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.

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.

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.

Le transistor bipolaire a hétérojonction gaas/gaalas (tbh) présente de fortes potentialités pour l'amplification hyperfréquence de puissance. Ce mémoire constitue une contribution à l'optimisation d'un processus technologique de fabrication de ce transistor pour ce domaine d'application. Dans la première partie, une étude théorique du comportement électrique du T.B.H nous a permis d'établir un modèle électrique en régime statique et dynamique petit signal. A partir de ce modèle, nous avons étudié les phénomènes limitatifs des performances, en insistant sur la focalisation longitudinale du courant le long de l'émetteur et sur les phénomènes thermiques. Dans la seconde partie, nous dressons notre avant-projet de structure de puissance à partir de l'état de l'art publié dans la littérature et des moyens technologiques à notre disposition. Le troisième chapitre décrit de façon détaillée les travaux menés pour la mise en oeuvre et l'optimisation de chacune des étapes technologiques nécessaires a la réalisation de T.B.H de puissance: épitaxie des couches, réalisation des contacts, gravure ionique réactive des mesas, prise des contacts par des ponts a air. Dans la dernière partie, une caractérisation électrique précise tant en régime statique que dynamique, nous a permis d'extraire les paramètres du modèle électrique du T.B.H. Les performances fréquentielles atteintes par un transistor a un doigt d'émetteur de 10x2001#2 sont une fréquence de transition de 20 ghz et une fréquence maximale d'oscillation de 13 ghz. A 2 et 4 ghz, nous avons relevé une puissance dissipée en sortie de 650 mw avec un rendement en puissance ajoutée de 60%.

Ce travail est une contribution à la conception et à la réalisation d'oscillateurs intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) à base de Transistor à Effet de Champ à Grille Schottky (MESFET) GaAs ou de Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) GaAlAs/GaAs. Nous faisons tout d'abord un rappel sur les principales notions caractéristiques de la fonction oscillateur (notamment conditions d'oscillation et bruit de phase) suivi d'un état de l'art de cette fonction en technologie MMIC. Dans la deuxième partie, nous présentons les différentes techniques de CAO linéaires et non-linéaires utilisées pour la conception des oscillateurs. Avantages et inconvénients sont dégagés. Ceci nous conduit à définir une procédure générale de conception d'oscillateurs en régime de forts signaux basée sur la méthode d'équilibrage harmonique. L'oscillateur est traité sous la forme d'un amplificateur en réflexion avec optimisation du cycle de charge intrinsèque au transistor et de l'impédance de charge. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception d'un oscillateur MMIC à base de MESFET. La comparaison simulation-mesure nous conduit à constater les limites des techniques de caractérisation habituellement utilisées permettant l'extraction de modèle non linéaire de FET. Elle permet de montrer également l'inadéquation des modèles non-linéaires classiques de FET ne prenant pas en compte le phénomène d'autopolarisation et la nature distribuée de la grille. Une caractérisation complète des oscillateurs est réalisée incluant mesure et simulation du bruit de phase. La dernière partie présente la conception et la réalisation d'oscillateurs MMIC à base de TBH. L'objectif est d'évaluer ici par rapport à la fonction oscillateur, une technologie MMIC à TBH GaAlAs/GaAs

Le développement des technologies de communication et de l'information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L'objet de cette thèse est l'étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d'un état de l'art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l'analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l'aide d'une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l'avantage d'une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L'analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l'influence de la défocalisation du courant, de l'auto-échauffement, de la nature de l'hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques.

Le développement des technologies de communication et de l’information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L’objet de cette thèse est l’étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d’un état de l’art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l’analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l’aide d’une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l’avantage d’une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L’analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l’influence de la défocalisation du courant, de l’auto-échauffement, de la nature de l’hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques. / In order to fulfil the roadmap for the development of telecommunication and information technologies (TIC), low noise level and very fast semiconductor devices are required. Heterojunction bipolar transistor has demonstrated excellent high frequency performances and becomes a candidate to address TIC roadmap. This work deals with experimental analysis and high frequency noise modelling of Si/SiGe:C HBT (STMicroelectronics tech.) and InP/InGaAs HBT (III-V Lab Alcatel-Thales).Chapter I introduces the basic concepts of HBTs operation and the characterization at high-frequency. This chapter summarizes the high frequency performances of many state-of-the-art HBT technologies. The first part of chapter II describes the two HBT sets, with paying attention on the impact of the base composition (SiGe:C) or the lateral reduction of the device (InGaAs) on static and dynamic performances. Based on TCAD modelling, the second part shows that a 15-25% germanium composition profile in the base is able to reach highest dynamic performances. Chapter III summarizes the static and dynamic results at low temperature, giving a separation of the intrinsic transit times and charging times involved into the performance limitation. Chapter IV presents noise measurements and the derivation of high frequency noise analytical models. These models highlight the impact of the current crowding and the self-heating effects, and the influence of the base-emitter heterojunction on the high frequency noise. According to these models the high frequency noise performances are estimated at low temperature for both HBT technologies.

Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction fonctionnent à hautes fréquences sous des tensions d'environ 5V, en particulier dans le système de matériaux InP/InGaAs. Il est souhaitable d'obtenir ces performances non pas sur InP mais sur GaAs, substrat plus robuste, disponible en taille supérieure et préféré en industrie. Un buffer métamorphique GaAs → InP est alors requis pour relaxer la contrainte due au désaccord de paramètre de maille. Cette thèse porte sur la croissance par Epitaxie par Jets Moléculaires de tels buffers et de TBH InP/InGaAs à base fortement dopée au béryllium. Les buffers sont évalués via un protocole expérimental dédié au TBH, associant des caractérisations «matériaux» (photoluminescence, Double Diffraction des rayons X, microscopies optique et à force atomique AFM) et électriques (diodes métamorphiques). Nous comparons ainsi les deux processus de relaxation possibles : avec introduction progressive de la contrainte sur buffer graduel In(Ga)AlAs, abrupte sur buffer uniforme InP. Le rôle de la cinétique des adatomes III en front de croissance sur le processus graduel est démontré. Les performances des TBH métamorphiques InP/InGaAs épitaxiés sur GaAs via un buffer graduel InGaAlAs sont au final proches de celles des TBH de référence sur InP.

L'objet de cette étude est le dépôt de films minces SiNx à basse température assisté par plasma de haute densité de type DECR (Distributed Electron Cyclotron Resonance) et leur application à la passivation des dispositifs optoélectroniques à base d'InP, tel que le transistor bipolaire à hétérojonction. Dans un premier temps, nous comparons les différentes sources de plasma de haute densité qui sont utilisées pour le dépôt de nitrure de silicium et nous présentons un bilan des diverses méthodes de désoxydation des matériaux semiconducteurs utilisés dans les dispositifs optoélectroniques à base d'InP. Nous avons ensuite choisi de détailler la mise en oeuvre de l'analyse par sondes électrostatiques simple et double, qui constitue l'apport essentiel de ce travail dans l'étude du plasma DECR. Cette méthode nous a permis de mesurer des paramètres cruciaux pour le dépôt, tels que l'énergie des ions lorsqu'ils arrivent sur le substrat ou encore la densité de courant ionique. Ainsi, nous avons pu corréler ces paramètres avec les propriétés des films minces déposés (contrainte, densité, ...). Nous avons également étudié les mécanismes de conduction dans le nitrure de silicium pour différentes épaisseurs de film. La conduction par effet tunnel (mécanisme de Fowler-Nordheim) devient négligeable pour les films d'épaisseur supérieure à 20 nm. Pour ces derniers, la conduction est assistée par les pièges à électrons présents dans le nitrure (mécanisme de Frenkel-Poole). A travers l'étude électrique des structures Al/SiNx/InP, nous avons constaté que le traitement in-situ du substrat d'InP par plasma DECR N2 et/ou NH3 ne permet pas d'optimiser l'interface SiNx/InP. Par contre, nous avons montré que l'utilisation d'un plasma de dépôt riche en hydrogène permettait de réduire l'oxyde présent à la surface de l'InP. L'ensemble de cette étude a permis de définir un procédé de passivation du transistor bipolaire à hétérojonction InP/InGaAs qui a été testé avec succès.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer et d'évaluer une nouvelle architecture de Transistor Bipolaire à Héterojonction (TBH) Si/SiGe s’affranchissant des limitations de l'architecture conventionnelle DPSA-SEG (Double-Polysilicium Self-Aligned, Selective Epitaxial Growth) utilisée dans la technologie 55 nm Si/SiGe BiCMOS (BiCMOS055) de STMicroelectronics. Cette nouvelle architecture est conçue pour être compatible avec la technologie 28-nm FD-SOI (Fully Depleted Si-licon On Insulator), avec pour objectif d'atteindre la performance de 400 GHz de fT et 600 GHz de fMAX dans ce noeud. Pour atteindre cet objectif ambitieux, plusieurs études complémentaires ont été menées: 1/ l'exploration et la comparaison de différentes architectures de TBH SiGe, 2/ l'étalonnage TCAD en BiCMOS055, 3/ l'étude du budget thermique induit par la fabrication des technologies BiCMOS, et finalement 4/ l'étude d'une architecture innovante et son optimisation. Les procédés de fabrication ainsi que les modèles physiques (comprenant le rétrécissement de la bande interdite, la vitesse de saturation, la mobilité à fort champ, la recombinaison SRH, l'ionisation par impact, la résistance distribuée de l'émetteur, l'auto-échauffement ainsi que l’effet tunnel induit par piégeage des électrons), ont été étalonnés dans la technologie BiCMOS055. L'étude de l’impact du budget thermique sur les performances des TBH SiGe dans des noeuds CMOS avancés (jusqu’au 14 nm) montre que le fT maximum peut atteindre 370 GHz dans une prochaine génération où les profils verticaux du BiCMOS055 seraient ‘simplement’ adaptés à l’optimisation du budget thermique total. Enfin, l'architecture TBH SiGe EXBIC, prenant son nom d’une base extrinsèque épitaxiale isolée du collecteur, est choisie comme la candidate la plus prometteuse pour la prochaine génération de TBH dans une technologie BiCMOS FD-SOI dans un noeud 28 nm. L'optimisation en TCAD de cette architecture résulte en des performances électriques remarquables telles que 470 GHz fT et 870 GHz fMAX dans ce noeud technologique. / The ultimate objective of this thesis is to propose and evaluate a novel SiGe HBT architec-ture overcoming the limitation of the conventional Double-Polysilicon Self-Aligned (DPSA) archi-tecture using Selective Epitaxial Growth (SEG). This architecture is designed to be compatible with the 28-nm Fully Depleted (FD) Silicon On Insulator (SOI) CMOS with a purpose to reach the objec-tive of 400 GHz fT and 600 GHz fMAX performance in this node. In order to achieve this ambitious objective, several studies, including the exploration and comparison of different SiGe HBT architec-tures, 55-nm Si/SiGe BiCMOS TCAD calibration, Si/SiGe BiCMOS thermal budget study, investi-gating a novel architecture and its optimization, have been carried out. Both, the fabrication process and physical device models (incl. band gap narrowing, saturation velocity, high-field mobility, SRH recombination, impact ionization, distributed emitter resistance, self-heating and trap-assisted tunnel-ing, as well as band-to-band tunneling), have been calibrated in the 55-nm Si/SiGe BiCMOS tech-nology. Furthermore, investigations done on process thermal budget reduction show that a 370 GHz fT SiGe HBT can be achieved in 55nm assuming the modification of few process steps and the tuning of the bipolar vertical profile. Finally, the Fully Self-Aligned (FSA) SiGe HBT architecture using Selective Epitaxial Growth (SEG) and featuring an Epitaxial eXtrinsic Base Isolated from the Collector (EXBIC) is chosen as the most promising candidate for the 28-nm FD-SOI BiCMOS genera-tion. The optimization of this architecture results in interesting electrical performances such as 470 GHz fT and 870 GHz fMAX in this technology node.