Etude et fabrication de MOSFET de la filière III-V

Study and fabrication of MOSFET with III-V materials

• Auteur / Autrice : Jiongjiong Mo
• Direction : Sylvain Bollaert, Nicolas Wichmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 11/07/2012
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Recuit thermique rapide

Semiconducteurs à bande interdite étroite

Composés semiconducteurs

Économies d'énergie

Transistors MOSFET

Mots clés libres

Interface oxyde-semiconducteur

Systèmes intelligents

Résumé

Le système autonome nécessite une consommation d'énergie inférieur à 100μW pour qu’ils puissent récupérer l’énergie environnementale. Le transistor MOSFET, étant le composé principal de ce système, peut permettre cela en améliorant ces performances. Le matériaux III-V présente un intérêt à être appliqué au transistor MOSFET en considérant ses propres propriétés tel la haute vitesse thermique d’électron, la haute vitesse de saturation, la faible bande interdite. D'aussi hautes performances de transistor avec de basse consommation d'énergie peut être envisagé grâce au MOSFET III-V. Des technologies de fabrication de MOSFET In0.53Ga0.47As ont été développées avec ces mesures statiques et dynamiques. Un IdMAX=180mA/mm, gmMAX=110mS/mm, fT=150GHz, et fMAX=47GHz ont été obtenus pour un transistor de longueur de grille de 50nm. Différentes voies d’amélioration ont été étudiées y compris le procédé gate-last comparé au gate-first, l’effet PDA, et l’effet PPA. Le procédé gate-last démontre moins de dégradation de l’oxyde avec de meilleures performances que gate-first. PDA n’a pas d'effet important sur les performances du transistor. PPA a démontré un effet de passivation de certains défauts dans l’oxyde et dans l’interface. Des structures alternatives ont été étudiées comme la structure MOSHEMT de maille adapté et pseudomorphique, montrant de meilleures performances avec une IdMAX=300mA/mm, gmMAX=200mS/mm, fT=200GHz et fMAX=50GHz pour un transistor de longueur de grille de 100nm. Ces performances DC sont loin de l’état de l’art, tandis que les performances RF sont parmi les meilleures. La perspective de ce travail est d’améliorer la qualité d’oxyde en baissant le budget thermique et aussi d'utilier de prometteuses strucutres comme MOS-COMB (la structure MOS-Thin body avec couche barrière entre l’oxyde et le semiconducteur). La structure MOSFET InAs de haute performance pourrait aussi être envisagé en réduisant le budget thermique au cours de la fabrication.

The autonomous system requires a power consumption of less than 100μW so that they can recover energy from the environment. MOSFET, being a major component of this system can achieve this low power consumption requirement by improving its performance. III-V materials are of interest to be applied to MOSFET considering its own properties such as high electron thermal mobility, high saturation velocity, and low band gap. So high-performance transistor with low power consumption can be expected by III-V MOSFETs. Fabrication technologies of In0.53Ga0.47As MOSFETs have been developed with its static and dynamic measurements. An IdMAX=180mA/mm, gmMAX=110mS/mm, fT=150GHz and fMAX=47GHz were obtained for a transistor gate length of 50nm. Different ways of improvement were studied including the gate-last process compared with gate-first, the PDA effect, and the PPP effect. The gate-last process shows less degradation of the oxide with better performance than gate-first. PDA has no prominent effect on the performance of transistor. PPA has been shown to have a passivation effect of certain defects in the oxide and interface. Alternative structures have been studied such as the structure MOSHEMT with lattice matched and pseudomorphic, showing best performances like IdMAX=300mA/mm, gmMAX=200mS/mm, fT=200GHz and fMAX=50GHz for a transistor gate length of 100nm. DC performance is far from the state of the art, while the RF performances are among the best. The perspective of this work is to improve the oxide quality by lowering the thermal budget and also to use promising structures as MOS-COMB (MOS-Thin body structure with barrier layer between the oxide and semiconductor). The MOSFET InAs with high-performance could also be expected by reducing the thermal budget during the fabrication.