de champ, puis décroît au-delà d'un certain champ critique. Ce phénomène est dû au passage des électrons de la vallée Γ à la vallée L où la masse effective est plus forte. Ce passage est possible dès que l'énergie cinétique acquise par les porteurs est suffisante. Le champ critique est donc déterminé par la séparation énergétique EΓ-L. Pour certaines compositions des alliages III-V, cette
séparation énergétique est importante, ce qui permet aux porteurs de conserver une forte mobilité jusqu'à des champs électriques élevés, et ainsi d'atteindre des vitesses importantes. La vitesse des électrons pour cette valeur de champ est appelée vitesse maximale. Pour les champs électriques élevés, les électrons sont repartis dans les vallées latérales, leur énergie augmente peu, et la vitesse dite de saturation est atteinte.
Figure 1-11: Structure de bandes du GaAs, représentatif des composés III-V. Source : D. Ankri, L'écho des recherches 44
On observe par ailleurs que la vitesse électronique à faible champ dans le GaInAs est plus élevée que dans les autres alliages, ce qui caractérise sa très forte mobilité. Cette propriété est appréciable dans la couche de base de nos composants, comme cela sera présenté au chapitre 5.
Le tableau suivant récapitule les propriétés de transport des alliages GaAs, InP et GaInAs, ainsi que celles du silicium. Les avantages du système InP/GaInAs en terme de transport sont évidents par rapport au silicium, et restent importants, quoique de moindre façon, par rapport au système GaAs/AlGaAs.
Propriétés à 300 K GaAs InP In0,53Ga0,47As
Largeur Bande Interdite (eV) 1,42 43 1,35 43 0,75 43
Champ critique (kV/cm) 3.5 10 3
Vmax (107 cm/s) 2.1 44 2.2 44 2.35 44
Vsat (107 cm/s) 0.8 44 1.5 44 0.7 44
µn (cm²/Vs) 8500 45 4600 45 15 000 46
µp (cm²/Vs) 400 45 150 45 300 46
1.4.4 Principe de fonctionnement du TBH
1.4.4.1 Généralités
Le fonctionnement du Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) est basé sur le même principe que celui du transistor bipolaire classique, qui consiste à créer une région (la base) dans laquelle, par l'intermédiaire de la polarisation émetteur-base (VBE), l'injection d'un
faible courant électrique (le courant de base IB) contrôle un important courant d'électrons (le
courant d'émetteur IE) émis par une jonction p-n (la jonction émetteur-base). Ce courant
émis est par la suite dissocié du courant de base grâce à une deuxième jonction p-n (la jonction base-collecteur). Ainsi, un transistor est un dispositif réalisant une fonction d'amplification de courant, car un faible courant (IB) en détermine un autre, beaucoup plus
important (IE). Chaque jonction pn correspondant à un dispositif de type diode, le transistor
bipolaire peut être représenté comme un assemblage de deux diodes tête-bêche.
En technologie III-V, la fabrication du transistor bipolaire reprend toujours un enchaînement d'étapes similaire à celui-ci :
• Croissance épitaxiale de la totalité des couches du composant
• Gravure des couches d'émetteur, de base, de collecteur, et dépôt des électrodes de contact de manière à former un composant avec la géométrie voulue.
Une réalisation simple, dite à géométrie 3 mesa, est présentée en figure suivante.
Contact collecteur Contact base Contact émetteur
2µm
Figure 1-12: TBH 3 mesa après gravure des couches et dépôt des électrodes
1.4.4.2 Transistor bipolaire à homojonction : le principe du gain
Le fonctionnement du transistor bipolaire se comprend aisément grâce à son diagramme de bandes d'énergie, présenté en Figure 1-13.
Collecteur Base Émetteur + + + + + - - - -IB InE InC
I
EI
CI
BFigure 1-13: Digramme de bande simplifié du transistor bipolaire sous polarisation. En dessous est représentée l'analogie avec deux diodes montées tête-bêche
Le niveau d'injection d'électrons par la jonction émetteur-base est contrôlé par la concentration de trous dans la base, lui-même déterminé par la polarisation émetteur-base. A un courant de base donné, correspond une unique valeur de courant d'émetteur, plus élevée. Le courant d'émetteur est ensuite collecté dans une zone où règne un champ électrique : le collecteur. Le rapport des courants de collecteur et de base est appelé le gain.
β = IC / IB
Dans un dispositif à homojonction, le mécanisme qui fixe le niveau de courant d'émetteur à un niveau de courant de base donné est l'équilibre électrique au niveau de la jonction, c'est-à-dire que le gain est fixé par le rapport des courants d'électrons et de trous traversant la jonction émetteur-base. + + + + + + + + + + + + +
-I
nI
p Figure 1-14: Homojoction n-pCe rapport est (toujours dans le cas d'une homojonction) celui des niveaux de dopages de part et d'autre de la jonction. On a donc dans ce cas :
où NDE et NAB sont les niveaux de dopage de l'émetteur et de la base.
Ainsi, une base faiblement dopée est nécessaire pour obtenir un gain élevé dans un transistor à homojonction, et c'est ici que se trouve la limitation intrinsèque de ce composant. En effet, le faible niveau de dopage implique que de fortes épaisseurs de base soient employées pour réduire la résistance de la couche. Ces fortes épaisseurs de base impliquent des temps de transit élevés pour les électrons, ce qui exclut tout fonctionnement à très haute fréquence du composant. Il est à noter que les temps de transit des électrons dans la base d'un transistor à homojonction sont très élevés car le transport des électrons est diffusif (ce point sera développé dans le chapitre 5).
1.4.4.3 Spécificité du TBH : rôle de l'hétérojonction
L'évolution de la structure du transistor à homojonction vers une structure à hétérojonction permet de lever la limitation liée au dopage de base. Dans une hétérojonction pn, la discontinuité de bande de valence représente, pour les trous de la région p, une barrière de hauteur ∆Ev.
I
n + + + + + + + + + + + + +-∆E
v Figure 1-15: Hétérojonction n-pDans le cas d'un transistor où l'on a une hétérojonction émetteur-base, le courant de trous Ip injecté de la base vers l'émetteur est fortement diminué, et le gain maximum s'exprime
alors, si ∆Ev représente la discontinuité de la bande de valence :
β = IC / IB = In / Ip ~ NDE / NAB exp(∆EV/kT)
Le gain est considérablement augmenté par la présence de la discontinuité. Dans le cas d'une hétérojonction InP/InGaAs telle que présentée au paragraphe 1.4.3.1, on a ∆E = 0.37 eV, ce qui donne dans l'expression du gain un facteur exp(∆E /kT) ~ 2 x 10 . En
pratique, la présence d'une discontinuité de bande de valence permet d'utiliser un dopage de base élevé tout en conservant un niveau de gain en courant satisfaisant. Notons que dans ce cas, le gain n'est plus limité par l'injection de la jonction émetteur-base, mais par les recombinaisons des électrons qui transitent dans la base (ce point sera discuté en détail au chapitre 5).
Le niveau de dopage élevé dans la base permet de lever le verrou qui interdisait au transistor à homojonction de fonctionner dans le domaine des hautes fréquences. En effet, grâce à la faible résistivité du matériau fortement dopé, il est désormais possible d'utiliser une couche de base très peu épaisse tout en conservant une résistance de couche modérée. Ainsi, on peut simultanément avoir un temps de transit de base et une résistance de base faibles, ce qui permet au composant de fonctionner à de très hautes fréquences, pour lesquelles ces deux caractéristiques sont fondamentales.
1.4.4.4 Diagramme de bandes
La structure de bande d'un Transistor Bipolaire à Simple Hétérojonction (TBSH) est présentée à la figure 1-16. Dans ce dispositif l'émetteur est constitué d'un matériau grand gap de façon à générer une discontinuité de bande de valence à la jonction émetteur-base. Les couches de base et de collecteur sont réalisées avec un matériau petit gap.
Collecteur
Base
Emetteur
(a)Collecteur
Base
Emetteur
(b)figure 1-16: Diagrammes de bande à l'équilibre d'un TBH à simple hétérojonction (a), et à double hétérojonction avec collecteur graduel (b)
A cette première hétérojonction émetteur-base, il peut être intéressant d'en ajouter une deuxième à la jonction base-collecteur, car la présence d'un matériau de grande bande interdite dans le collecteur permet au composant de travailler à des tensions de sortie plus importantes sans subir de phénomène de claquage. Cette caractéristique sera détaillée par
la suite (chapitre 3). Dans ce cas on obtient un Transistor Bipolaire à Double Hétérojonction (TBDH) , dont le diagramme de bande est représenté en figure 1-16.
1.5 Caractéristiques statiques du TBH
Si la finalité du TBH est le plus souvent son fonctionnement dynamique, c'est-à-dire avec des signaux variables à de très hautes fréquences, l'analyse des caractéristiques statiques du composant, c'est-à-dire en régime de tension et de courants continus, s'avère indispensable à sa compréhension. Commençons par expliciter les courants électriques qui traversent le TBH lorsque celui-ci est soumis à une polarisation.
1.5.1 Origine des courants
En régime de fonctionnement normal, le transistor est soumis à une tension positive VCE,
qui se répartit entre les deux diodes base et base-collecteur. La jonction émetteur-base est par ailleurs polarisée en direct par une tension positive VBE, et injecte un courant
d'électrons dans la base. Ce courant est collecté par la jonction base-collecteur.
Émetteur
Base
Collecteur
I
EI
BI
CI
rBI
nE ICBV
BEV
CBV
CEI
pEFigure 1-17: Origine des principaux courants traversant le TBH sous polarisation
Tout d'abord, la loi de conservation des courants s'applique dans le composant, on a donc :
Exprimons les courants terminaux du transistor. Le courant d'émetteur est la somme des courants d'électrons (InE) et de trous (IpE) traversant la jonction émetteur-base.
IE = InE + IpE
Toutefois, en raison de la barrière de diffusion que la discontinuité de bande de valence représente pour les trous, on peut négliger le courant de trous (Ipe ~ 0). En effet, en
reprenant l'expression du gain maximal, pour des dopages d'émetteur et de base à 2 x 1017 at/cm3 et 3 x 1019 at/cm3 respectivement, on obtient un rapport IpE/InE ~ 15000.
On peut donc négliger IpE devant InE, et on obtient ainsi :
IE = InE = IsE [exp(VBE/kT) – 1]
où Ise est le courant de saturation de la jonction émetteur-base.
Le courant de trous injecté par la base dans l'émetteur étant négligeable, le courant de base provient de la jonction base – collecteur, ainsi que des recombinaisons entre les trous présents dans la couche et les électrons injectés, ce courant de recombinaison pouvant être séparé en quatre sources.
IB = - ICB + IrB + IrEB + IrsB + IriB
où IrB provient des recombinaisons se produisant au cœur de la base, dans le matériau
lui-même, lors du transit des électrons. Nous verrons au chapitre 3 que pour une base GaInAs, ces recombinaisons sont principalement de type Auger. IreB provient des recombinaisons
dans la zone de charge d'espace base-émetteur, essentiellement de type SRH. Ces recombinaisons sont peu importantes pour une base GaInAs, mais peuvent l'être beaucoup plus pour une base GaAs. IriB et IrsB sont respectivement les recombinaisons à l'interface
base-émetteur et à la surface externe de la base. Ces deux courants dépendent fortement de la qualité cristalline du matériau, de l'interface base-émetteur, ainsi que de la passivation des flancs externes de la base.
Pour un composant réalisé sur des couches cristallines de bonne qualité, et ayant subi un processus de passivation efficace, seul le courant de recombinaison IrB est à prendre en
compte dans les conditions de fonctionnement standard, c'est-à-dire à une densité de courant d'émetteur au delà de 1 kA/cm². La jonction base-collecteur étant polarisée en inverse, le courant ICB ne peut provenir que de fuites ou bien d'effets d'avalanche à fort
courant. Cette source de courant de base n'est pas à prendre en compte dans le cadre d'un fonctionnement normal. On peut alors considérer que l'on a :
IB = IrB
Le courant de collecteur provient essentiellement de la collection du courant d'électrons émis par l'émetteur et ayant traversé la base. Le courant dû à un effet d'avalanche dans la jonction base-collecteur peut être négligé en fonctionnement standard.
IC = InE - IrB
Le principe d'amplification du transistor réside dans le fait que la proportion d'électrons se recombinant lors de leur traversée de la base est faible. On définit ainsi le facteur de transport α, aussi appelé gain en base commune, par :
IC = α IE = IE - IB
Pour un composant avec un gain élevé, le courant de base est petit devant le courant d'émetteur, α est donc très proche de 1. Le facteur α peut être relié au gain statique en courant, en utilisant l'équation de conservation du courant.
β = IC / IB = IC / IE – IC = α / 1-α
Ainsi, dans le cas d'un fonctionnement idéal du TBH, les courants terminaux s'expriment en fonction du courant de collecteur :
IE = IC (1+ 1/β) IB = IC/β
1.5.2 Le tracé de Gummel
Le tracé de Gummel (Gummel plot) consiste à mesurer simultanément les courants de base et de collecteur (IB et IC) en fonction de la tension émetteur-base (VBE). La polarisation
base-collecteur est généralement maintenue nulle. Le tracé de Gummel est représenté avec une échelle logarithmique en courant, le gain (β = IC/IB) correspond donc à l'écartement entre les
deux courbes.
Un tracé de Gummel typique de TBDH est représenté en Figure 1-18, et le gain correspondant apparaît à la Figure 1-18 (a). Notons que la chute brutale du gain observée sur la courbe (b) est caractéristique d'un composant à double hétérojonction, comme cela
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 IB IC Region Region 4 3 Region 2 Region 1 VBE IC , IB (A ) (a) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 10 20 30 40 50 60 Region 4 Region 3 Region 2 Region 1 Gain I C/I B VBE (b)
Figure 1-18: Diagramme de Gummel (a) et gain associé (b). Surface du contact d'émetteur 2 x 10 µm²
1.5.2.1 Région 1 : Le courant de base est dominé par les recombinaisons et les fuites
Pour les faibles valeurs de VBE , la jonction émetteur-base injecte peu de courant dans la
base, et celui-ci se recombine presque intégralement sur les centres recombinants en surface ou en volume dans la zone de charge d'espace de l'hétérojonction. La polarisation base-collecteur est nulle (VBC = 0), le courant de fuite ICB n'intervient donc pas ici. Le
courant de base à faible VBE est ainsi dominé par les termes des recombinaisons :
IB = IrEB + IrsB + IriB
En raison de la variation de la largeur de zone de charge d'espace avec la polarisation, le courant de base à faible VBE est fortement non idéal 45 (nB = 2 à l'extrême), tout comme l'est
le courant de recombinaison d'une diode. Le courant injecté étant presque entièrement consommé par des recombinaisons, seule une très faible partie de ce courant parvient jusqu'au collecteur. On a ainsi un gain proche de zéro dans cette région. Sur la région 1 de la Figure 1-18, le courant de recombinaison reste faible, et l'on observe pas de valeur quasi-nulle pour le gain. Dans ce cas, les courants d'émetteur et de base à faible polarisation correspondent principalement à des fuites résistives, parallèlement à la jonction.
Pour des valeurs plus élevées de VBE, le courant injecté par l'émetteur est plus élevé et une
partie de celui-ci parvient à traverser la base. Il y a saturation des centres de recombinaison de volume et de surface autour de l'hétérojonction. IrB étant la partie du courant de base
