Transistor bipolaire à hétérojonction GaInAs/InP pour circuits ultra-rapides PDF Download
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L'ESSOR DES TELECOMMUNICATIONS A L'ECHELLE MONDIALE QU'A CONNU LA FIN DU XXEME SIECLE A ETE RENDU POSSIBLE PAR L'EXISTENCE DE RESEAUX A BASE DE FIBRES OPTIQUES, CAPABLES DE TRANSMETTRE DES FLUX DE DONNEES IMPORTANTS SUR DE LONGUES DISTANCES. LA GESTION DE CES IMPORTANTS FLUX D'INFORMATION EN AMONT ET EN AVAL DE LA FIBRE REQUIERT DES CIRCUITS ELECTRONIQUES NUMERIQUES ET ANALOGIQUES TRAITANT DES DEBITS DE DONNEES SUPERIEURS A 40GB/S, CE QUI IMPLIQUE L'UTILISATION DE COMPOSANTS TRES RAPIDES, AVEC DES FREQUENCES DE TRANSITION AU-DELA DE 150GHZ.GRACE AUX REMARQUABLES PROPRIETES DE LA FAMILLE DE MATERIAUX III-V EN TERMES DE TRANSPORT ELECTRIQUE, LE TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION GAINAS/INP SE CLASSE COMME L'UN DES TRANSISTORS LES PLUS RAPIDES ACTUELLEMENT, ET PERMET LA REALISATION DE TELS CIRCUITS OPERATIONNELS A TRES HAUTE FREQUENCE.LA MISE EN PLACE D'UNE FILIERE COMPLETE DE FABRICATION DE CIRCUITS A BASE DE TBH NECESSITE QUE SOIT MAITRISE UN GRAND NOMBRE D'ETAPES. UN CERTAIN NOMBRE D'ENTRE ELLES TOUCHE DIRECTEMENT AU COMPOSANT: CONCEPTION, EPITAXIE, FABRICATION TECHNOLOGIQUE, CARACTERISATION A CES ETAPES DOIT ETRE AJOUTEE UNE CERTAINE COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES INTERVENANT DANS LE DISPOSITIF.DANS CE TRAVAIL DE THESE, LES PROBLEMATIQUES LIEES A L'OPTIMISATION DU TBH GAINAS/INP, AINSI QUE CERTAINES QUESTIONS RELATIVES AUX MECANISMES PHYSIQUES MIS EN JEU SONT PRESENTEES.
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L'ESSOR DES TELECOMMUNICATIONS A L'ECHELLE MONDIALE QU'A CONNU LA FIN DU XXEME SIECLE A ETE RENDU POSSIBLE PAR L'EXISTENCE DE RESEAUX A BASE DE FIBRES OPTIQUES, CAPABLES DE TRANSMETTRE DES FLUX DE DONNEES IMPORTANTS SUR DE LONGUES DISTANCES. LA GESTION DE CES IMPORTANTS FLUX D'INFORMATION EN AMONT ET EN AVAL DE LA FIBRE REQUIERT DES CIRCUITS ELECTRONIQUES NUMERIQUES ET ANALOGIQUES TRAITANT DES DEBITS DE DONNEES SUPERIEURS A 40GB/S, CE QUI IMPLIQUE L'UTILISATION DE COMPOSANTS TRES RAPIDES, AVEC DES FREQUENCES DE TRANSITION AU-DELA DE 150GHZ.GRACE AUX REMARQUABLES PROPRIETES DE LA FAMILLE DE MATERIAUX III-V EN TERMES DE TRANSPORT ELECTRIQUE, LE TRANSISTOR BIPOLAIRE A HETEROJONCTION GAINAS/INP SE CLASSE COMME L'UN DES TRANSISTORS LES PLUS RAPIDES ACTUELLEMENT, ET PERMET LA REALISATION DE TELS CIRCUITS OPERATIONNELS A TRES HAUTE FREQUENCE.LA MISE EN PLACE D'UNE FILIERE COMPLETE DE FABRICATION DE CIRCUITS A BASE DE TBH NECESSITE QUE SOIT MAITRISE UN GRAND NOMBRE D'ETAPES. UN CERTAIN NOMBRE D'ENTRE ELLES TOUCHE DIRECTEMENT AU COMPOSANT: CONCEPTION, EPITAXIE, FABRICATION TECHNOLOGIQUE, CARACTERISATION A CES ETAPES DOIT ETRE AJOUTEE UNE CERTAINE COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES INTERVENANT DANS LE DISPOSITIF.DANS CE TRAVAIL DE THESE, LES PROBLEMATIQUES LIEES A L'OPTIMISATION DU TBH GAINAS/INP, AINSI QUE CERTAINES QUESTIONS RELATIVES AUX MECANISMES PHYSIQUES MIS EN JEU SONT PRESENTEES.
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Cette thèse présente l'optimisation des performances du transistor bipolaire à double hétérojonction (TBDH) InP/InGaAs aux dimensions submicroniques. Tout d'abord nous présenterons le développement d'un modèle analytique tenant compte des spécificités du dessin et de la technologie de ce composant. Ce modèle, qui sera confronté aux résultats de mesures de paramètre S, servira à déterminer les dimensions optimales permettant d'atteindre des fréquences de coupure élevées et de mettre en évidence les principaux axes d'optimisation des performances. Puis nous étudierons plusieurs structures de couche pour la transition base collecteur visant à améliorer les propriétés de transport du TBH et repousser la densité de courant au seuil d'effet Kirk en vue d'augmenter les performances fréquentielles maximales du composant. Enfin, étant donné que les TBH fonctionnent à des densités de courant pouvant dépasser 800 kA/cm2, ceux-ci sont sujets à un auto-échauffement qui contribue à la dégradation de leurs performances fréquentielles et à un vieillissement prématuré. Nous nous intéresserons donc à l'influence de la température sur les performances et présenterons les solutions apportées pour réduire l'auto-échauffement et améliorer la fiabilité des TBH. Ce travail a permis de valider une filière de TBH possédant des fréquences de coupure fT et fmax comprises dans la gamme 250-300 GHz ainsi qu'une tension de claquage de l'ordre de 5 V. Ainsi, ces composants ont pu être utilisés pour la réalisation de circuits destinés aux transmissions à 100 Gbit/s.
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SIMULATION DES PHENOMENES DE TRANSPORT. REALISATION DE TRANSISTORS BIPOLAIRES A HETEROJONCTION INGAALAS-INGAAS-INGAALAS EN TECHNOLOGIE DOUBLE MESA ET TECHNOLOGIE DIFFUSEE A PARTIR DE COUCHES OBTENUES PAR EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES
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Les avancées dans les systèmes de communication et de traitement de l'information nécessitent des circuits à haut débit qui doivent s'appuyer sur des transistors aux performances en vitesse et en puissance élevées. Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction (TBH) III-V constituent un bon compromis. Le TBH-InP est l'un d'entre eux. Il convient d'autant mieux pour le développement de systèmes de télécommunications à des débits supérieurs à 60 Gbits/s que sa technologie permet l'intégration de composants optoélectroniques de longueur d'onde comprise entre 1,3 mM et 1,55 mM. Le regain d'intérêt pour ces technologies a mis en lumière les problèmes et les contraintes liés à la modélisation compacte. Le travail présenté s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le CNET Bagneux/OPTO+ et l'IEF. Il a pour objet l'étude expérimentale et la modélisation électrique des TBDH-InP. Quatre technologies auto-alignées qui diffèrent par la nature du dopage de base (béryllium ou carbone) et par la présence d'un gradient d'indium dans la base ont été étudiées. Pour chaque technologie un grand nombre de dispositifs a été analysé et une masse importante de données expérimentales a permis d'obtenir les paramètres du modèle de Gummel-Poon de ces composants. Ces modèles ont ensuite été utilisés par les concepteurs de circuits intégrés d'OPTO+ pour réaliser des circuits pour la logique "haut débit" (multiplexeur, circuit de décision, bascule D, driver, ...). La volumineuse base de données a également permis d'étudier l'auto-échauffement dans les TBH-InP d'abord par une approche expérimentale puis par une modélisation numérique de l'équation de Fourier. Le travail de modélisation a permis de dégager des pistes pour réduire l'auto-échauffement. Pour mieux cerner le fonctionnement physique des TBH, une analyse expérimentale à température variable a été réalisée sur une des quatre technologies. Enfin, une analyse de sensibilité des paramètres du modèle de Gummel-Poon à 300K sur le temps de commutation des paires différentielles (technologie CML/ECL) a été effectuée: -Le temps de retard t(FF) et le temps de charge R(BB),C(jC) sont les deux contributions intrinsèques les plus importantes, -L'extraction de certains paramètres du modèle est imprécise (C(jE), Rc entre autre) et se répercute sur le t(FF) on perçoit la nécessité de développer des approches fiables pour extraire ces éléments.
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APRES UN BREF RAPPEL DES PRINCIPALES PROPRIETES DES MATERIAUX III-V, LES AVANTAGES LIES A L'UTILISATION DE L'HETEROJONCTION ABRUPTE INP/INGAAS DANS UN TBH SONT DEDUITS. UNE THEORIE ANALYTIQUE DES COMPORTEMENTS STATIQUES ET DYNAMIQUES DES TBH CONDUIT A LA DESCRIPTION DETAILLEE DES COURANTS DE BASE, COEFFICIENT D'IDEALITE ET GAIN STATIQUE DANS LE CAS D'UNE HETEROJONCTION EMETTEUR-BASE ABRUPTE AVEC ESPACEUR. UN NOUVEAU TBH AVEC UN COLLECTEUR METALLIQUE (MHBT) EST PROPOSE POUR AMELIORER LES PERFORMANCES STATIQUES ET DYNAMIQUES DU TRANSISTOR. SA STRUCTURE EST DECRITE ET LES MOTIVATIONS DES CHOIX TECHNOLOGIQUES POUR LA REALISER SONT EXPOSEES. ENSUITE LES ETUDES D'OPTIMISATION DES ETAPES TECHNOLOGIQUES NECESSAIRES A LA FABRICATION DES MHBT SONT DETAILLEES, ET UNE NOUVELLE METHODE DE CARACTERISATION APPLICABLE AUX CONTACTS OHMIQUES DE FAIBLE EPAISSEUR ADAPTES AU MHBT EST DEVELOPPEE. DES MHBT INP/INGAAS AVEC UN DOIGT D'EMETTEUR DE LARGEUR AUSSI PETITE QUE 0.5 MICROMETRES ONT ETE REALISES. LEURS CARACTERISATIONS DEMONTRENT D'UNE PART LA FAISABILITE DE LA TECHNOLOGIE DEVELOPPEE ET D'AUTRE PART L'APTITUDE DE LA STRUCTURE MHBT AU COMPORTEMENT DYNAMIQUE ULTRA-RAPIDE. LES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES DIFFERENTES GEOMETRIES DE TRANSISTORS ONT PERMIS D'IDENTIFIER L'ORIGINE PHYSIQUE DES COURANTS MESURES. L'ANALYSE DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES MHBT A MONTRE DES PERFORMANCES REMARQUABLES: FREQUENCE DE TRANSITION (F#T) DE 40 GHZ, FREQUENCE MAXIMALE D'OSCILLATION (FMAX) DE 156 GHZ ET CONSTANTE EFFECTIVE DE CHARGE DE LA CAPACITE COLLECTEUR A TRAVERS LA RESISTANCE DE BASE (R#BC#B#C)#E#F#F DE 65 FS. ET CE, BIEN QUE LA STRUCTURE COMPORTE UNE BASE EPAISSE (W#B=150 NM) ET PEU DOPEE (N#A#B=10#1#9 CM#-#3) ET UNE ZONE DE TRANSITION BASE-COLLECTEUR EPAISSE (W#C=450 NM). AVEC LES GEOMETRIES PRESENTEES DANS CETTE ETUDE ET DES EPAISSEURS DE COUCHE PLUS FINES (W#B=50NM, W#C=150 NM), LES MHBT DEVRAIENT PRESENTER DES FREQUENCES DE TRANSITION ET MAXIMALE D'OSCILLATION DE L'ORDRE DE 300 GHZ
Author: Joseph Mba Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 219
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L'objectif est de mettre en place une technologie TBH InP avec des transistors ayant des fréquences de coupure supérieures à 80 GHz. Ces transistors permettront de fabriquer des circuits de communication optique fonctionnant à 40 Gbit/s. L'obtention de ces hautes performances passe par la définition d'une structure de couches adéquate, par une technologie de fabrication adaptée, par une analyse des phénomènes de transport et par des mesures hyperfréquences adaptées. A la lumière de l'analyse des phénomènes de transport et de la modélisation, nous avons proposé des évolutions de la structure permettant d'obtenir simultanément: des fréquences de coupure élevées, une faible consommation, une tension de claquage élevée (B V CE) et de faibles courants de fuite. Un point essentiel abordé dans cette partie est 1' apport d'une base à composition graduelle permettant de minimiser le temps de transit à travers la base et de trouver un meilleur compromis entre un gain élevé et une faible résistance de base. Une optimisation de la technologie de fabrication du TBH a été mise en place, de manière à réduire sensiblement (60%) les parasites, dans le cadre des règles de dessin imposées par l'outil technologique disponible au laboratoire. Cette optimisation concerne principalement la réduction de la surface base-collecteur, dont dépend directement la capacité base-collecteur, la fréquence de transition et surtout la fréquence maximale d'oscillation. Cette technologie associée à la structure de couches évoluée a conduit à la réalisation de transistors ayant les performances suivantes : Ft = 105 GHz, Fmax = 70 GHz, β = 48, BVCE > à 7,5 V. Ces transistors ont conduit à la réalisation de circuits fonctionnant à 44 Gbit/s pour le multiplexeur 2:1, 40 Gbit/s pour le démultiplexeur 2: l, 25 Gbit/s pour le driver et plus de 25 Gbit/s pour une bascule D. L'ensemble de ces circuits permet de valider les approches utilisées au cours de ce travail.
Author: Mathias Kahn
Author: Mathias Kahn
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Author: Joseph Mba