Développement d’une nouvelle filière de transistors bipolaires à hétérojonction AlIn(As)Sb/GaInSb en vue applications térahertz

Development of antimonide-based heterojunction bipolar transistors for terahertz applications

• Auteur / Autrice : Estelle Mairiaux
• Direction : Gilles Dambrine, Mohammed Zaknoune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 07/10/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Semiconducteurs -- Recombinaison

Rayonnement terahertz

Contacts métal-semiconducteur

Semiconducteurs -- Attaque à l'acide

Transistors bipolaires

Gallium -- Composés

Antimoniure d'indium

Mots clés libres

Transistor bipolaire à hétérojonction

Résumé

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.