Transistor Bipolaire à Hétérojonction GaInAs/InP pour circuits ultra
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Transistor Bipolaire à Hétérojonction GaInAs/InP pour circuits ultra-rapides : Structure, fabrication et caractérisation Thèse de l’université Paris XI - Orsay, présentée par M. Kahn, devant : S. Delage J.-L. Pelouard N. Labat P. Frijlink F. Aniel M. Riet Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Examinateur Responsable industriel Thales, Corbeville LPN, Marcoussis IXL, Bordeaux Ommic, Limeil-Brevannes IEF, Orsay Alcatel, Marcoussis 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 2/45 Réseaux optiques - Présentation Explosion récente des télécoms z z Concentration du trafic sur des dorsales z Internet Applications nouvelles (vidéo, ...) Continentales / Sous-marines ° Longue distance ° Débit important Fibre optique = support le plus performant ° Information sous forme d’impulsions lumineuses ° Faibles pertes ° Faible dispersion Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 3/45 Techniques de transmission - ETDM Multiplexage temporel (TDM) z z z Alternance temporelle des bits d’information Fonction réalisée sur le signal électrique n (canaux) x d (débit de base) = n x d Gb/s 10 Gb/s 10 Gb/s 10 Gb/s 10 Gb/s Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 40 Gb/s M U X 4/45 Architecture système Multiplexage en longueur d’onde (WDM) Débit > 10 Tb/s Amplification Multiplexage M U X Amplification Récupération d’horloge Traitement du signal en entrée/sortie ° Fonctions analogiques (amplification,...) ° Fonctions numériques (MUX/DMUX, remise en forme,...) Manipulation de signaux très hauts débits (circuits rapides) ° Besoin de composants électroniques rapides Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 Démultiplexage D E M U X Modulateur Laser Remise en forme 5/45 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 6/45 Technologies bipolaires disponibles Technologie Vitesse Puissan ce Maturité TBH SiGe ++ - ++ TBH Ga As + ++ + TBH InP ++ ++ - InP : potentiel matériau le plus élevé ° Technologie peu mature comparée à Si / SiGe / GaAs ° Niveau d’intégration modéré ° Destiné à des applications fortes performances / faible volume Pour s’imposer, le TBH InP doit progresser sur plusieurs fronts z Maturité industrielle : « from the lab to the fab » z Démonstration de performances uniques z Exploration de nouvelles solutions (Antimoine, ... ) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 7/45 Structure du TBDH n-p-n InP/GaInAs Émetteur InP Base Ga1-xInxAs Épaisseur ~ 25 - 65 nm z Gradualité de composition z Dopage carbone (p > 3 x 1019 cm-3) Souscollecteur BC Collecteur InP Épaisseur ~ 150 - 250 nm z Double hétérojonction (TBDH) z Réduction de l’ionisation dans le collecteur z Quaternaires GaInAsP à l’interface B/C ° Réduit le blocage aux discontinuités BV InP Quaternaires z ° Tension de travail importante Émetteur GaInAs z Collecteur Base Couches de contact GaInAs : Si Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 8/45 InP Technologie 2µm triple mesa Gravure des mesa Chimique pour InP et GaInAs z Usinage ionique pour les quaternaires Auto-alignement du contact de base z 3 niveaux de contacts métalliques z Réduction de la surface B/C z Sous-gravure collecteur Ti / Pd / Au Emetteur Collecteur Base 2µm Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 9/45 Du composant au circuit Éléments passifs z Résistances & capacités 3 niveaux d’interconnexion Circuit de multiplexage fonctionnant à 40GHz Points d’optimisation : z z z z z Performances dynamiques Consommation Rendement de fabrication Fiabilité Modélisation Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 Rendement TBH = 99 % « 50 % de rendement sur des circuits de 100 TBH 10/45 Performances dynamiques - Présentation Émetteur Base Facteurs de mérite z Fréquences de transition fT & fmax Temps de transit des électrons Temps de charge des jonctions z Collecteur RE + r E CBE Produits RC RBcont RB RCcont CBC RC Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 11/45 Performances dynamiques - fT 1 = τ B + τ C + rE (CBE + CBC ) + CBC (RE + RC ) 2π ⋅ fT WB = 65 nm, WC = 240 nm : z τB+ τC ~ 70 % (à l’optimum) rE (CBE+ CBC) z CBC (RE + RC) z Optimisation fT z τB + τC τB τC ~ 30 % WB WC « Structure épitaxiale « Épaisseurs de base et de collecteur z rE = kT/nEqIE z Produits RC « Géométrie et technologie « Réduction des dimensions latérales « Optimisation des résistances Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 12/45 Performances dynamiques - fmax : mise à l’échelle RE+rE fmax = fT 8π ⋅ RB ⋅ CBC int RBcont CBE RBint Optimisation fmax z Augmenter fT z Minimisation de RBCBCint CBCint RBext CBCext RCint + RCext Diminution des épaisseurs B & C « augmentation RB et CBC ° Compromis sur les épaisseurs de base et de collecteur ° Doit être compensée par une « mise à l’échelle » ° Réduction des dimensions latérales Optimisation de la structure épitaxiale pour une géométrie donnée Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 13/45 RCcont 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 14/45 Structure du collecteur Zone de désertion = WC z z z Espaceur GaInAs Quaternaires de transition InP ° 100 nm < Épaisseur < 300 nm Esp. Q1 Q2 n- InP WC n+ InP n+ GaInAs Géométrie « de référence » z Transistor T10RA20 ° Émetteur 2 x10 µm2 ° Technologie triple mesa classique Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 15/45 Temps de transit 1 = τ B + τ C + rE (CBE + CBC ) + CBC (RE + RC ) 2π ⋅ fT τF = τB + τC est calculé par soustractions successives WC = 200 fT (GHz) 175 150 125 100 1,0 190 nm 240 nm 290 nm 390 nm 0,9 0,8 τF (ps) z VCE= 1.6 V 75 W WBB == 65 65 nm nm 50 0 100 200 300 400 500 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 200 Augmentation fT : corrélée à la diminution de τC z WC = 240 nm Î τC ~ 0.40 ps Î fT=180 GHz z WC = 190 nm Î τC ~ 0.30 ps Î fT=210 GHz (@ JE>250 kA/cm²) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 300 JE (kA/cm²) JE (kA/cm²) 100 16/45 400 Capacité base-collecteur - Variation JE = 0 Î CBC = CBC0 = Capacité de la profondeur désertée JE > 0 Î Effet de modulation de la capacité fmax (GHz) 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 0 WC = VCE= 1.6 V 100 200 300 400 140 nm 190 nm 240 nm 290 nm VCE = 1.6 V W WBB == 65 65 nm nm Capacité base-collecteur (fF) Liée à la variation du temps de transit de collecteur z 32 30 28 26 24 22 20 18 16 100 JE (kA/cm²) WC = 240 nm Î CBC = 20 fF Î fmax= 220 GHz z WC = 190 nm Î CBC = 24 fF Î fmax= 230 GHz z WC = 140 nm Î CBC = 29 fF Î fmax= 160 GHz z Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 200 300 JE (kA/cm²) § τC compense © CBC 17/45 400 Polarisation optimale - 1 VBC détermine l’aire sous la courbe de champ ∫ E dx = Aire = V BC + Vbi ° Évolution de E(x) : à aire constante Le courant détermine la pente du champ J=0 Ò VCB Champ E Ò q dE = Pente = − dx ε 0ε r J Ò JC N D − q ⋅ vcoll J Effet Kirk WC1 WC2 z WC1 WC2 WC1 WC2 Effet Kirk = Annulation du champ en entrée de collecteur Î croissance de τF ° Retardé grâce à un collecteur fin Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 18/45 Polarisation optimale - 2 Collecteur fin repousse le courant d’effet Kirk ° Permet de travailler à plus forte densité de courant JE ° Permet de travailler à plus faible tension VCE Î Réduction de la consommation électrique 1,0 1,0 fT relatif 0,8 0,6 0,4 JE= 160 kA/cm² Collecteur : 190 nm 290 nm 390 nm fmax relatif 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 JE= 160 kA/cm² Collecteur : 190 nm 290 nm 390 nm 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 VCE (V) VCE (V) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 19/45 Tension de claquage Champ E dans le collecteur ~ 1/WC z Collecteur fin induit une tension de claquage réduite z BVCE0 ~ 6V Î reste adapté aux applications circuit 12 16 3 InP n ~ 2 x 10 at / cm (nid) 16 3 InP n = 5 x 10 at / cm 10 BVCE0 (V) 8 6 4 2 100 200 300 400 Epaisseur de Collecteur (nm) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 20/45 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 21/45 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 entre z Temps de transit (τB) z Résistance de base (RB) z Gain (β = τn / τB) : τn = Temps de vie des électrons, lié au niveau de dopage Méthodologie d’optimisation de la base z Réduction τB Gain z Résistance de couche z Maintenus par augmentation du dopage Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 22/45 Gradualité de composition Base : alliage Ga1-xInxAs z Variation de x (composition) dans la couche z Base de 65 nm : x = 46 % Î 53 % ° Champ électrique ~ 8 kV/cm z Réduit les recombinaisons de surface z Accélère le transit des porteurs ° Augmentation du gain From Benchimol & al. J. Crystal Growth, 2000 Importance du contrôle de la gradualité z Trop faible : champ de balayage peu intense z Trop élevée : relaxation de contrainte Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 Défauts cristallographiques 23/45 Contrôle de la gradualité Spectre de diffraction X et ajustement des paramètres de simulation z Épaisseur WB z Compositions extrêmes 100000 Mesure Simulation Coups/s 10000 Base graduelle Ga1-xInxAs 1000 100 10 1 32,6 100000 33,0 Base graduelle Ga1-xInxAs 1000 100 10 Pic substrat InP 32,8 Mesure Simulation Pic substrat InP 10000 Coups/s 33,2 33,4 Ω (deg) 1 32,8 33,0 33,2 33,4 Ω (deg) W 63 nm nm WBB == 63 ∆∆a/a a/a :: 00 ppm ppm Î Î -5300 -5300 ppm ppm W WBB == 29 29 nm nm ∆∆a/a a/a :: -3100 -3100 Î Î -4700 -4700 ppm ppm xx :: 53 Î 44 44 % % 53 % %Î xx :: 52 Î 47.5 47.5 % % 52 % %Î Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 24/45 Adaptation du dopage Gain statique 100 42 nm 80 Dopage de la base : 19 3 3 x 10 at/cm 19 3 5 x 10 at/cm 19 3 6 x 10 at/cm 60 40 28 nm 95 nm 38 nm 20 200 400 600 25 nm 800 1000 1200 Résistance couche de la base (Ω) β > 20 et R B < 1000 Ω ° Compromis entre gain et résistance : NA ~ 5 x 1019 cm-3 Pour R B donné, la base la moins dopée a le gain le plus élevé ° Impossibilité de conserver β et R B élevés par diminution d’épaisseur et augmentation de dopage ° Limite de la méthode d’optimisation Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 25/45 Temps de transit de base - Variation Réduction épaisseur base 65 nm Î 25 nm z Réduction temps de transit 240 W WCC == 190 190 nm nm 220 Epaisseur de base : (GHz) z τB : 0.25 Î 0.1 ps z fT : 210 Î 250 GHz 200 fT 180 25 nm 33 nm 38 nm 65 nm VCE = 1.5 V 160 100 200 300 400 JE (kA/cm²) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 26/45 Temps de transit de base - Modèle Évolution quasi-linéaire du temps de transit Vitesse induite par le champ de gradualité z Accord avec le calcul théorique τB = Lg WB Dn Lg L − − g Dn vexit 2 1 − e vexit = Vitesse de sortie de base = W − B Lg 2kT π m* Lg = kT/E = Longueur équivalente de gradualité Dn = Diffusivité des électrons Lgg = 26 nm E E ~~ 88 kV/cm kV/cm Temps de transit de base (ps) z 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 10 30 40 50 60 Epaisseur de base (nm) Dnn = 85 cm²/s µµnn ~~ 3000 3000 cm²/Vs cm²/Vs Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 20 27/45 70 Conséquence sur fmax fmax = fT 8π ⋅ RB ⋅ CBC int W WCC == 190 190 nm nm Epaisseur de base : 25 nm 33 nm 38 nm 65 nm 65 nm Î 38 nm : l’augmentation de fT compense celle de RB 240 Au delà : fmax est pénalisé par RBCBC WB = 65 nm : RB = 26 Ω z WB = 25 nm : RB = 55 Ω ° (p = 6 x 1019 cm-3) 200 fmax z 220 (GHz) Compensation par la géométrie ° Origine de RB ? 180 160 140 120 VCE = 1.5 V 100 80 0 100 200 300 JE (kA/cm²) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 28/45 400 500 Origine de la résistance de base Résistance intrinsèque : dépendante du courant Résistance extrinsèque : indépendante du courant ° Possibilité de dissocier Rbint et RBext 50 z Résistance extrinsèque à plus de 80 % ° Importance de la réduction de sgE sgE RBext+ RBcont (Ω) + RBcont Résistivité p - GaInAs -3 2.75 10 Ω.cm -3 3.50 10 Ω.cm 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 Epaisseur de base (nm) RBint RBext R Bext = Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 R B ⋅ sg E 2 L 29/45 R Bcont = R B ⋅ ρc 2L Bilan des optimisations du T10RA20 Structure standard : WB = 65 nm, WC = 240 nm 220 fT = 180 GHz / fmax = 200 GHz Structure optimisée : WB = 38 nm, WC = 190 nm z fT = 220 GHz / fmax = 230 GHz z Compromis τ / RBCBC 200 fT (GHz) z 240 180 160 140 Standard Optimisée 120 Conception spécifique de bascule 100 0 Ouverture d’œil : + 3 à 10 % z Diagramme de l ’œil à 40 GHz : z 100 200 300 400 500 JE (kA/cm²) 240 220 fmax (GHz) 200 180 160 140 120 100 0 100 200 300 JE (kA/cm²) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 30/45 400 500 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 31/45 Enchaînement technologique InGaAs InP Polyimide Métal Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 32/45 Axes d’optimisation technologique 1 = τ B + τ C + rE (CBE + CBC ) + CBC (RE + RC ) 2π ⋅ fT z z z Réduction largeur d’émetteur ° Capacité B/C intrinsèque : CBCint ° Résistance de base intrinsèque : RBint Réduction sous-gravure d’émetteur ° Résistance de base extrinsèque : RBext ° Effet « pyramide » : RE CBC WE RE sgE WcB RBint CBCint Réduction surface de mesa de base ° Capacité B/C extrinsèque : CBCext Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 fT 8π ⋅ RB ⋅ CBC int fmax = WC 33/45 RBext CBCext RCint + RCext Réalisations TBH Laboratoires académiques : C B E WE = 0.6 µm / fT = 370 GHz / fmax = 460 GHz (UCSB) WE = 0.4 µm / fT = 509 GHz / fmax = 219 GHz (UIUC) C WE = 0.5 µm / fT = 250 GHz / fmax = 275 GHz (LPN) Laboratoires industriels : B E « substrat transféré » WE = 0.5 µm / fT = 250 GHz / fmax > 1000 GHz Rendements faibles Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 WE = 0.8 µm / fT = 330 GHz / fmax = 330 GHz (NTT) Fonderie : fT / fmax ~ 150GHz / 150 GHz 34/45 Anisotropie de la gravure d’émetteur Orientation classique : selon [00 -1] z ( = 45° / au méplat) Avantage : Sous gravure possible du collecteur InP 2µm z Inconvénient : « pied » sortant d’InP ° plan cristallographique défavorable présent au coin [010] [001] [011] [001] 1 µm Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 [011] 35/45 [010] Gravure sèche d’émetteur - Méthode sgE ~ 0.35 µm InP GaInAs 1 µm Combinaison de gravure sèche et humide z Risque de dégradation de la jonction émetteur/base Gravure sèche Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 1 µm sgE < 0.2 µm 36/45 Gravure sèche d’émetteur - Résultat Réduction de sgE Î z Sensible sur émetteur de 1 µm ° fT et fmax améliorés ° Courant optimal augmenté Ouverture de la technologie classique vers les dimensions sous-microniques 160 140 fT (GHz) 120 Emetteur : 6 x 1 µm² Gravure humide Gravure sèche 100 80 0 2 4 6 8 10 12 14 Courant (mA) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 37/45 Le transistor hexagonal - Motivation Utilise un plan de gravure favorable de l’InP z Limitation naturelle de la sous-gravure ° Contrôle aisé [010] ° sgE ~ 0.1 µm z InP Couche GaInAs moins épaisse [011] [001] [011] [001] ° Meilleure dissipation thermique [010] InP GaInAs 2 µm Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 38/45 Le transistor hexagonal - Inconvénients et résultat Pas de sous-gravure simple du collecteur 260 Pénalisation sur la capacité base-collecteur z Réduction nécessaire de la largeur WB z (GHz) 220 200 fT WB 240 160 180 Hexagonal 6 x 1.5 µm² Classique 6 x 1.5 µm² 140 120 260 240 (GHz) 220 200 fmax 160 180 Hexagonal 6 x 1.5 µm² Classique 6 x 1.5 µm² 140 120 2 µm Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 0 5 10 15 20 IC (mA) 39/45 25 30 Connexion du transistor Connexion par via : problématique sur les transistors de faibles dimensions Épaississement des électrodes et arasement du polyimide E C B Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 C E 40/45 B Performances de transistors sous-microniques Fabrication de transistors sous-microniques Moyens technologiques adaptés z Lithographie par stepper ou faisceau d’électrons z Estimation des performances WB = 30 nm, WC = 190 nm z Diminution WE ne pénalise pas fT si sgE est suffisamment faible z Gain important sur fmax z 350 275 325 (GHz) 225 sgE= 200 175 150 0,4 0,6 0.15 µm 0.1 µm 0.05 µm 0,8 1,0 Largeur d'émetteur (µm) Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 fmax (GHz) 250 fT 300 275 250 225 200 175 150 0,2 sgE= 0.15 µm 0.1 µm 0.05 µm 0,4 0,6 0,8 Largeur d'émetteur (µm) 41/45 1,0 Retour sur la structure de couches Nouvelle adaptation de la structure de couches z Déplacement 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/cm² ° fT > 300 GHz z 75 nm (UIUC) z Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 42/45 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 43/45 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 z Influence de la structure sur les éléments parasites et des temps de transit z Compromis entre temps de transit et temps de charge : Approche globale z Performances : fT = 220 GHz, fmax = 230 GHz Fiabilisation de la filière z Optimisation des conditions de croissance et des contrôles de structure Amélioration et développement de briques technologiques z Réduction des dimensions du TBH et de la sous-gravure d’émetteur Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 44/45 Perspectives Transistor avancé : Fortement sous-micronique (0.5 µm et moins, ...) z Adaptation de la structure (Compromis τ / RC, effets de forte injection,...) z Développement de solution innovantes (sous-gravure de collecteur par couche sacrificielle, … ) Nouvelles structures / technologies z TBH à base de matériaux antimoine z TBH planarisé avec reprise épitaxiale pour maximiser les surfaces de contact Fiabilisation z Travail à très forte densité de courant Adaptation du modèle CAO Soutenance de thèse - M. Kahn - 2 Juin 2004 45/45
