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CONCEPTION, FABRICATION ET CARACTERISATION D’UN
PHOTOTRANSISTOR BIPOLAIRE Á HÉTÉROJONCTION SiGe/Si POUR
LES APPLICATIONS OPTIQUES-MICROONDES
J.L. Polleux1, C. Rumelhard1, A.L. Billabert1, E. Sönmez2, H. Schumacher2
1 ESYCOM, Laboratoire Systèmes de Communications
Cité Descartes, BP 99, 9316 Noisy-le-grand Cedex, France, [email protected]
2 Université d’Ulm, Dept. of Electron Devices & Circuits, Allemagne
I – Introduction
L’objet de cet article est de présenter les premiers résultats obtenus sur des phototransistors bipolaires à
hétérojonction SiGe/Si réalisés en technologie bipolaire à couche unique de SiGe. Ce phototransistor vise à être exploité
pour les communications optiques-microondes courtes distances. La technologie mise en œuvre est adaptée d’une
technologie bipolaire commerciale. Pour cette raison, seule une couche unique de SiGe est utilisée, au lieu des
structures à multipuits quantiques présentées par [1] et [2].
Le potentiel d’une telle structure est d’abord démontrée théoriquement à l’aide de simulations numériques
comportementales fondées sur la modélisation bidimensionnelle dérive-diffusion [3]. Les lois, préalablement extraites,
régissant l’évolution des paramètres physiques du Silicium-Germanium en fonction de sa composition sont rappelées.
La courbe d’absorption optique du matériau en fonction de sa composition et de la longueur d’onde d’incidence permet
notamment d’édicter les principales voies d’application du SiGe en détection optique.
Un prototype de phototransistor SiGe est enfin proposé et caractérisé expérimentalement. La mise en place d’un banc
de mesure spécifique pour la longueur d’onde de 940nm est menée à cet effet. Elle est présentée par ailleurs [4], [5].
Les résultats sont alors comparés à la théorie. Les perspectives en sont enfin tirées, à la fois en terme de recherche et
d’application.
II – Modélisation des couches SiGe contraintes sur Silicium
Le Silicium-Germanium massif est connu et étudié depuis les années 1960, ce n’est qu’au milieu des années 1980
que les techniques de dépôts de films minces ont permis la réalisation de couches SiGe contraintes sur Si. L’effet de la
contrainte a été depuis largement démontré sur la réduction de la largeur de bande interdite. Cependant, aucun modèle
complet pour la simulation dérive-diffusion n’a été développé jusqu’à lors. Afin de pallier ce manque, les lois de
variations connues ont été regroupées, confrontées et analysées afin d’en fournir une synthèse. Le traitement des
données existantes sur les densités effectives d’états conduit notamment à la mise en place d’un nouveau modèle traitant
à la fois des variations en fonction de la composition en Germanium et de la dépendance en fonction de la température
[3].
Le modèle issu de [6] fournit l’expression de l’influence du Germanium et de la température. Celle-ci s’exprime sur
la densité effective d’état pour la bande de valence par la relation suivante :
)
)
(
21 0,69
exp
33
cSiGe
cSi
Nx
Nk
−⋅
≈+⋅⋅
)
T
(1)
Le modèle proposé pour le produit des densités effectives d’états est plus complexe. Des développements analytiques
couplés à des ajustements de courbes à 300K, permettent la mise en place d’un modèle simplifié. Le calcul numérique
autour du modèle de [6] fournit alors les coefficients suivants de ce nouveau modèle où x est la fraction de Germanium
dans l’alliage contraint :
)
)
()
(
0, 306 0, 319 exp 34,1 0, 375 exp 8
cv
SiGe
cv
Si
NN x
NN
⋅≈+⋅−⋅+⋅−⋅
⋅
)
x
(2)
La mise en place d’un tel modèle présente l’avantage de posséder un nombre de paramètres réduit, facilitant
potentiellement l’extraction par la mesure. Il présente également une formule plus compacte, adaptée à la simulation
numérique des composants.
Enfin, un modèle de coefficient d’absorption optique est construit qui prend en compte l’influence de la composition
de l’alliage, de la température et de la longueur d’onde optique incidente [3], [7] :
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()
()
()
()
22
1exp exp 1
gg
phonon phonon
absorption
phonon phonon
hEE hEE
AEkT EkT
νν
α
−− −+
=⋅+
−− −
(3)
avec :
(4)
()
(
2
3200 1 1.161 9.581Ax x x≈⋅−⋅+⋅
)
)
(5)
()
(
2
0.050 1 0.026 1.066
phonon
Ex x x≈⋅+⋅− ⋅
Ephonon représente l’énergie moyenne d’un phonon, A est un coefficient de pondération. Les équations modélisant la
réduction de largeur de bande interdite pourront être trouvées dans [3].
Ce modèle est ainsi établi autour d’une modélisation à un phonon appuyée sur des résultats expérimentaux présentés
par [8]. Ces mesures sont les seules, à notre connaissance, à présenter à ce jour des résultats aussi complets pour les
couches SiGe contraintes. Néanmoins la littérature présente d’autres mesures plus partielles, ne permettant cependant
pas d’extraction de modèle, qui montrent des valeurs parfois nettement différentes, dans certains cas, plus fortes jusqu’à
un facteur 10, dans d’autres cas, plus faibles. Ainsi, l’extraction du modèle de coefficient d’absorption optique ne peut
constituer, sur ces faits, qu’une base de départ pour la discussion. Celle-ci pourra être entamée ci-après à partir de la
comparaison entre résultats expérimentaux et simulation.
III – Description de la structure du phototransistor
D’après les courbes d’absorption optique du SiGe contraint, il apparaît deux zones d’applications distinctes en
fonction de la composition de l’alliage :
- les applications courtes distances dont les longueurs d’onde optiques sont comprises entre 0,8µm et 1µm ;
- les applications longues distances pour lesquelles les longueurs d’onde de travail sont de 1,3µm et 1,55µm.
Dans ce dernier cas, les fractions de Germanium doivent être élevées et imposent l’utilisation de structures
multi-couches. Dans le premier cas, elles peuvent être faibles, ceci donnant l’espoir de pouvoir intégrer cette fonction
de détection avec des technologies industrielles. Le prototype réalisé s’appuie sur une technologie purement bipolaire
décrite par ailleurs [9]. Le profil de Germanium est un profil abrupt présentant une fraction de Ge de l’ordre de 20 à
25%. La base dopée P++ s’étale sur la majeure partie de cette couche, laissant cependant des couches tampons de
quelques nanomètres sur chacune des zones de charge d’espaces. Une telle quantité de Germanium permet dès lors de
lever le compromis entre faible épaisseur de film SiGe et résistance de base. Ceci est profitable au design du
phototransistor afin de faciliter le couplage avec la fibre optique. Le PTH peut en effet être de plus grande dimension
latérale tout en maintenant des performances fréquentielles élevées : l’éclairement est ainsi réalisé verticalement au
travers de l’émetteur par une fenêtre optique. Deux tailles de fenêtre optique ont été réalisées, avec 10 par 10 µm, ou 5
par 5 µm. La structure générique utilisée pour la simulation est décrite dans [3].
Figure 1 : photographie d’un PTH SiGe présentant une fenêtre optique de 5x5µm².
IV – Résultats et mesures
IV-1. Caractéristiques électriques
Le HPT, réalisé par l’université d’Ulm, est d’abord caractérisé électriquement avec le concours de l’IEF. La valeur
maximale mesurée de fT, pour la structure 10x10µm², est de 18,9GHz pour Vce=1,5V et 20,4GHz pour Vce=2,5V,
contre 30GHz pour la structure HBT. Le courant de base est respectivement de 100µA(Vbe=0,84V)et
140µA(Vbe=0,85V) pour ces deux valeurs optimales, avec des gains en courant respectifs de 156 et 145.
La comparaison avec la simulation est tout à fait satisfaisante. Certaines variations dans la structure sont cependant
répercutées dans les différentes courbes. Cela est notamment le cas des courbes de fT en fonction du courant de base.
Les valeurs maximales sont identiques, mais il est nécessaire de faire circuler un courant Ib plus important afin de
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réduire les termes capacitifs. Enfin, il est possible d’observer pour certains phototransistors, des valeurs de gain en
courant plus fortes en mesure qu’en simulation. Ce phénomène est expliqué par les approximations de dopages faites
par la simulation, ainsi que par des effets de simulation 2D ne prenant pas en compte la symétrie circulaire du contact
d’émetteur. Cet effet est réduit dans le cas du motif 10x10µm² (facteur 1.5) et plus accentué dans le cas du motif
5x5µm² (facteur 3). L’effet du Roll-off est également plus prononcée dans la structure réelle indiquant des zones de
SiGe tampon dans la jonction base-collecteur plus étroites que pour la simulation. L’ajustement de la structure simulée
permet en tout état de cause de rendre compte de ces distinctions.
IV-2. Caractéristiques opto-microondes
La caractérisation optique-microonde a nécessité la mise en place d’un banc de mesure spécifique à la longueur
d’onde de 940nm, exploitant une technique de battement optique. Des lasers à cavités étendues sont utilisés. Des
mesures comparatives entre différents bancs ont également été réalisées sur des phototransistors InP/InGaAs [5]. Les
puissances issues du phototransistor SiGe/Si chargé sur chacun de ces accès par 50Ohms et issues de la photodiode de
référence sont présentées sur la Figure 2. La photodiode de référence permet de contrôler le niveau de variation RF de la
puissance optique injectée. La Figure 3 présente la courbe du gain en puissance opto-microonde du phototransistor alors
obtenue. La zone de bruit présente en fin de courbe est liée à un problème d’acquisition du banc de mesure qui devrait
être aisément résolu. Les conditions de polarisation sont choisies à Vce=1,5V et Ib=60µA sous un flux optique contrôlé
d’environ 1mW. Sous ces conditions de polarisation, le PTH SiGe 10x10µm² présente une valeur de fT électrique
mesurée de 17,9GHz, et une valeur simulée de 18,2GHz.
100
-55
-50
-45
-40
-35
-30
fréquence (GHz)
puissance électrique de sortie (dBm)
HPT
référence
Figure 2 : puissance de sortie du HPT 10x10 et de la
photodiode de référence
1081091010
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
fréquence (Hz)
Gain opto-microonde (dB)
800nm
850nm
900nm
940nm
980nm
Figure 3 : gain opto-microonde mesuré à 940nm et
simulations pour la structure 10x10µm².
Le gain en puissance opto-microonde s’exprime comme le rapport entre la puissance hyperfréquence de sortie du
photodétecteur et la puissance de sortie de la photodiode normalisée. Ce gain permet l’analyse des puissances au sein du
dispositif et est directement relié en dB à la responsivité sur 50Ohms du phototransistor. La notion de « fréquence limite
de fonctionnement à –40dB » est apportée pour les applications courtes distances, contre –20dB pour les applications
longues distances [3]. Une valeur d’environ 20GHz est ainsi estimée par la mesure à 940nm.
La comparaison à la simulation montre un désaccord notable sur le niveau du gain opto-microonde. Celui-ci équivaut
à un rapport entre les courants détectés de 3,5. Une partie de cet écart peut être absorbée par les différences entre
structures simulées et structures réelles, notamment remarquées sur le gain en courant. La présence de réflexions sur le
support de la puce peut également être responsable de l’augmentation de la détection du PTH SiGe mesuré. La valeur
du coefficient d’absorption peut également être remise en cause, mais ceci restant dans une plage de valeurs acceptable
d’après les différentes mesures contradictoires recensées dans la littérature. Des investigations complémentaires
pourront notamment exploiter des mesures de spectroscopie.
VI – Conclusions et perspectives
Les premiers résultats concernant un phototransistor bipolaire à hétérojonction SiGe/Si en technologie simple couche
contrainte ont été présentés. Un gain en puissance optique-microonde de 3,46dB à 940nm est démontré aux fréquences
basses, soit une sensibilité dc de 1,49A/W, comparable aux 1,47A/W obtenus par [2] à 800nm. Une fréquence limite de
fonctionnement du PTH, tenant compte d’un bilan de puissance indicatif pour les communications optiques courtes
distances, est estimée par la mesure à 20GHz à –40dB. La bande passante opto-électrique à –3dB est de 0,5GHz.
Un modèle complet pour la simulation hydrodynamique des couches SiGe contraintes précédemment mis en place
est exploité. Un bon accord est trouvé entre simulations et mesures en ce qui concerne les caractéristiques électriques.
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Les simulations opto-microondes ont été exploitées pour démontrer la faisabilité du phototransistor [3]. La
confrontation à la mesure présente cependant des écarts dont l’origine reste à étudier.
Ces résultats préliminaires ouvrent ainsi la voie tant sur des développements fondamentaux que sur des
développements applicatifs avec un nouveau composant, dont les performances et les possibilités d’intégration dans une
technologie industrielle devront permettre de répondre à des besoins multiples des applications de communications
courtes distances : - interconnexions optiques ; - transmission de signal RF et microondes ; - déport de capteurs ;
- systèmes de distribution de signal d’horloge…
Références
[1] Y. Zhu, Q. Yang, Q. Wang, “Resonant Cavity SiGe/Si MQW Heterojunction Phototransistor Grown on the
SIMOX Substrate for 1.3µm Operation”, IEEE Electronic Components and Technology Conference, pp.1199-
1204, 1997.
[2] Z. Pei, C.S. Liang, L.S. Lai, Y.T. Tseng, Y.M. Hsu, P.S. Chen, S.C. Lu, C.M. Liu, M.-J. Tsai and C.W. Liu,
“High Efficient 850nm and 1310 nm Multiple Quantum Well SiGe/Si Heterojunction Phototransistors with 1.25
Plus GHz Bandwidth (850nm)”, in IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM 2002, pp. 297-300, Dec.
2002.
[3] J.L. Polleux, “Contribution à l’étude et à la modélisation de phototransistors bipolaires à hétérojonction SiGe/Si
pour les applications opto-microondes”, Thèse de doctorat, CNAM, Paris, Oct. 2001.
[4] J.L. Polleux, A.-L. Billabert, G. Hincelin, C. Rumelhard, “Characterisation of phototransistors by beating of
lasers”, Workshop on Advances in Photonics Technologies for Microwave Applications at the European
Microwave Week 2002, papier invité, Milan, Italy, 27 septembre 2002.
[5] A.L. Billabert, J.L. Polleux, C.Rumelhard, “Caractérisation de phototransistor par battement de lasers”, JNM
2003; Lille; France, mai 2003.
[6] Z. Matutinovic-Krstelj, V. Venkataraman, E. J. Prinz, J. C. Sturm and C. W. Magee, “Base Resistance and
Effective Bandgap Reduction in n-p-n Si/Si1-xGex/Si HBT's with Heavy Base Doping”, in IEEE Transactions on
Electron Devices, Vol. 43, N°3, pp. 457-466, March 1996.
[7] J.L. Polleux, C. Rumelhard, “Modélisation physique et coefficient d’absorption optique de photodétecteurs SiGe
pour les applications opto-microondes”, 12ème JNM, Poitiers, France, mai 2001.
[8] D.V. Lang, R. People, J.C. Bean and A.M. Sergent, “Measurement of the band gap of GexSi1-x/Si strained-layer
heterostructures”, in Applied Physics Letters, Vol. 47, N°12, pp. 1333-1335, December 1985.
[9] T. Teppo, E. Sönmez, K. B. Schad, P. Abele and H. Schumacher, “Si/SiGe IC’s with Low Cost in the 15 to 20
GHz Range”, the 8th IEEE International Symposium on High Performance Electron Devices for Microwave and
Optoelectronic Applications, EDMO 2000, pp.26-31, Glasgow, Scotland, novembre 2000.
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