Academic literature on the topic 'Transistors bipolaires à hétérojonction Si'

Les TBH SiGe sont parmi les composants les plus rapides et sont utilisés pour les applications millimétriques. Des systèmes fonctionnent à 820GHz avec ces composants ont été déjà mis en œuvre. Afin de concevoir des circuits fonctionnant à ces fréquences très élevées, une analyse détaillée du comportement intrinsèque doit être effectuée. L’objectif principal de cette thèse est la caractérisation de la partie intrinsèque de ces composants. Une bonne précision de mesure dans la gamme de fréquences ondes millimétriques représente un vrai challenge, puisque les grandeurs intrinsèques du dispositifs ont beaucoup plus faibles que les données brutes de mesure auxquelles est associée la partie extrinsèque du composant. Afin de corriger la partie extrinsèque, des techniques de de-embedding spécifiques sont mises au point pour obtenir ces caractéristiques intrinsèques réelles. De plus, une technique de calibration directement sur la puce, sans utiliser de calkit, a été élaborée. Ceci permet de s’affranchir des effets de couplage entre la surface du standard de calibrage et les pointes de test hyperfréquences. L’ensemble a été validé par des simulations de type électromagnétique<br>SiGe HBTs have proven their capability to support large bandwidth and high data ratesfor high-speed communication systems. Systems operating at 820GHz with these componentshave already been implemented. To design circuits operating at high frequencies, adetailed analysis of the intrinsic behavior should be performed. The main objective of thisthesis is the characterization of the intrinsic part of these components. Good accuracy inthe millimeter wave frequency range represents a real challenge, since the intrinsic deviceparameters are much lower than the raw data measurement that is associated with theextrinsic part of the component. However, existing on-wafer de-embedding techniquesare known to be inadequate to remove completely the parasitic effects and to get thereal intrinsic characteristics. In addition, an on-wafer calibration technique has beendeveloped. This overcomes the effects of coupling between the surface of the standard calibrationand RF probe tips. The set has been validated by an electromagnetic simulation

La prise en compte de l'effet de la température et en particulier de l'auto-échauffement est un aspect fondamental pour rendre compte de manière précise des caractéristiques électriques des transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe. L'utilisation de ces composants dans des applications micro-ondes susceptibles d'être exposées à diffférentes températures et fonctionnant pour des fortes densités de courant accentuent énormément ces effets. Par conséquent, une modélisation préscise de ces phénomènes est indispensable. Un modèle dynamique décrivant l'auto-échauffement, caractérisé par une élevation de la température de jonction, a été développé. Une équivalence électrique de ce modèle analytique a été réalisée afin qu'il soit compatible avec des modèles électriques de type SPICE. Un banc de test spécifique pour évaluer le nouveau modèle et extraire ses paramètres a été mis en oeuvre. Dans une deuxième partie, la dépendance en température des différents paramètres qui peuvent intervenir dans un modèle électrique compact et en particulier dans le modèle HICUM a été étudiée<br>The consideration of the temperature and in particular of he self-heating effect in Si/SiGe heterojunction bipolar transistors is a fundamental aspect to predict in a precise way these electric characteristics. The use of these components in microwaves applications exposes to various tempertaures and strong densities of current, accentuates enormously these effects. Consequently, a precie modelling of these phenomena is necessary. A dynamic model describing the self-heatinng, characterized by a rise in the junction temperature, is developed. An electric equivalence close to the analytical model, compatible with SPICE electric models type, is established. A specific test bench is used in order to evaluate the new model and to extracts its parameters. In a second part, the temperature dependence of the various compact model parameters is studied, in particular in the HICUM model

Ce travail de thèse porte sur l'appariement des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) Si/SiGe issus de technologies BiCMOS. L'objectif de cette étude est d'identifier les mécanismes physiques qui sont à l'origine des fluctuations aléatoires des paramètres électriques. La comparaison des résultats expérimentaux obtenus sur différentes familles de TBH a permis, dans un premier temps, de dégager les propriétés typiques des fluctuations aléatoires des courants base et collecteur. Dans le régime idéal de fonctionnement, des modèles physiques basés sur les fluctuations du nombre de dopants ont été établis. Dans le régime des faibles courants, la dégradation de l'appariement du courant base a été interprétée grâce à un modèle physique, basé sur les fluctuations du nombre de défauts à la jonction émetteur/base, et consolidée par une caractérisation de l'appariement après un stress de type porteurs chauds. Enfin, à forts courants, les origines de la dégradation de l'appariement des courants base et collecteur due aux résistances d'accès ont été validées expérimentalement<br>The present work deals with matching of Si/Si Ge heterojunction bipolar transistors (HBT) in BiCMOS technologies. This study should lead to the identification of electrical parameter random fluctuations. First, thanks to the comparison of experimental matching results, obtained on several HBTs architectures, we have highlighted typical base and collector CUITent matching properties. Then, in the ideal CUITent region, physical models based on dopant fluctuations have been established. Ln the low CUITent region, base CUITent matching degradation has been full y interpreted and a new physical model has been proposed. This analysis has also been confirmed by a matching characterization after hot carrier injection stress. Finally, at high cUITents, base and collector CUITent mismatch degradation origins have been clearly demonstrated experimentally

Le regain d'intérêt récent pour les technologies bipolaires, induit par les transistors bipolaires à hétérojonction Silicium Germanium (TBH SiGe) a mis en lumière les problèmes liés à la modélisation compacte (ou électrique) de ces composants. En effet, le gain en performance qu'autorisent ces technologies avancées a accru les possibilités et le champ des applications, mais a dans le même temps rendu critiques les contraintes liées à leur modélisation précise. Ce mémoire développe les points clefs liés à la modélisation des TBH SiGe. En premier lieu, le gain en performance apporté par les TBH SiGe est exprimé et quantifié via une étude physique dont le point de départ est l'ensemble des équations des semi-conducteurs. Les méthodes d'obtention de mesures sous pointes des dispositifs microélectroniques en continu et en hautes fréquences sont alors présentées, ainsi que les moyens de corrections des erreurs. Nous comparons ensuite les modèles électriques de transistors bipolaires existants (Gummel-Poon, VBIC, MEXTRAM et HICUM). Ceci permet de considérer le modèle HICUM comme candidat idéal pour la modélisation des TBH SiGe. Après une étape qui consiste en la réalisation d'une version modifiée en langage comportemental (HDL-A) du modèle HICUM, nous présentons un ensemble de méthodes originales destinées à l'extraction des paramètres de celui-ci.

Les potentialités des structures phototransistors bipolaires à hétérojonction SiGe contraint sur Silicium pour les applications opto-microondes sont explorées par la simulation physique. Un modèle hydrodynamique dérive-diffusion couplé à un modèle d'absorption optique est exploité. Le jeu complet de modèles de paramètres du SiGe/Si est mis en place. Les variations de la largeur de bande interdite sont notamment synthétisées, des expressions de densités effectives d'états rigoureuses sont développées et le coefficient d'absorption optique est extrait de données de mesures à 90K. Un modèle à un phonon dit de MacFarlane est exploité. Une méthode d'extraction originale est proposée qui fournit des lois de variations en fonction de la longueur d'onde optique incidente, de la température et de la fraction de Ge. La définition d'outils fondamentaux pour l'étude rigoureuse opto-microonde des phototransistors est ensuite apportée : Le signal microonde porté par le signal optique est modélisé au travers d'une représentation en courant de la puissance optique. L'intérêt de cette représentation est décrit et argumenté. Les paramètres de sensibilités et de gain optique sont généralisés afin de tenir compte du comportement triporte du dispositif. Un gain de puissance opto-microonde est enfin défini de manière fondamentale, ainsi que des paramètres S opto-microondes. La définition de fréquences maximales de fonctionnement est proposée et l'optimisation des impédances terminales de différents phototransistors est présentée à partir d'une expérience antérieure sur des HPT InP/InGaAs. Le dernier chapitre analyse par simulation, à l'aide des précédents outils, les prototypes de HPT SiGe/Si réalisés. Par ce biais, les mécanismes internes de détection et d'amplification sont détaillés, et les performances opto-microondes potentielles développées. Un banc de mesure à lγm est enfin proposé<br>Potentialities of SiGe/Si heterojunction bipolar phototransistors are explored through physical simulations. A drift-diffusion hydrodynamic model coupled to an optical absorption model is used. The full set of the models of the SiGe/Si parameters is set up. The band gap energy variations models are reviewed. Simple and accurate effective densities of states equations are developed and the optical absorption coefficient model is extracted from 90K measurement's data. A MacFarlane average phonon model is used and an original extraction procedure is described that gives optical wavelength, temperature and Ge composition dependent variation's laws. Novel fundamental and general tools are then defined to properly describe the opto-microwave behaviour of phototransistors : The optical carried microwave signal is treated through the optical power which is modelled through an equivalent current source. Worth of this representation is described and argued. Responsivities and optical gain are generalised in order to take into account the three-port behaviour of the device. An opto-microwave power gain is defined, as well as opto-microwave S parameters. A maximum working frequency definition is proposed. Optimisation of terminal loads of different InP/InGaAs HPTs is presented. Some SiGe/Si HPT prototypes are produced and then analysed through the use of so-built study tools. Along this way, the understanding of the internal mechanisms is improved and potential opto-microwave performance are described. A lγm optical measurement bench is then proposed

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.

Cette thèse a pour objet l'étude et la réalisation de transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGeC à très hautes performances pour les applications de télécommunications et de détection radar (> 50 GHz). Le premier chapitre rappelle la théorie du fonctionnement du transistor bipolaire, aussi bien en régime statique que dynamique. Nous présentons ensuite dans un second chapitre un historique des technologies de fabrication des TBH SiGe, spécifiquement dans un cadre de compatibilité BiCMOS, en expliquant les choix pris en faveur d'un auto-alignement complet et d'une épitaxie sélective de la base. Les résultats obtenus dans cette thèse sont comparés aux performances de l'état de l'art. Nous étudions ensuite l'optimisation classique du TBH, et nous démontrons comment, par différentes optimisations du profil vertical et des dimensions latérales du composant, nous avons pu augmenter les fréquences fT et fMAX de 200 GHz au début de la thèse jusqu'à environ 300 GHz. La possibilité d'optimiser la tenue en tension collecteur est démontrée par des procédés technologiques en rupture avec l'optimisation classique du transistor, tels que l'émetteur métallique, l'insertion de Ge dans l'émetteur et la recombinaison en base neutre. Des améliorations significatives de BVCEO ont pu être démontrées grâce à ces procédés, ce qui permet d'obtenir des produits fT × BVCEO à l'état de l'art (> 400 GHz.V). La dernière partie de la thèse vise à étudier le comportement du TBH en fonction de la température : Nous décrivons tout d'abord l'auto-échauffement du transistor, et son impact sur les performances dynamiques. Des variantes technologiques permettant de réduire l'auto-échauffement sont étudiées (profondeur des DTI et fragmentation de l'émetteur), et un modèle simple de calcul de RTh est développé. Nous terminons par l'étude du TBH aux températures cryogéniques. fT et fMAX étant fortement améliorées à basse température (plus de 400 GHz), nous en tirons, grâce à l'extraction des différents temps de transit, des perspectives intéressantes pour l'amélioration ultérieure du composant, avec pour objectif d'atteindre des fréquences de transition de l'ordre du THz.

Grâce à une amélioration récente des performances des technologies silicium, les transistors bipolaires SiGeC (Silicium Germanium Carbone) concurrencent désormais avec succès les composants III-V pour les applications millimétriques (60GHz/80GHz). Cependant, pour remporter ce marché, la fréquence de fonctionnement des circuits doit être proche de la fréquence de coupure des composants. Les transistors sont ainsi utilisés dans des régimes de fonctionnement fortement non-linéaires et la modélisation des phénomènes de forte injection est alors indispensable. En premier lieu, une description simplifiée des transistors étudiés introduit les contraintes technologiques et détaille les éléments parasites. Des méthodes basées sur des structures de test spécifiques sont présentées afin d’identifier les paramètres clés limitant les performances hyperfréquences du composant et aussi de permettre leur optimisation. En second lieu, la caractérisation hyperfréquence couvrant la gamme millimétrique est discutée. Enfin la dernière partie de ce mémoire constitue une contribution à l’extraction des paramètres de forte injection du modèle compact bipolaire HICUM<br>With the recent improvement in silicon technologies, SiGeC bipolar transistors are now able to compete with III-V technologies for millimeter-wave applications (frequency-range 60GHz/80GHz). However to break into the millimeter-wave market, the circuit frequency will be close to the devices cut-off frequency. Therefore, the transistors work in extremely non-linear conditions and the high injection needs to be accurately modelled. First, a description of the bipolar transistors architecture allows introducing the device parasitic components. Extraction methods based on specific test structures are presented to identify the key parameters limiting the high frequency performances, and for process optimization. Secondly the hyper-frequency characterization method is discussed in the millimeter range. Finally, the last part of this thesis is a contribution to the extraction of the compact bipolar model HICUM high-injection parameters

Dans cette thèse, un algorithme de simulation Monte Carlo est spécifiquement développé pour modéliser le transport homogène et stationnaire des porteurs de charge dans les alliages aléatoires ternaires massifs de type SiGeC. Le simulateur Monte Carlo intègre une description numérique Full-Band de la structure de bande, et il est adapté à la simulation du transport des électrons et des trous. Les mécanismes d'interaction modélisés incluent l'interaction porteur-phonon, l'ionisation parvchoc, la diffusion sur potentiel d'alliage, l'interaction porteur-impureté ionisée, et le principe d'exclusion de Pauli. Les modèles théoriques sont calibrés sur un ensemble complet de résultats expérimentaux, et un accord quantitatif est atteint entre la simulation et la mesure sur de nombreuses propriétés électriques, qui incluent la mobilité à faible champ, la vitesse de dérive, le coefficient d'ionisation et le ratio d'efficacité quantique. L'algorithme de simulation Monte Carlo final est capable de modéliser le transport des porteurs de charge majoritaires et minoritaires dans les alliages ternaires SiGeC dopés, relaxés ou biaxialement contraints sur substrat de silicium. Le modèle Monte Carlo développé peut être utilisé pour extraire les paramètres matériau requis dans les simulateurs hydrodynamiques de dispositifs, notamment dans le cadre de la simulation de transistors bipolaires à hétérojonction intégrant des bases de SiGeC fortement dopées et épitaxiées sur silicium. L'implémentation de paramètres électriques spécifiques aux alliages SiGeC nous ont permis de prendre en compte les profils de germanium, de carbone et de dopants dans les simulations hydrodynamiques de dispositifs TBH. Cette description rigoureuse des propriétés électroniques du matériau SiGeC au sein d'un dispositif TBH constitue l'état de l'art de la modélisation électrique des transistors bipolaires avancés.

Cette thèse a pour objet l'étude et la réalisation en milieu industriel de transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGeC à très hautes performances pour les applications de télécommunications et de détection radar. Le premier chapitre rappelle la théorie de fonctionnement du transistor bipolaire, aussi bien en régime statique qu'en régime dynamique. Nous présentons ensuite un historique des technologies de fabrication des TBH SiGe, en expliquant les choix pris en faveur d'un auto-alignement complet et d'une épitaxie sélective de la base. Les performances obtenues dans cette étude sont comparées à l'état de l'art. Le chapitre III a pour objet l'optimisation classique du transistor bipolaire, et nous démontrons comment, par différentes optimisations du profil vertical et de l'extension latérale du composant nous avons pu augmenter les performances de 200GHz jusqu'à 300GHz. Le chapitre IV traite de l'optimisation de la tenue en tension par des procédés technologiques en rupture avec l'optimisation standard du transistor. Des améliorations significatives de la tenue en tension ont pu être démontrées, ce qui permet d'obtenir des produits fTxBVceo à l'état de l'art. Le dernier chapitre étudie le comportement du TBH en fonction de la température : Nous décrivons tout d'abord l'auto-échauffement du transistor, et son impact sur les performances dynamiques, nous terminons par l'étude du transistor bipolaire aux températures cryogéniques. Les performances étant fortement améliorées à basse température, nous en tirons de l'extraction des différents retards du composant des perspectives d'amélioration des temps de transit, pour atteindre des performances ultimes<br>This thesis has for main purpose the study and optimization in industrial environment of Si/SiGe heterojunction bipolar transistors having very high performances for telecommunication and radar detection applications. The first chapter is a reminder of the theory of the bipolar transistor, both in its static and dynamic operations. We present in the second chapter a history of the fabrication technologies of SiGeC HBTs, explaining the reasons leading to a fully self aligned structure with selective epitaxial growth of the base. Performances obtained in this thesis are compared with the state of the art. The third chapter deals with the classical optimization of the bipolar transistor, and we demonstrate how, by several optimizations made on the vertical profile and the lateral extension of the device, we could push up the performances from 200GHz up to 300GHz reached at the end of this work. Chapter IV deals with the optimization of the BVceo voltage by technological processes breaking out from the standard optimization scheme. Significant improvements of the breakdown voltage are demonstrated, which enables to get state of the art fTxBVceo products. Finally, the last chapter has for objective the study of the HBT behavior with temperature: We describe first the self-heating of the transistor, and its impact on dynamic performances. We finish by the study of the bipolar transistor at cryogenic temperatures. Dynamic performances are strongly improved at low temperature, we can deduct from the extraction of the several delays on the device interesting perspectives for further optimization of the transit times, to reach ultimate performances