La réduction continue des dimensions des transistors depuis les années 60 est à l’origine de l’explosion des usages de l’électronique. Toutefois, la réduction des dimensions à l’échelle nanométrique s’accompagne de nouvelles difficultés qui tendent à limiter les gains des transistors en termes de performances et de consommation.Afin de surmonter ces obstacles et maintenir cette dynamique, des canaux à base de nouveaux matériaux à forte mobilité et de nouvelles architectures de transistors sont désormais utilisées ou à l’étude. L’intérêt de films SiGe contraint en compression sur isolant (SGOI: SiGe-On-Insulator) ultra-minces est double : ils bénéficient de la forte mobilité des trous du SiGe contraint en compression ainsi que du meilleur contrôle électrostatique des structures dites « sur isolant ». Des films SGOI présentant une forte concentration en Ge et une importante contrainte peuvent être fabriqués par une technique industrielle appelée condensation. Cette technique repose sur deux processus simultanés : l’oxydation thermique et sélective du SiGe (seul le Si est oxydé) et l’inter-diffusion du SiGe entre l’oxyde thermique et l’oxyde enterré qui se comporte comme une barrière à la diffusion.L’utilisation de cette technique dans un environnement industriel nécessite de relever deux défis : maîtriser les mécanismes et la cinétique d’oxydation, et atteindre les plus fortes contraintes et qualités cristallines pour lesfilms SGOI.La cinétique de plusieurs procédés d’oxydation industriels et pertinents au regard des besoins technologiques actuels est étudiée à l’aide d’une nouvelle méthodologie d’analyse quantitative. Nous établissons une corrélationentre le coefficient de diffusion de l’espèce oxydante, qui détermine la cinétique d’oxydation, la concentration en Ge à l’interface d’oxydation, et la densité de l’oxyde mesurée par réflectivité de rayons X sur une ligne desynchrotron.Puis, nous avons fabriqué des films SGOI présentant des concentrations en Ge jusqu’à 80%. Nous discutons l’évolution de la contrainte de ces films en fonction des paramètres du procédé et des niveaux de contrainte. Enfin,nous mettons en évidence les effets du procédé de condensation sur la qualité cristalline du film SiGe aux interfaces avec les oxydes grâce à l’effet de canalisation d’une technique de rétrodiffusion d’ions à moyenne énergie (MEIS : Medium Energy Ion Scattering) / The tremendous spread of electronic devices and networks into our day-to-day life has been enabled by the constant downscaling of transistors since the 60’s. However, downsizing transistors has become increasingly difficult in the past few years and going to the nanometer scale brings new detrimental effects that have put power consumption and performances on quasi-plateaux for a few years. To overcome these limitations, high mobility channels based on new materials and new transistor architectures are being introduced. Ultrathin compressivelystrained SiGe-On-Insulator (SGOI) films benefit from the advantages of both the higher hole mobility of compressively strained SiGe as well as of the better electrostatic control of On-Insulator structures. The condensation techniqueis a CMOS-compatible technique that allows fabrication of such films with possibly high Ge content and high strain levels. The technique is based on Si-selective thermal oxidation of SiGe and concurrent SiGe diffusion between the thermal oxide and the buried oxide layer that acts as a diffusion barrier.Two main challenges still need to be taken up for an efficient and optimized use of the condensation technique in an industrial environment: oxidation mechanisms and kinetics must be well controlled, and strain and crystal quality of the SGOI film must be as high as possible.Firstly, this work bridges the gap between previous studies by covering various oxidation processes relevant to today’s technological needs with a new and quantitative analysis methodology of oxidation kinetics. A correlation is established between the diffusivity of the oxidizing species that governs oxidation kinetics, the Ge concentration at the oxidation interface, and the oxide density measured by X-Ray Reflectivity on a synchrotron beamline.Secondly, SGOI films with Ge concentrations up to 80% were fabricated by the condensation technique. The evolution of strain of SGOI films is discussed as a function of process parameters and strain energy levels. How the condensation technique alters the crystal quality, both at interfaces with oxides and in the bulk of the SiGe crystal, is evaluated by the Medium Energy Ion Scattering (MEIS) technique by using the channeling effect.

Ce travail de thèse présente le développement de phototransistors bipolaires à hétérojonction (HPT) SiGe/Si mis en œuvre dans une technologie de processus 80GHz SiGe bipolaire pour des applications de transmission Radio-sur-Fibre. Le cas particuliers d'un réseau domestique sans fil à infrastructure optique est considéré pour lequel le critère de coût est prépondérant. Le fonctionnement des ce HPT SiGe/Si est étudié sous une longueur d'onde optique de 850 nm en exploitant des fibres optique multimode (MMF) suffisantes pour les besoins de bande passante dans un environnement de réseau domestique. Le HPT SiGe/Si est également développé dans l'objectif de permettre une intégration combiné du photorécepteur et circuit intégré monolithiquement, conduisant à des structures de type Opto-electronic Microwave Monolithically Integrated Circuit (OE-MMIC), visant à poursuivre l'intégration et la réduction des cours. Deux topologies ont été explorées principalement: 1) une topologie avec élargissement de la base et du collecteur (xBC HPT) et 2) une topologie avec élargissement des trois régions de base, émetteur et collecteur simultanément (xEBC HPT). Des variations technologies ont été réalisées et analysées en détail, à la fois en terme de couches verticales que de dessin de masque (layout). Les mesures ont démontré la validité technologique de chacune de ces approches, et permis d'isoler l'impact sur les performances statiques et dynamiques de chacune de ces couches. Une solution de type xEBC se montre ainsi préférable pour le cas de composants de petites dimensions inférieure à 50x50µm², dans la bande du GHz. Les phototransistors sont développés dans une configuration à trois terminaux (3T-HPT). Le type de polarisation de la base du HPT influe également sur la responsivité du phototransistor. Une polarisation de courant constant (CC) démontre une plus grande responsivité par rapport au cas d'une polarisation en tension ( CV). Une analyse détaillée montre aussi les différences de responsivité mesurées en continue et celles mesurées en basse fréquence à 50MHz. La connexion de base permet également de varier l'impédance de charge présentée sur celle-ci. La théorie de l'adaptation des phototransistors est rappelée. L'effet de différentes impédances de base sont étudiées par la simulation et la mesure des circuits réalisés technologiquement. L'intégration du phototransistor au sein d'un circuit élémentaire est enfin explorée. Différentes configurations de paires HPT - HBT sont étudiées, formant des circuits élémentaires. Des caractérisations expérimentales permettent de vérifier l'amélioration apportées par ces topologies par rapport au phototransistor unique. Enfin, un phototransistor SiGe en configuraiton 2T-HPT est utilisé et intégré avec succès pour la première fois au sein d'un module de type Receiving Optical Sub Assembly (ROSA) pour la mise au point d'une transmission Radio-sur-Fibre multiGigabit par seconde pour un réseau domestique / This research is focused on the study of silicon germanium based heterojunction bipolar phototransistors (SiGe HPTs) implemented in an 80GHz SiGe Bipolar process technology. It's application in a radio over fiber system for home area networks are investigated. RoF for Home area networks are envisioned to implemented with a minimal system cost. Operation at 850nm is identified as a critical parameter to achieve this goal. Low cost off the shelf optical components are readily available at this wavelength. The use of multi mode fibers (MMF) as opposed to higher cost single mode fiber (SMF) is sufficient for the bandwidth requirements in a home network environment. A monolithically integrated OE receiver chip would help in the overall reduction of the system cost by having the optical detector in the same chip with the electronic circuits. We have designed and implemented three terminal HPT (3T-HPT) structures. The two main groups of the HPT structures are: 1) HPTs with extended Base and Collector regions (xBC HPT) and 2) HPTs with extended Emitter, Base and Collector regions (xEBC HPT). Variations to improve optical coupling the though optimizations in the vertical stack and lateral size of the HPT. The measurements and characterization showed that all the structures are compatible with the process technology. The type of biasing used in the base of the HPT also influences the HPT performance. A constant current (CC) bias has higher extracted DC responsivity as compared to a constant voltage (CV) bias. The effects of the different passive base loads on the HPT responsivity are studied through simulation and measurement of fabricated circuits. The impedance presented on the base has a great influence on the HPT responsivity. The performance of an HPT as circuit component is studied using different HPT-HBT pair configurations. Tests and measurements verify that improvement in the classical transistor pair configurations are also present in the opto microwave response of the HPT-HBT pair. Finally, SiGe hpt is used in the development of a ROSA module for a radio over fiber systems for home area network

Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès. La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées. / Today optical interconnects have overpassed wires on long, mid and short distances on the telecommunication field. Silicon photonics have known such a development that even inter and intra chip communications progressively become optical. However, the multiplication of data access terminals and the constant increase of data consumption force new components with even lower power consumption to appear. In this context, low power consumption components based on Ge/SiGe quantum wells have been developed. Until now, the use of Ge/SiGe quantum wells has been only limited to electroabsorption modulators. The first part of my thesis was dedicated to the study of a new kind of active region based on coupled Ge/SiGe quantum wells. This work led to the demonstration of giant electrorefractive effect in these structures. The active region based on coupled quantum wells gives a refractive index variation of 2.3×10-3 under a bias of only 1.5 V. The use of this effect for the development of integrated optical modulators needed the development of main building blocks to obtain interferometric structures. Compact bends and Mach Zehnder interferometers have been designed, fabricated and successfully characterized. The sensitivity to the polarization of these structures was evaluated with numerical simulations and polarization insensitive structures were designed. Then, an integrated electrorefractive modulator has been designed and fabricated which needed the development of a new technological process. The first charaterization results are presented. The perspectives of this work are the realization of an efficient modulator with switching voltage lower than 2V. The field of application of photonic integrated circuits is not only limited to the telecommunications. The approach based on integrated optics is also very promising for the identification and analysis of surrounding chemical species. Mid infrared spectral region is particularly suitable for this purpose as it contains specific absorption fingerprints of different chemical species. The use of photonic integrated circuits on silicon substrate allows to develop performant, compact and low cost spectroscopic systems. The second part of my thesis was focused on the development of wideband photonic platform based on Ge-rich Si1-xGex waveguides. Wideband waveguides between 5.5 and 8.5 µm were experimentally demonstrated which made possible the developpement of more complex structures such as MMIs or ultra-wideband Mach Zehnder interferometers. The same device has a theoretical bandwidth of 3.5 µm in TE polarization and of one octave in TM polarization. The operation was experimentally demonstrated between 5.5 and 8.6 µm and is only limited by laser spectral range. This work paves the way for future development of ultra-wideband spectroscopic systems on Ge-rich Si1-xGex platform. The last part of this work concerned second harmonic generation in Ge/SiGe quantum wells for mid infrared spectroscopic systems. First test devices have been designed and fabricated

La spectroscopie dans le moyen-infrarouge est une méthode universelle pour identifier les substances chimiques et biologiques, car la plupart des molécules ont leurs résonances de vibration et de rotation dans cette plage de longueurs d'onde. Les systèmes moyen infrarouge disponibles dans le commerce reposent sur des équipements volumineux et coûteux, tandis que de nombreux efforts sont maintenant consacrés à la réduction de leur taille et leur intégration sur circuits intégrés. L’utilisation de la technologie silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans le moyen-infrarouge présente de nombreux avantages: fabrication fiable, à grand volume, et réalisation de circuits photoniques à hautes performances, compacts, légers et à faible consommation énergétique. Ces avantages sont particulièrement intéressant pour les systèmes de détection spectroscopique moyen infrarouge, qui besoin d'être portable et à faible coût. Parmi les différents matériaux disponibles en photonique silicium, les alliages silicium-germanium (SiGe) à forte concentration en Ge sont particulièrement intéressants en raison de la grande fenêtre de transparence du Ge, pouvant atteindre 15 µm. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle plate-forme SiGe à forte concentration en Ge, pour la démonstration de circuits photoniques moyen infra rouge. Cette nouvelle plate-forme devrait bénéficier d'une large gamme de transparence en longueurs d'onde de transparence et de la possibilité d’ajuster les propriétés des guides optiques (indice effectif, dispersion,…). Au cours de cette thèse, différentes plates-formes basées sur différents profils graduels du guide d’onde ont été étudiées. Tout d'abord, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des guides présentant de faibles pertes optiques inférieures à 3 dB/cm dans une large plage de longueurs d'onde, de 5,5 à 8,5 µm. Une preuve de concept de détection de molécules, basée sur l'absorption de la partie évanescent du mode optique a ensuite été démontrée. Ensuite, les composants formant les briques de base classiques de la photonique intégrée ont été étudiés. Les premières cavités intégrées ont été réalisées à 8 µm. Deux configurations ont été étudiées : des cavité Fabry-Perot utilisant des miroirs de Bragg intégrés dans les guides d’onde et des résonateurs en anneau. Un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant sur une large bande spectrale, et pour les deux polarisations de la lumière a également été démontré. Tous ces résultats reposent sur la conception des matériaux et des composants, la fabrication en salle blanche et la caractérisation expérimentale. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen INsPIRE en collaboration avec le Pr. Giovanni Isella de Politecnico Di Milano. / Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm. In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …). During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.

The objective of this work is to develop an effective TCAD based hot-carrier degradation model in predicting the damage that a SiGe HBT undergoes as it is stressed across bias, time and temperature.

Discover of new energy sources and solutions are one of the important global issues nowadays, which has a big impact on economy as well as environment. One of the methods to help to mitigate this issue is to recover wasted heat, which is produced in large quantities by the industry, through vehicle exhausts and in many other situations where we consume energy. One way to do this would be using thermoelectric (TE) materials, which enable direct interconversion between heat and electrical energy. This thesis investigates how the novel material combinations and nanotechnology could be used for fabricating more efficient TE materials and devices. The work presents synthesis, processing, and electrical characterization of group IV materials for TE applications. The starting point is epitaxial growth of alloys of group IV elements, silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn), with a focus on SiGe and GeSn(Si) alloys. The material development is performed using chemical vapor deposition (CVD) technique. Strained and strain-relaxed Ge1-x Snx (0.01≤x≤0.15) has been successfully grown on Ge buffer and Si substrate, respectively. It is demonstrated that a precise control of temperature, growth rate, Sn flow and buffer layer quality is necessary to overcome Sn segregation and achieve a high quality GeSn layer. The incorporation of Si and n- and p-type dopant atoms is also investigated and it was found that the strain can be compensated in the presence of Si and dopant atoms.  Si1-xGexlayers are grown on Si-on-insulator wafers and condensed by oxidation at 1050 ᵒC to manufacture SiGe-on-insulator (SGOI) wafers. Nanowires (NWs) are processed, either by sidewall transfer lithography (STL), or by using conventional lithography, and subsequently manufactured into nanoscale dimensions by focused ion beam (FIB) technique. The NWs are formed in an array, where one side is heated by a resistive heater made of Ti/Pt. The power factor of NWs is measured and the results are compared for NWs manufactured by different methods. It is found that the electrical properties of NWs fabricated with FIB technique can be influenced due to Ga doping during ion milling. Finally, the carrier transport in SiGe NWs formed on SGOI samples is tailored by applying a back-gate voltage on the Si substrate. In this way, the power factor is improved by a factor of 4. This improvement is related to the presence of defects and/or small fluctuation of nanowire shape and Ge content along the NWs, generated during processing and condensation of SiGe layers. The SiGe results open a new window for operation of SiGe NWs-based TE devices in the new temperature range of 250 to 450 K. / <p>QC 20160907</p>

<p> </p><p>As technique and requirement of today’s products keeps expending, Acreo AB has been researching for automotive radar that fulfills these requirements, e.g. higher resolution, faster system and lower cost.</p><p>The purpose of this master thesis work has been to evaluate a previous design and implement changes. The work has resulted in a PCB card that will be used to compare the performance between two radar modules. The demonstrator has been developed in two versions – first based on the existing GaAs-chipset (Gallium Arsenide) and a second with the inclusion of a low cost SiGe-chipset (Silicon Germanium).</p><p>The outcome of this work proves that some requirements cannot be fulfilled and therefore a next-generation radar demonstrator has been proposed. The new radar demonstrator includes changes that can fulfill the requirements.</p><p> </p>

Many trends in the silicon industry could be interpreted as the herald of the end of traditional Si scaling. If this premise holds, future performance and system-on-chip applications may not be reached with conventional Si technology extensions. We review progress towards our vision that a larger crystal structure on Si, namely relaxed SiGe epitaxial layers, can support many generations of higher performance Si CMOS and new system-on-chip functionality without the expense of significant new equipment and change to CMOS manufacturing ideology. We will review the impact of tensile strained Si layers grown on relaxed SiGe layers. Both NMOS and PMOS exhibit higher carrier mobilities due to the strained Si MOSFET channel. Heterostructure MOSFETs designed on relaxed SiGe can have multiple-generation performance increases, and therefore determine a new performance roadmap for Si CMOS technology, independent of MOSFET gate length. We also indicate that this materials platform naturally leads to incorporating new optical functionality into Si CMOS technology. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

We have fabricated strained Ge channel p-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (p-MOSFETs) on Si₀.₃Ge₀.₇ virtual substrates. The poor interface between silicon dioxide (SiO₂) and the Ge channel was eliminated by capping the strained Ge layer with a relaxed, epitaxial silicon surface layer grown at 400° C. Ge p-MOSFETs fabricated from this structure show a hole mobility enhancement of nearly 8 times that of co-processed bulk Si devices, and the Ge MOSFETs have a peak effective mobility of 1160 cm²/V-s. These MOSFETs demonstrate the possibility of creating a surface channel enhancement mode MOSFET with buried channel-like transport characteristics. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

We report the creation of strained silicon on silicon (SSOS) substrate technology. The method uses a relaxed SiGe buffer as a template for inducing tensile strain in a Si layer, which is then bonded to another Si handle wafer. The original Si wafer and the relaxed SiGe buffer are subsequently removed, thereby transferring a strained-Si layer directly to Si substrate without intermediate SiGe or oxide layers. Complete removal of Ge from the structure was confirmed by cross-sectional transmission electron microscopy as well as secondary ion mass spectrometry. A plan-view transmission electron microscopy study of the strained-Si/Si interface reveals that the lattice-mismatch between the layers is accommodated by an orthogonal array of edge dislocations. This misfit dislocation array, which forms upon bonding, is geometrically necessary and has an average spacing of approximately 40nm, in excellent agreement with established dislocation theory. To our knowledge, this is the first study of a chemically homogeneous, yet lattice-mismatched, interface. / Singapore-MIT Alliance (SMA)