Th.--Sci., électronique--Toulouse 3, 1977. N°: 744.

Les semiconducteurs III-V antimoniés suscitent un intérêt grandissant pour les applications électroniques rapides et faible consommation. Ces matériaux de paramètre de maille supérieur à 6,1 Å se caractérisent par des mobilités élevées et offrent une souplesse inégalée pour l’ingénierie des bandes. En particulier, le composé ternaire GaInSb se pose comme un candidat de choix pour la base des transistors bipolaires à hétérojonction du fait de sa haute mobilité de trous. L’objectif de cette thèse est d’évaluer la faisabilité et les potentialités d’une nouvelle filière de TBH à base d’antimoine en s’appuyant sur des hétérostructures originales AlIn(As)Sb/GaInSb. La réalisation de composants dans ce système moins bien connu que les systèmes plus classiques InP/InGaAs ou InP/GaAsSb a nécessité le développement de briques technologiques propres. L’étude de solutions de gravure pour la réalisation des mesa a notamment été entreprise et a permis d’identifier de nouvelles solutions chimiques adaptées à la gravure sélective de ces matériaux. Une attention particulière a également été portée sur la minimisation des résistivités spécifiques de contact qui a permis de dégager les paramètres critiques à l’obtention de contacts ohmiques de bonne qualité sur les couches en GaInSb de types n et p. La technologie développée a rendu possible la fabrication de dispositifs présentant des fréquences de coupure fT de 52 GHz et fMAX de 48 GHz. La caractérisation électrique précise tant en régime statique que dynamique des composants fabriqués ainsi que l’extraction du modèle petit signal nous ont permis de déterminer les principales limitations de ces dispositifs. / The so-called ABCS (antimonide-based compound semiconductor) materials have a great potential for low power, high speed electronics as they have high electron and hole mobilities and provide a unique opportunity for bandgap engineering. The ternary material GaInSb has specifically recently emerged as a good candidate for the base layer of high performance heterojunction bipolar transistors (HBT). The purpose of this work is to demonstrate the feasibility and potentialities of a new antimonide-based HBT structure using AlIn(As)Sb/GaInSb heterojunctions. The fabrication of devices in this material system represents a new technological approach as compared to the conventional InP/GaInAs or InP/GaAsSb HBTs and has necessitated the development of various processing steps. In this study, we have investigated new selective chemical solutions to expose the base and the subcollector surface, as well as for achieving device isolation. High quality and reliable ohmic contacts has also been explored by investigating the factors that influence the specific contact resistivity, thermal stability, and shallowness of the ohmic contacts to n- and p-GaInSb. The fabricated devices demonstrated good microwave behaviour with a current gain cutoff frequency fT of 52 GHz and a maximum oscillation frequency fMAX of 48 GHz. Electrical analysis based on dc and RF measurements and a small signal equivalent circuit model enabled the determination of the limiting factors that need to be addressed for further improvement.

Th.--Sci. électronique--Toulouse 3, 1977. N°: 772.

Th.--Sci. phys.--Bordeaux 1, 1978. N°: 600.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1979. N°: 42.

L'objectif de cette thèse est d'étudier les épitaxies SiGeC sélectives par rapport au nitrure de silicium afin d'améliorer les performances en fréquence des transistors bipolaires à hétérojonction à structure complètement auto alignée. Pour répondre à cette attente, le système SiH4/GeH4/SiH3CH3/HCl/B2H6/H2 est utilisé pour élaborer nos épitaxies sélectives.<br />Cette chimie à base de silane permet d'augmenter significativement la vitesse de croissance par rapport au système SiCl2H2/GeH4/HCl/H2 utilisé classiquement, aussi bien pour un dépôt silicium sélectif que pour un film SiGe sélectif. Par exemple, pour un film Si0,75Ge0,25 la vitesse de croissance est multipliée par un facteur 8.<br />L'incorporation des atomes de carbone dans les sites substitutionnels est facilitée par cette hausse du taux de croissance. En effet, la teneur en carbone substitutionnel est plus élevée en utilisant le silane comme précurseur de silicium (jusqu'à un facteur 4). L'effet bloquant du carbone sur la diffusion du bore est alors meilleur et le dopant est mieux contenu dans la base Si/SiGeC:B. Cette meilleure incorporation du carbone se reflète dans les résultats électriques. Le courant IB n'augmente pas aux fortes concentrations de carbone, ce qui signifie qu'il n'y a pas de centres recombinants dans la base. Le courant IC et la fréquence fT augmentent aussi, ce qui suggère que la largeur de la base neutre est plus fine et donc que la diffusion du bore est ralentie.<br />Nous avons également mis en évidence l'existence d'une corrélation entre le courant IB et l'intensité du signal de photoluminescence à température ambiante. En effet, considérant que leurs mécanismes de recombinaison sont similaires, nous avons noté que la hausse de IB correspond à la chute de la photoluminescence.

Le travail réalisé au cours de cette thèse porte sur l’optimisation du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C pour les applications d’amplification de puissance pour les communications sans fils. Nous présentons tout d’abord la structure d’étude. Il s’agit du transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe:C intégré en technologie BiCMOS 0.25µm sur plaques 200mm. La cellule dédiée à l’amplification de puissance est présentée. Une attention particulière est apportée aux phénomènes thermiques inhérents à ce type de cellules ainsi qu’aux solutions mises en œuvre pour les atténuer. Les diverses optimisations réalisées sur l’architecture du TBH sont détaillées. Ces optimisations touchent à la fois à la modification du procédé technologique et au dessin du transistor. Notre étude porte sur l’amélioration des performances petit et grand signal via l’optimisation des paramètres technologiques définissant la structure épitaxiale intrinsèque de base et de collecteur ainsi que des règles de dessin du transistor. Enfin, deux types d’architectures de TBH développées sont présentées. L’une de type simple polysilicium quasi auto-alignée qui s’intègre dans une technologie dédiée à l’amplification de puissance, l’autre présentant une structure double polysilicium également auto-alignée. / The present work deals with Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor optimization for power amplifier applications dedicated to wireless communications. We first present the investigated structure, a Si/SiGe:C heterojonction bipolar transistor integrated in a 0.25µm BiCMOS technology on 200 mm wafers. We discuss the cell dedicated to power amplification. We have paid attention to thermal phenomenon linked to this kind of cell and to possible dedicated solutions. Various optimizations realized on HBT architecture are detailed. These optimizations concern technological process modifications and transistor design. The main objective of this work is to improve both large and small signal characteristics. This is obtained by transistor design rule variations, collector and base intrinsic parameters optimization. Finally, two kind of developed HBT architectures are presented. One, simple polysilicium quasi self aligned, integrated in a technology dedicated to power amplification, the other one fully self aligned with double polysilicium structure.

Ces travaux de recherche portent sur l'évaluation de la fiabilité des Transistors Bipolaires à Hétérojonction sur substrat InP au moyen de la mise en place de techniques spécifiques adaptées. Avant tout, les procédés de fabrication de ces composants sont décrits et les caractéristiques électriques statiques sont calculées au moyen de la simulation physique. Ensuite, la caractérisation électrique statique et la modélisation associée permet l'extraction des paramètres du modèle avant les vieillissements accélérés puis leur étude statistique. Puis deux mécanismes électriques spécifiques qualifiés de parasites en relation directe avec la fiabilité de ces composants sont analysés en détail : le claquage de la jonction base-collecteur et le bruit basse-fréquence. Finalement, l'étude des mécanismes de dégradation effectuée à l'issue des vieillissements accélérés sous les différentes contraintes retenues en tension et en température met en évidence une stabilité de la technologie de ces composants.

Aujourd'hui les circuits intégrés commerciaux sont de plus en plus utilisés dans les satellites de télécommunication ou d'observation. En effet les contraintes économiques imposent l'usage de circuits non durcis aux radiations. Ceci, associé au fait que la technologie évolue entrainant une baisse de consommation et donc une diminution des marges de susceptibilité électromagnétique, les rendent plus sensibles à la fois aux interférences électromagnétiques et à la dose ionisante. Cet ensemble met en péril la mission des satellites. Ce travail de thèse est donc précurseur dans le domaine de la fiabilité combinée vis à vis de la dose ionisante et des signaux hautes fréquences (HF) sur des transistors bipolaires destinés aux applications basse fréquence. Nous avons tout d'abord observé la modification du comportement d'un transistor bipolaire discret lorsqu'il est soumis à une agression sinusoïdale continue (CW) dans la gamme 100 MHz - 5 GHz. Cette forme de signal nous a permis d'observer la réponse du transistor dans un régime établi. Il est important de noter que cette modification du comportement a lieu même pour des fréquences du signal d'interférence assez éloignées de la gamme de fréquence de fonctionnement du transistor. Nous avons pu alors mettre en évidence les différents mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite nous avons étudié l'influence de différents paramètres : fréquence et puissance du signal d'interférence, boîtier du transistor, valeurs des éléments du circuit de polarisation, sur la réponse du transistor soumis à l'agression CW. Un critère simple permettant de prévoir le comportement du transistor sous agression CW est proposé. Nous avons ensuite étudié l'influence de la dose ionisante sur le comportement du transistor sous agression CW. Après avoir observé la modification du comportement statique du transistor suite à l'irradiation avec une source de cobalt 60, nous avons analysé l'évolution des grandeurs électriques du transistor sous agression HF, pour différentes valeurs de doses totales déposées. Nous avons donc pu monter que la dose ionisante influence effectivement le comportement du transistor sous agression. Enfin, nous avons soumis le transistor à une autre forme d'agression haute fréquence : un signal sinusoïdal modulé par un signal impulsionnel. Grâce à ce type de signal, nous avons pu faire une analyse du comportement transitoire du transistor, et mettre en évidence l'importance des capacités, à la fois internes et externes au composant. Ici encore la dose ionisante influence les comportements. / Nowadays, economic constraints push space and aeronautical industries to use Commercial Off The Shelf (COTS) components, even though natural space environment constitutes a real challenge for electronic reliability due to ionizing particles. In addition to this problem, technological advancements lead to a decrease in device consumption inducing smaller electromagnetic susceptibility margins. Hence, integrated circuits are more sensitive to both Electromagnetic Interferences (EMI) and ionizing dose, which may threaten satellite missions. This thesis reveals precursor work in the field of combined ionizing dose and high frequency (HF) interferences on bipolar transistors designed for low frequency applications. Classical discrete low frequency bipolar transistors biased at integrated-circuit level of currents are put under study. A change of the voltage output when the device is subject to a continuous sine aggression (CW) in the range 100 MHz - 5 GHz is observed. This CW waveform allows an analysis of the response of the transistor in a steady state. It is important to note that the change in behavior of the transistor occurs even for interference frequency bands way higher than the operating frequencies of the device. We identified the different physical mechanisms involved during high frequency interference injection: rectification and current crowding. Then we studied the influence on the behavior under interference of different parameters: frequency and power of the interference signal, low frequency and RF frequency package of the transistor, values of elements of the bias circuit. A simple criterion to predict the way of change in the output voltage of the transistor is proposed. The same experiments were conducted on the transistors irradiated with a cobalt 60 source. We highlighted the importance for high-frequency susceptibility of the change induced by ionizing dose near the emitter base junction. Hence the susceptibility must be considered for different bias operations for different ionizing dose rates. Finally, our interest focused on another type of HF interference: a sine wave modulated by a pulse signal. With this type of signal, the transient behavior of the transistor under interference is analyzed. It highlights the importance of internal and external capacitances of the device on its response. Here again ionizing dose influences the electromagnetic susceptibility of the transistor.

Le travail porte sur le développement et l’optimisation de transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) SiGe et SiGeC par conception technologique assistée par ordinateur (TCAD). L'objectif est d'aboutir à un dispositif performant réalisable technologiquement, en tenant compte de tous les paramètres : étapes de fabrication technologiques, topologie du transistor, modèles physiques. Les études menées permettent d’atteindre les meilleures performances, en particulier une amélioration importante de la fréquence maximale d’oscillation (fMAX). Ce travail est la première approche développée pour la simulation des TBH SiGeC qui prend en compte l'impact de la contrainte et de la teneur en germanium et en carbone dans la base; conjointement pour les simulations des procédés de fabrication et les simulations électriques.Pour ce travail, nous avons développé et implémenté dans le simulateur TCAD des méthodes d'extraction de fMAX prenant en compte les éléments parasites intrinsèques et extrinsèques. Nous avons développé et implémenté un modèle pour la densité effective d’états fonction de la teneur en germanium et en carbone dans la base. Les modèles pour la bande interdite, la mobilité et le temps de relaxation de l'énergie sont calibrés sur la base de simulations Monte-Carlo.Les différentes analyses présentées dans cette thèse portent sur six variantes technologiques de TBH. Trois nouvelles architectures de TBH SiGeC avancés ont été élaborées et proposées pour des besoins basse et haute performance. Grace aux résultats obtenus, le meilleur compromis entre les différents paramètres technologiques et dimensionnels permettent de fabriquer un TBH SiGeC avec une valeur de fMAX de 500 GHz, réalisant ainsi l’objectif principal de la thèse. / The present work investigates the technology development of state-of-the-art SiGe and SiGeC Heterojunction Bipolar Transistors (HBT) by means of technology computer aided design (TCAD). The objective of this work is to obtain an advanced HBT very close to the real device not only in its process fabrication steps, but also in its physical behavior, geometric architecture, and electrical results. This investigation may lead to achieve the best electrical performances for the devices studied, in particular a maximum operating frequency of 500 GHz. The results of this work should help to obtain more physical and realistic simulations, a better understanding of charge transport, and to facilitate the development and optimization of SiGe and SiGeC HBT devices.The TCAD simulation kits for SiGe/SiGeC HBTs developed during our work have been carried out in the framework of the STMicroelectronics bipolar technology evolution. In order to achieve accurate simulations we have used, developed, calibrated and implemented adequate process models, physical models and extraction methodologies. To our knowledge, this work is the first approach developed for SiGe/SiGeC HBTs which takes into account the impact of the strain, and of the germanium and carbon content in the base, for both: process and electrical simulations.In this work we will work with the successive evolutions of B3T, B4T and B5T technologies. For each new device fMAX improves of 100 GHz, thus the technology B3T matches to 300 GHz, B4T and B5T to 400 and 500 GHz, respectively.Chapter one introduces the SiGe SiGeC heterojunction bipolar technologies and their operating principles. This chapter deals also with the high frequency AC transistor operation, the extraction methods for fMAX and the carrier transport in extremely scaled HBTs.Chapter two analyzes the physical models adapted to SiGeC strained alloys used in this work and the electrical simulation of HBT devices. This is also an important work of synthesis leading to the selection, implementation and development of dedicated models for SiGeC HBT simulation.Chapter three describes the B3T TCAD simulation platform developed to obtain an advanced HBT very close to the real device. In this chapter the process fabrication of the B3T technology is described together with the methodology developed to simulate advanced HBT SiGeC devices by means of realistic TCAD simulations.Chapter four describes the HBT architectures developed during this work. We will propose low-cost structures with less demanding performance requirements and highly performing structures but with a higher cost of production. The B4T architecture which has been manufactured in clean-room is deeply studied in this chapter. The impact of the main fabrication steps is analyzed in order to find the keys process parameters to increase fMAX without degrading other important electrical characteristics. At the end of this chapter the results obtained is used to elaborate a TCAD simulation platform taking into account the best trade-off of the different key process parameters to obtain a SiGeC HBT working at 500 GHz of fMAX.