Experimental analysis ad electrical modeling of n-HFET and HFET SiGe

• Auteur / Autrice : Mauro Alberto Encisco Aguilar
• Direction : Frédéric Aniel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Électronique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Transistors à hétérostructure à effet de champ

Hyperfréquences

Basses températures

Résumé

Cette thèse propose une synthèse du travail expérimental mené dans le contrat européen SIGMUND. Plusieurs technologies des transistors à heterostructure à effet de champ Si/SiGe (n-HFET) et une technologie de p-HFET Ge/SiGe développés par DaimlerChrysler sont étudies à travers les variations des principaux facteurs de mérite statiques (DC), Hyperfréquences (HF) et en bruit en fonction de la polarisation, de la longueur de grille et de la température. Les composants ont atteint des fréquences maximales d'oscillation et de facteur du bruit minimum à l'état de l'art des composants sur silicium: pour les n-HFETs les meilleures performances ont été: f-T= 74 GHz (105 GHz), f-MAX= 188 GHz (225 GHz) à 300 K (50K) NF-MIN = 0. 3 dB et R-n = 41 @ 2,5 GHz. Tandis que pour les p-HFET, les meilleures performances obtenues dans le cadre de ce travail ont été: f-MAX = 135 GHz (180 GHz), f-T = 55 GHz (90 GHz) à 300 K (35 K) et NF-MIN = 0,5 dB et Rn = 90 Q(gama) @ 2,5 GHz. Ces composants ont atteint des performances hyperfréquence et des performances en bruit records qui les situent à l'état de l'art des composants hyperfréquences sur silicium. Les études à température et à longueur de grille variable permettent de mieux comprendre le comportement du dispositif. Egalement, ils sont un outil précieuse pour identifier l'effets physiques qui limitent la montée en fréquence des HFET Si/SiGe: a) les résistances parasites de source et de drain, b) les capacités parasites électrostatiques, 3) l'ionisation par choc et 4) l'auto échauffement. Donc, des voies d'optimisation sont proposés pour améliorer les performances de ces transistors à température ambiante. Les résultats obtenues montrent que ces dispositifs sont susceptibles de couvrir une partie du marché des composants RF et HF jusqu'à 20 GHz à la place des composants III-V, des TBH SiGe et surtout du MOSFET conventionnel. Quelques circuits de démonstrations ont déjà été realizes avec des performances à l'état de l'art. Ces démonstrateurs ouvrent la voie pour des circuits plus complexes comme un amplificateur sélectif à deux étages, conçu pour une bande de fréquences de 35 GHz.

This work summarizes the main results achieved under the frame of European project SIGMUND. An investigation on the performances of SiGe based Heterostructure Field Effect Transistors (HFETs) has been carried out. We have analyzed their characteristics as a function of technological process, dimensions, doping levels, bias conditions, and temperature. The main limiting elements for further device improvement have been detected. We have proposed some alternatives to achieve better device properties in DC, high frequency and noise domains. These emerging devices have shown their potentialities to operate in the microwave range. 100 nm n-HFETs have reached an outstanding figure of merit (maximum frequency of oscillation) f-MAX = 188 GHz which rises up to to 227 GHz on cooling at 50 K. The best intrinsic transconductance g-m is respectively 720 mS/mm at 300 K and 874 mS/mm at 50 K. The lowest HF noise n-MODFET has a minimum NF-min of 0. 3 dB with an associated gain G-ass = 19 dB at 2. 5 GHz. Such NF-min value is the smallest value reported so far for SiGe-based HFETs. Concerning the p-HFET SiGe the best figures of merit are f-MAX = 135 GHz (180 GHz), f-T = 55 GHz (90 GHz) à 300 K (35 K) et NF-MIN = 0,5 dB et R-n = 90 Q(gama) at 2,5 GHz. These high-frequency trends set the SiGe technology as a serious alternative to the III-V counterparts. Low temperature investigation allows to investigate a large part of physical phenomena which occur in short gate Si/SiGe n-MODFET such as highly non stationary transport which involves strong improvements of static and HF performances. Low temperatures also enhance short channel effects, carrier confinement, trapping. A better understanding of these physical processes allows improvements of 300 K performances. As there is a strong parallelism between reducing the gate-length and cooling clown a transistor, cryogenic measurements are helpful in detecting the main limiting elements for high frequency performance like: a) parasitic access resistances, b) electrostatic capacitances c) Impact ionization, d) self heating. Some alternatives have been proposed in order to overcome these problems at 300K. The results presented here indicate that SiGe hetero-FET technologies have a strong potential to capture a significant share of the RF market at least up to 12 GHz. Some demonstrator circuits based on n-HFETs or p-HFETs already exist. Inverters and transimpedance amplifiers open the road up to more, complex circuits, and the forthcoming integration of n-HFETs and p-HFETs offers a new generation CMOS circuits too.