Les tbh III-V : état de l'art et perspectives



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tarix01.11.2017
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#26600


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

  • Longtemps parents pauvres de la microélectronique (trop difficiles à fabriquer), les TBH affichent des performances de tout premier plan pour des applications exigeant

    • Rapidité
    • Tenue en tension
    • Puissance
  • Nouveaux matériaux

  • Nouvelles technologies

  • Boost du TBH SiGe !



  • TBH sur substrat GaAs

    • TBH GaInP/GaAs
    • TBH GaAs/nitrure faible gap
  • TBH sur substrat InP

    • TBH InP/InGaAs
    • TBH InP/GaAsSb
  • TBH GaN

  • TBH métamorphiques

  • TBH reportés



TBH InP/InGaAs

  • Hétérojonction émetteur-base

  • Transport électronique dans la base

  • Jonction base-collecteur



TBH InP/InGaAs : jonction émetteur-base

  • Hétérojonction quasi-idéale : efficacité, recombinaison

  • Très faibles vitesses de recombinaison à la surface d'InGaAs



TBH InP/InGaAs : transport dans la base

  • Electro-luminescence :

    • Injection d'électrons balistiques dans la base


TBH InP/InGaAs : jonction BC



TBH InP/InGaAs : collecteur métallique

  • MHBT : collecteur métallique (jonction Schottky)

    • Réduction de la charge stockée dans la jonction base-collecteur
    • Réduction de la résistance d'accès au collecteur
    • Meilleure thermalisation
    • Meilleures caractéristiques de bruit


Optimisation TBH InP / InGaAs

  • SHBT

    • SEB=0.35x8m2 J c= 1.15 MA/cm2 (1)
    • WBC=75nm fmax=504GHz et fT=261GHz (1)
  • DHBT : jonction base-collecteur

  • Base graduelle :

    • en composition fmax=288GHz et fT=351GHz (2)
    • en dopage fmax=400GHz et fT=282GHz (3)
  • Effets parasites latéraux : auto-alignement



TBH InP / GaAsSb

  • InP/GaAsSb : type II

    • Transport électronique ?
  • GaAsSb:C

    • Dopages p très élevés (>2.1020cm-3)
    • Diffusion du carbone négligeable
    • Faible résistivité des contacts p (faible barrière de surface)
    • Injections négligeables vers E et C (v = 0.85eV)
  • -> Transistor à base quasi-métallique

  • DHBT : InP/GaAsSb/InP BVCEo > 7V

  • fT = fmax = 300 GHz [C.Bolognesi et al. JJAP 41(2B) 1131 (2002)]



TBH GaN

  • Potentiel pour applications à :

    • Hautes températures, forte tension, forte puissance
  • MAIS

    • Couche de base très résistive (100 k/carré)
    • Pas de gravure humide disponible (matériaux inertes)
    • Gravure sèche chlorée : génération de défauts
      • Dopage local de type n
      • Réduction de la durée de vie
  • Résultats statiques :

    • BVCEo=330V et  = 18 (Jc = 1kA/cm2) [H.Xing et al. IEEE EDL 24(3) 141 (2003)]
    • W = 270 kW/cm2 [T.Makimoto et al. APL 84(11) 1964 (2004)]


TBH reportés

  • Technologie du report

    • sans contrainte
    • en début du process sur de grandes surfaces
      • Brasure AuIn [brevet LPN]
  • Thermalisation

    • MHBT reporté sur substrat conducteur de la chaleur : InP(0.68WK-1cm-1) Si(1.3WK-1cm-1) 6H:SiC(5WK-1cm-1)
      • Domaine THz
      • Applications de puissance
  • Intégration



Conclusions

  • Le TBH InP/InGaAs reste le TBH le plus rapide fmax=509GHz, fT=350GHz

  • Le TBH InP/GaAsSb présente un très fort potentiel

  • Pour être compétitifs les TBH devront intégrer :

    • Ledge
    • Largeur de doigt d'émetteur < 300 nm
    • Jonction base-collecteur < 100 nm
  • Pour atteindre le domaine THz:

    • Collecteur métallique
    • Report sur substrat conducteur de la chaleur
    • Base en GaAsSb


TBH GaInP/GaAs

  • Le système historique AlGaAs/GaAs n'est plus utilisé : trop difficile, pas assez performant

  • Technologie la plus mature

    • Commercialisation de circuits rapides et de puissance
  • Actuellement optimisation en :

    • Thermalisation [B-P. Yan et al. TED 50(10), 2154 (2003)]
    • Fiabilité [S.Y. Deng et al. EDL 24(6), 372 (2003)]


TBH GaAs / nitrure faible gap

  • GaInAsNSb : alliage faible gap sans contrainte sur GaAs

    • Réduction de la tension de seuil donc de la puissance dissipée
  • La présence de l'azote introduit des niveaux profonds

    • Faibles mobilités 2D et 3D
    • Faibles durées de vie : gain (<1 en MBE, <10 en MOCVD)


MHBT InP/InGaAs



TBH métamorphiques

  • Motivations

  • Difficultés

    • Réduction des défauts dus au désaccord de maille [F.Mollot IEMN et LPN]
    • Dissipation thermique à travers un buffer épais (>1m) [Y.M. Kim et al. IEEE TED 50(5) 1411 (2003)]
  • État de l'Art :

    • fT = 216 GHz fmax =284 GHz [Y.M.Kim et al. IEEE EDL 25(4), 170 (2004)]


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