Technologie et Physique de Transistors Bipolaires à Hétérojonction Si/SiGeC Auto-alignés très Hautes Fréquences

Thèse CIFREThe purpose of this thesis is the study and optimisation of high performance Si/SiGeC heterojunction bipolar transistors for telecommunication and radar detection applications (> 50 GHz). The first chapter is a reminder of the bipolar transistor theory, both in its static and dynamic operations. We present in the second chapter a history of the SiGe HBTs manufacturing technologies, explaining the choices leading to a fully self-aligned structure with selective epitaxial growth of the base. Results obtained in this thesis are compared with the state-of-the-art performances published in literature. Next, we study the classical optimisation of the HBT and we demonstrate how, by several optimisations made on the vertical profile and the lateral dimensions of the device, we were able to push up the fT and fMAX frequencies from 200 GHz at the beginning of the thesis up to 300 GHz. The possibility to increase the collector to emitter breakdown voltage BVCEO is demonstrated using innovative process features, such as metallic emitter, Ge insertion in the emitter, and neutral base recombination. Significant improvements of BVCEO are demonstrated, which enables state-of-the-art fT × BVCEO products (> 400 GHz.V). The study of the temperature behaviour of the HBT is presented in the last part of the thesis: First, we describe the self-heating of the transistor, and its impact on dynamic performances. Technological variations enable the reduction the self-heating, such as DTI depth diminution and emitter fragmentation, and a simple model for RTh calculation is developed. We finish off with the study of the HBT at cryogenic temperatures. Since fT and fMAX are strongly improved at low temperature (more than 400 GHz), we can deduct from the extraction of the different transit times interesting perspectives for further optimization of the device, with the goal to reach transition frequencies around 1 THz.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