Transistor Bipolaire à Hétérojonctions sur InP pour applications d'amplification de puissance en sub-THz pour la 6ème Génération (6G) de télécommunications sans fil

Bipolar Transistor with Heterojunctions on InP for power amplification applications in sub-THz for the6th Generation (6G) wireless telecommunications

• Auteur / Autrice : Abdelmalek Zemour
• Direction : Mohammed Zaknoune
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

THz

6g

Hbt

Résumé

Offrir aux utilisateurs mobiles un débit de données sécurisé, longue distance et haut débit est l'un des plus grands défis du XXIe siècle. Plus de 1400 To de données sont échangées dans le monde chaque… minute ! Les smartphones dépasseront 90 % du trafic de données mobiles d'ici 2022 et le trafic 5G représentera plus de 10 % du trafic mobile total d'ici 2022 d'après les prévisions. Cependant, alors que les communications par fibre optique ont atteint des débits de transmission ultra-rapides, le débit des connexions sans fil, dont les flux sont multipliés par 2 tous les 18 mois, reste le goulot d'étranglement des échanges de données, et il devient urgent d'augmenter les vitesses de transmission sans fil et ce jusqu'à une distance de l'ordre du km. Les bandes de fréquence THz, ondes très courtes, ont un large éventail d'applications telles que les télécommunications, l'imagerie, la sécurité, l'inspection des matériaux, la spectroscopie… Toutefois, aucune de ces applications n'a pleinement trouvé ses utilisateurs de façon massive, et restent confidentielles. Côté communications, de nombreux développements sont encore nécessaires pour faire des liens sans fil jusqu'au THz une réalité tangible. Ces bandes de fréquence vers le THz sont donc bien adaptées pour satisfaire la forte demande de débit de données des systèmes de communication sans-fil. Au cours des dernières années, plusieurs démonstrations ont été effectuées dans le monde en utilisant différentes technologies telles que l'électronique à l'état solide, la photonique ou en les combinant. Cependant, même si la concurrence entre ces technologies est forte et stimulante, le goulot d'étranglement reste la génération de puissance d'émission suffisante et répondre au besoin des futurs systèmes de télécommunications demeure un immense défi. Même si la technologie silicium domine le marché mondial de l'électronique, la nécessité de fonctionner aux fréquences plus élevées de certaines applications a mis en évidence les limitations de ce dernier et a débouché sur l'utilisation des semi-conducteurs composés III-V. Les systèmes à très haute fréquence (au-delà de 100 GHz) actuels reposent déjà, en partie, sur des composants et matériaux à base de semi-conducteurs autres que le Silicium, qui permettent d'atteindre des performances supérieures à celui-ci. Des transistors à base de GaN affichant une puissance de sortie élevée, à des fréquences FMAX allant au-delà de 400 GHz, ont été démontrés. Les technologies à base d'InP ne sont pas en reste, offrant la possibilité de produire du gain en puissances plus élevées que le Si et pour des fréquences allant un peu au-delà de 1 THz. Dans ce contexte, nous nous proposons d'étudier le transistor bipolaire à hétérojonction pour des applications en amplification de puissance à ultra haute fréquence. La gamme de fréquence visée est le térahertz. Le travail consistera à réaliser des composants à l'échelle submicronique, 150-200 nm, ainsi qu'à développer les étapes technologiques rendu extrêmement difficile en raison des dimensions visées. On compte parmi ces étapes difficiles, la lithographie électronique, les gravures semiconducteurs ainsi que les contacts métal-semiconducteurs. Le travail consistera également à appréhender la physique de ce dispositif dans l'objectif d'en optimiser le fonctionnement à très haute fréquence et d'en repousser les limites. Ce travail sera mené dans la salle blanche de l'IEMN. Ainsi nous souhaitons développer le Transistor Bipolaire à hétérojonctions sur la base de de la filière semiconducteur InP/InGaAs. Ce travail sera mené en collaboration avec les laboratoires grenoblois du CEA-Leti et le Laboratoire des technologies de la microélectronique (LTM). L'un des objectifs est de transférer, d'implémenter une technologie de fabrication du transistor bipolaire à hétérojonctions en milieu de fabrication d'un salle blanche silicium. Dans ce contexte les objectifs de performances sont toujours de 1 THz pour le FMAX.

Providing secure, long-distance, high-speed data throughput to mobile users is one of the greatest challenges of the 21st century. More than 1400 TB of data is exchanged around the world every minute! Smartphones will overtake 90% of mobile data traffic by 2022 and 5G traffic will account for over 10% of total mobile traffic by 2022 according to forecasts. However, while fiber optic communications have reached ultra-fast transmission speeds, the speed of wireless connections, whose flows are multiplied by 2 every 18 months, remains the bottleneck of data exchanges, and it is becoming urgent to increase wireless transmission speeds up to a distance of the order of one km. THz frequency bands, very short waves, have a wide range of applications such as telecommunications, imaging, security, materials inspection, spectroscopy However, none of these applications has fully found its users on a massive scale, and remain confidential. On the communications side, many developments are still needed to make wireless links down to THz a tangible reality. These frequency bands towards THz are therefore well suited to satisfy the high demand for data throughput of wireless communication systems. In recent years, several demonstrations have been carried out around the world using different technologies such as solid state electronics, photonics or a combination of them. However, even if the competition between these technologies is strong and stimulating, the bottleneck remains the generation of sufficient transmission power and meeting the needs of future telecommunications systems remains a huge challenge. Although silicon technology dominates the global electronics market, the need to operate at the higher frequencies of some applications has highlighted its limitations and led to the use of III-V compound semiconductors. Current very high frequency systems (above 100 GHz) are already based, in part, on components and materials based on semiconductors other than silicon, which make it possible to achieve higher performance than this. GaN-based transistors displaying high output power, at FMAX frequencies beyond 400 GHz, have been demonstrated. InP-based technologies are not to be outdone, offering the possibility of producing gain at higher powers than Si and for frequencies going a little beyond 1 THz. In this context, we propose to study the heterojunction bipolar transistor for applications in ultra high frequency power amplification. The target frequency range is terahertz. The work will consist of producing components at the submicron scale, 150-200 nm, as well as developing the technological steps made extremely difficult due to the targeted dimensions. These difficult steps include electronic lithography, semiconductor etchings and metal-semiconductor contacts. The work will also consist of understanding the physics of this device with the aim of optimizing its operation at very high frequency and pushing its limits. This work will be carried out in the clean room of the IEMN. Thus we wish to develop the Heterojunction Bipolar Transistor based on the InP/InGaAs semiconductor industry. This work will be carried out in collaboration with the Grenoble laboratories of CEA-Leti and the Microelectronics Technologies Laboratory (LTM). One of the objectives is to transfer and implement a heterojunction bipolar transistor manufacturing technology in the manufacturing environment of a silicon clean room. In this context, the performance objectives are always 1 THz for the FMAX.