Study and development of InP/GaAsSb heterojonctions bipolar transistors transferred on silicon in order to enhance thermal dissipation

Les transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) de la filière InP offrent aujourd’hui des fréquences de coupure supérieures à 400GHz pour le système InP/GaAsSb. Grâce à ces fréquences, les transistors bipolaires sont utilisés pour la réalisation de circuits performants dans des applications millimétriques telle que les communications optiques. Ainsi, pour atteindre ces performances remarquables, les dimensions verticales et latérales des TBH ont été considérablement réduites, entraînant l’auto-échauffement dans les TBHs aux densités de courant élevées. Cette thèse a donc pour objet l’étude et le développement de TBH InP/GaAsSb reportés sur un substrat hôte de silicium en vue de l’amélioration de la dissipation thermique. Une technique de transfert des couches épitaxiales a d’abord été présentée. Nous étudions ensuite les problématiques liées à la technique choisie et les paramètres de report par thermo-compression à basse température ont été optimisés. Le développement de la technologie InP/GaAsSb sur silicium a ensuite été effectué en partant d’une technologie classique de TBH non reportés. La réalisation du contact de collecteur, notamment, a fait l’objet d’une attention particulière. La réduction de l’épaisseur des couches actives ainsi que la technologie employée ont permis d’atteindre une fréquence de transition Ft supérieure à 400GHz. L’étude du comportement thermique des TBH a enfin été présentée grâce à l’extraction de la résistance thermique. Des valeurs très faibles ont été obtenues sur la technologie reportée de 800 à 1300W/K.m selon les dimensions des transistors ; ces valeurs sont très proches de celles simulées pour la même technologie. Elles constituent les premières mesures effectuées sur des TBH InP/GaAsSb transférés sur un substrat de silicium à haute conductivité thermique. Le report des TBHs sur silicium a ainsi permis une amélioration de la résistance thermique de 70% par rapport à une technologie standard de TBH non reportés. Ces résultats permettent de conclure quant à l’efficacité du report pour la réduction drastique de l’auto-échauffement dans les transistors bipolaires.The InP heterojonctions bipolar transistors (HBT) offer today cut-off frequencies larger than 400GHz for the InP / GaAsSb system. Thanks to these performances, these transistors are used for the realization of successful circuits in millimeter-wave applications such as the optical communications. So, to reach these remarkable performances, the HBT are subject to a notorious self-heating phenomenon due to high current density of collector. This thesis thus has for object the study and the development of InP / GaAsSb HBT transferred on a host substrate of silicon with the aim of the improvement of the thermal behavior. We report first of all the principles of the bipolar transistor as well as the state of the art of the various materials used for fast transistors. A transfer technique of epitaxial layers was then presented. We study bounding problems resulting from the chosen technique and transfer parameters for valid thermo-compression at low temperature were optimized. The development of InP / GaAsSb transferred technology on silicon was then made. In particular, the collector contact realization has needed particular attention. Active layers thickness reduction as well as device fabrication process technology allowed reaching transition frequency Ft higher than 400GHz. The study of HBT thermal behavior was finally presented with thermal resistance extraction. Very low values were obtained on the transferred technology, from 800 to1300 W/K.m according to transistors size; these values are very close to those obtained by TCAD simulation for such a technology. It is the first measurement on InP / GaAsSb transferred-HBT on high thermal conductivity silicon substrate. This transfer technology has so allowed thermal resistance improvement of 70 % compared with that of standard HBT technology. This work leads to the influence of transferred-substrate for the severe reduction of self-heating in bipolar transistors technology