état de l'art et perspectives 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 sur substrat InP TBH GaN TBH métamorphiques 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 InP In x Ga 1-x As InGaAs p= 2 10 19 cm -3 90 nm Collecteur Schottky InP In x Ga 1-x As InGaAs p= 4 10 19 cm -3 40 nm Collecteur Schottky 50 100 150 200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Ic [mA] G000420 G000712 Gain Ledge : gain en courant indépendant de la polarisation

TBH InP/InGaAs : transport dans la base Electro-luminescence : Injection d'électrons balistiques dans la base W t r s Électrons balistiques délocalisés Miroir (contact Ti/Au) E 2 1 3 InP InGaAs AlAs dopé p [D.Sicault et al Phys. Rev. B 65 121301(R) (2002)] 10 20 30 40 Dopage de base (cm-3) 3K 300K 4.10 19 2.10 3.10 Taux (ps-1) L > 35nm => le transport est majoritairement balistique dans la base.

TBH InP/InGaAs : jonction BC Hétérojonction base-collecteur Tenue en tension (collecteur à grand gap) Blocage des électrons en sortie de base DHBT : jonction graduelle et/ou composite [M.Ida et al. IEEE EDL 23(12), 694 (2002)] [M.Dahlstrom et al. IEEE EDL 24(7), 433 (2003)] fT = 351 GHz fmax = 288 GHz fT = 282 GHz fmax = 400 GHz Semble OK. Quid à plus haute fréquence ?

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 InP In x Ga 1-x As InGaAs p= 2 10 19 cm -3 90 nm Collecteur Schottky InGaAsP InGaAs base InP emitter W collector 1 µm WE=0.5mm : fT = 250 GHz fmax = 275 GHz [coll. F.Mollot IEMN]

Optimisation TBH InP / InGaAs SHBT SEB=0.35x8mm2 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 (1) W.Hafez et al. Electron. Lett. 39(20) 1475 (2003) (2) M.Ida et al. IEEE EDL 23(12) 694 (2002) (3) M.Dahlstrom et al. IEEE EDL 24(7) 433 (2003)

TBH InP / GaAsSb InP/GaAsSb : type II GaAsSb:C RNRT Melba (Opto+, Picogiga, LPN, LPM-INSA, IXL) 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 (Dev = 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 : MAIS Résultats statiques : Hautes températures, forte tension, forte puissance MAIS Couche de base très résistive (100 kW/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 b = 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 Thermalisation Intégration 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 Hyper - opto, TBH - HEMT ... Hyper - IC silicium M.Dahlstrom et al. (UCSB) InGaAs

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 (b<1 en MBE, b<10 en MOCVD) RMNT Reginal (LPN, LPMC-ENS, CRHEA, Picogiga) Ln=36nm tn=20ps 220mV Progrès matériaux ?

MHBT InP/InGaAs W collector base InGaAs 1 µm InP emitter InGaAsP 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 h21 U f T =250 GHz max =275 GHz 0.1 1 100 Frequence (GHz) I b =140 m A Ic=14.9 mA V ce =1.10 V Gain (dB) InGaAsP InGaAs base InP emitter W collector 1 µm fT = 250 GHz fmax = 275 GHz 1 µm Base Collector Emitter Air gap Air bridge 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1500 2000 2500 Epaisseur de collecteur (Ang.) G000712.2 TBHs 5x17 tb + RexCbc (fs) tb + tc (fs)

TBH métamorphiques Motivations Difficultés État de l'Art : TBH GaN sur Si ou SiC TBH InP sur GaAs Dimensions des substrats Coût des substrats InP Difficultés Réduction des défauts dus au désaccord de maille [F.Mollot IEMN et LPN] Dissipation thermique à travers un buffer épais (>1mm) [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)]