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In order to fulfil the roadmap for the development of telecommunication and information technologies (TIC), low noise level and very fast semiconductor devices are required. Heterojunction bipolar transistor has demonstrated excellent high frequency performances and becomes a candidate to address TIC roadmap. This work deals with experimental analysis and high frequency noise modelling of Si/SiGe:C HBT (STMicroelectronics tech.) and InP/InGaAs HBT (III-V Lab Alcatel-Thales).Chapter I introduces the basic concepts of HBTs operation and the characterization at high-frequency. This chapter summarizes the high frequency performances of many state-of-the-art HBT technologies. The first part of chapter II describes the two HBT sets, with paying attention on the impact of the base composition (SiGe:C) or the lateral reduction of the device (InGaAs) on static and dynamic performances. Based on TCAD modelling, the second part shows that a 15-25% germanium composition profile in the base is able to reach highest dynamic performances. Chapter III summarizes the static and dynamic results at low temperature, giving a separation of the intrinsic transit times and charging times involved into the performance limitation. Chapter IV presents noise measurements and the derivation of high frequency noise analytical models. These models highlight the impact of the current crowding and the self-heating effects, and the influence of the base-emitter heterojunction on the high frequency noise. According to these models the high frequency noise performances are estimated at low temperature for both HBT technologies.; Le développement des technologies de communication et de l’information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L’objet de cette thèse est l’étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d’un état de l’art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l’analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l’aide d’une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l’avantage d’une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L’analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l’influence de la défocalisation du courant, de l’auto-échauffement, de la nature de l’hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques.

In order to fulfil the roadmap for the development of telecommunication and information technologies (TIC), low noise level and very fast semiconductor devices are required. Heterojunction bipolar transistor has demonstrated excellent high frequency performances and becomes a candidate to address TIC roadmap. This work deals with experimental analysis and high frequency noise modelling of Si/SiGe:C HBT (STMicroelectronics tech.) and InP/InGaAs HBT (III-V Lab Alcatel-Thales).Chapter I introduces the basic concepts of HBTs operation and the characterization at high-frequency. This chapter summarizes the high frequency performances of many state-of-the-art HBT technologies. The first part of chapter II describes the two HBT sets, with paying attention on the impact of the base composition (SiGe:C) or the lateral reduction of the device (InGaAs) on static and dynamic performances. Based on TCAD modelling, the second part shows that a 15-25% germanium composition profile in the base is able to reach highest dynamic performances. Chapter III summarizes the static and dynamic results at low temperature, giving a separation of the intrinsic transit times and charging times involved into the performance limitation. Chapter IV presents noise measurements and the derivation of high frequency noise analytical models. These models highlight the impact of the current crowding and the self-heating effects, and the influence of the base-emitter heterojunction on the high frequency noise. According to these models the high frequency noise performances are estimated at low temperature for both HBT technologies.; Le développement des technologies de communication et de l’information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L’objet de cette thèse est l’étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d’un état de l’art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l’analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l’aide d’une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l’avantage d’une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L’analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l’influence de la défocalisation du courant, de l’auto-échauffement, de la nature de l’hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques.

The objective of this thesis is to study SiGe(C) epitaxial growth selective towards silicon nitride. Selective Epitaxial Growth (SEG) allows to improve frequence performances of heterojunction bipolar transistors, with fully self aligned structure. With this purpose, the SiH4/GeH4/SiH3CH3/HCl/B2H6/H2 system is used to elaborate selective epitaxial growth layer.Si SEG and SiGe SEG growth rates are significantly increased with silane-based chemistry, as compared to the standard SiCl2H2/GeH4/HCl/H2 one. For instance, Si0,75Ge0,25 layer growth rate can be increased by a factor 8.Carbon incorporation in substitutional sites is also improved by this growth rate increase. Indeed, using silane, the substitutional carbon content hugely increased (up to a factor 4). We found better carbon blocking effect on boron diffusion. Better carbon atoms incorporation improves electrical results. There is no IB current degradation with higher carbon concentrations, which means that there is no recombination centers in base electrode. IC current and fT frequence increase too, which suggest neutral base width is narrower and boron out-diffusion is lower.We noted that recombination mechanisms of IB current and photoluminescence at room temperature are similar and that base current can be correlated with photoluminescence intensity. Indeed, we show that IB current increases when photoluminescence signal decreases., L'objectif de cette thèse est d'étudier les épitaxies SiGeC sélectives par rapport au nitrure de silicium afin d'améliorer les performances en fréquence des transistors bipolaires à hétérojonction à structure complètement auto alignée. Pour répondre à cette attente, le système SiH4/GeH4/SiH3CH3/HCl/B2H6/H2 est utilisé pour élaborer nos épitaxies sélectives.Cette chimie à base de silane permet d'augmenter significativement la vitesse de croissance par rapport au système SiCl2H2/GeH4/HCl/H2 utilisé classiquement, aussi bien pour un dépôt silicium sélectif que pour un film SiGe sélectif. Par exemple, pour un film Si0,75Ge0,25 la vitesse de croissance est multipliée par un facteur 8.L'incorporation des atomes de carbone dans les sites substitutionnels est facilitée par cette hausse du taux de croissance. En effet, la teneur en carbone substitutionnel est plus élevée en utilisant le silane comme précurseur de silicium (jusqu'à un facteur 4). L'effet bloquant du carbone sur la diffusion du bore est alors meilleur et le dopant est mieux contenu dans la base Si/SiGeC:B. Cette meilleure incorporation du carbone se reflète dans les résultats électriques. Le courant IB n'augmente pas aux fortes concentrations de carbone, ce qui signifie qu'il n'y a pas de centres recombinants dans la base. Le courant IC et la fréquence fT augmentent aussi, ce qui suggère que la largeur de la base neutre est plus fine et donc que la diffusion du bore est ralentie.Nous avons également mis en évidence l'existence d'une corrélation entre le courant IB et l'intensité du signal de photoluminescence à température ambiante. En effet, considérant que leurs mécanismes de recombinaison sont similaires, nous avons noté que la hausse de IB correspond à la chute de la photoluminescence.

Thesis available online from January 2006Previously available on the website of the Epitaxy Team at IEMNTransferred on http://tel.ccsd.cnrs.fr on May 21st, 2006 (for the new version of the website of the Epitaxy Team at IEMN)Author currently at the Department of Microtechnology and Nanoscience MC2Chalmers University of Technology, Göteborg – SWEDENThèse disponible en ligne depuis Janvier 2006Précédemment disponible sur le site web de l'Equipe Epitaxie de l'IEMNTransférée sur http://tel.ccsd.cnrs.fr le 21 mai 2006 (pour la nouvelle version du site web de l'Equipe Epitaxie de l'IEMN); Heterojunction Bipolar Transistors currently operate at high frequencies under voltage of approximately 5V, in particular in the InP/InGaAs materials system. It is desirable to obtain these performances on GaAs rather than on InP substrates, because GaAs ones are more reliable, available in higher size and preferred in industry. A GaAs → InP metamorphic buffer is then required to relax the strain due to the lattice mismatch. This thesis deals with the growth by Molecular Beam Epitaxy of such buffers and of InP/InGaAs HBT with highly beryllium doped base. The buffers are evaluated thanks to an experimental protocol dedicated to HBT, which associates materials (photoluminescence, Double axis X-Ray Diffraction, optical and atomic force AFM microscopy) and electrical characterizations (metamorphic diodes). We thus compare the two possible relaxation processes : progressive strain introduction on InGaAlAs Graded Buffer Layer and abrupt strain introduction on InP Uniform Buffer Layer. The dependency of the graded process on the III adatoms kinetic on the growth front is demonstrated. The performances of metamorphic InP/InGaAs HBT grown on GaAs via an InGaAlAs GBL are finally close to those of the reference HBT on InP.; Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction fonctionnent à hautes fréquences sous des tensions d'environ 5V, en particulier dans le système de matériaux InP/InGaAs. Il est souhaitable d'obtenir ces performances non pas sur InP mais sur GaAs, substrat plus robuste, disponible en taille supérieure et préféré en industrie. Un buffer métamorphique GaAs → InP est alors requis pour relaxer la contrainte due au désaccord de paramètre de maille. Cette thèse porte sur la croissance par Epitaxie par Jets Moléculaires de tels buffers et de TBH InP/InGaAs à base fortement dopée au béryllium. Les buffers sont évalués via un protocole expérimental dédié au TBH, associant des caractérisations «matériaux» (photoluminescence, Double Diffraction des rayons X, microscopies optique et à force atomique AFM) et électriques (diodes métamorphiques). Nous comparons ainsi les deux processus de relaxation possibles : avec introduction progressive de la contrainte sur buffer graduel In(Ga)AlAs, abrupte sur buffer uniforme InP. Le rôle de la cinétique des adatomes III en front de croissance sur le processus graduel est démontré. Les performances des TBH métamorphiques InP/InGaAs épitaxiés sur GaAs via un buffer graduel InGaAlAs sont au final proches de celles des TBH de référence sur InP.

Thesis available online from January 2006Previously available on the website of the Epitaxy Team at IEMNTransferred on http://tel.ccsd.cnrs.fr on May 21st, 2006 (for the new version of the website of the Epitaxy Team at IEMN)Author currently at the Department of Microtechnology and Nanoscience MC2Chalmers University of Technology, Göteborg – SWEDENThèse disponible en ligne depuis Janvier 2006Précédemment disponible sur le site web de l'Equipe Epitaxie de l'IEMNTransférée sur http://tel.ccsd.cnrs.fr le 21 mai 2006 (pour la nouvelle version du site web de l'Equipe Epitaxie de l'IEMN); Heterojunction Bipolar Transistors currently operate at high frequencies under voltage of approximately 5V, in particular in the InP/InGaAs materials system. It is desirable to obtain these performances on GaAs rather than on InP substrates, because GaAs ones are more reliable, available in higher size and preferred in industry. A GaAs → InP metamorphic buffer is then required to relax the strain due to the lattice mismatch. This thesis deals with the growth by Molecular Beam Epitaxy of such buffers and of InP/InGaAs HBT with highly beryllium doped base. The buffers are evaluated thanks to an experimental protocol dedicated to HBT, which associates materials (photoluminescence, Double axis X-Ray Diffraction, optical and atomic force AFM microscopy) and electrical characterizations (metamorphic diodes). We thus compare the two possible relaxation processes : progressive strain introduction on InGaAlAs Graded Buffer Layer and abrupt strain introduction on InP Uniform Buffer Layer. The dependency of the graded process on the III adatoms kinetic on the growth front is demonstrated. The performances of metamorphic InP/InGaAs HBT grown on GaAs via an InGaAlAs GBL are finally close to those of the reference HBT on InP.; Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction fonctionnent à hautes fréquences sous des tensions d'environ 5V, en particulier dans le système de matériaux InP/InGaAs. Il est souhaitable d'obtenir ces performances non pas sur InP mais sur GaAs, substrat plus robuste, disponible en taille supérieure et préféré en industrie. Un buffer métamorphique GaAs → InP est alors requis pour relaxer la contrainte due au désaccord de paramètre de maille. Cette thèse porte sur la croissance par Epitaxie par Jets Moléculaires de tels buffers et de TBH InP/InGaAs à base fortement dopée au béryllium. Les buffers sont évalués via un protocole expérimental dédié au TBH, associant des caractérisations «matériaux» (photoluminescence, Double Diffraction des rayons X, microscopies optique et à force atomique AFM) et électriques (diodes métamorphiques). Nous comparons ainsi les deux processus de relaxation possibles : avec introduction progressive de la contrainte sur buffer graduel In(Ga)AlAs, abrupte sur buffer uniforme InP. Le rôle de la cinétique des adatomes III en front de croissance sur le processus graduel est démontré. Les performances des TBH métamorphiques InP/InGaAs épitaxiés sur GaAs via un buffer graduel InGaAlAs sont au final proches de celles des TBH de référence sur InP.

The semi-depleted HBT on thin film SOI presents a kink on its electrical characteristics and in particular on the base-collector capacitance. Classical compact models cannot represent this behavior. This paper proposes a new compact formulation of the base-collector junction charge model. Moreover, the impact of this charge on the early effect is shown. Finally, the model is compared to measurements.

We demonstrate a 4-mask HBT module, which enables the integration of three high performance self-aligned SiGeC HBTs into a 0.13/spl mu/m SOI CMOS technology. Static and dynamic transistor characteristics are described and compared with simulation results and bulk device performances.

A new transit time model for semi-depleted SOI Si/SiGe HBTs is presented. The particular architecture of this SOI HBT involves two modes of operation. Both modes, as well as the transition from one to the other are investigated by a physical description. The corresponding equations are implemented into a compact model. Simulation results from this model are compared to measurements in the DC and AC regime.

The purpose of this work is the evaluation of the reliability of Heterojunction Bipolar Transistors grown on InP substrate with implementation of specific experimental procedure. In the first part, the manufacturing process of the devices is described and the D.C. electrical characteristics are calculated with physical simulation. In the second part, the D.C. electrical characterization and the associated model allow to extract its parameters before ageing and to make a statistical study of the extracted values. In the third part, two specific parasitic electrical mechanisms in direct connection with the reliability of the devices are analyzed : the breakdown of the base-collector junction and the low-frequency noise. Finally, the study of the degradation mechanisms of aged devices under selected bias and thermal stress highlights a stability of the technology., Ces travaux de recherche portent sur l'évaluation de la fiabilité des Transistors Bipolaires à Hétérojonction sur substrat InP au moyen de la mise en place de techniques spécifiques adaptées. Avant tout, les procédés de fabrication de ces composants sont décrits et les caractéristiques électriques statiques sont calculées au moyen de la simulation physique. Ensuite, la caractérisation électrique statique et la modélisation associée permet l'extraction des paramètres du modèle avant les vieillissements accélérés puis leur étude statistique. Puis deux mécanismes électriques spécifiques qualifiés de parasites en relation directe avec la fiabilité de ces composants sont analysés en détail : le claquage de la jonction base-collecteur et le bruit basse-fréquence. Finalement, l'étude des mécanismes de dégradation effectuée à l'issue des vieillissements accélérés sous les différentes contraintes retenues en tension et en température met en évidence une stabilité de la technologie de ces composants.