Optimisation de transistors bipolaires à hétérojonctions Si/SiGe:C en technologie BiCMOS 0.25 µm pour les applications d’amplification de puissance

N° d’ordre : 3661

THESE

Présentée et soutenue publiquement le 13 novembre à
L’UNIVERSITE BORDEAUX I
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
par
Pierre-Marie MANS
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR

SPECIALITE : ELECTRONIQUE

Optimisation de transistors bipolaires à hétérojonctions
Si/SiGe:C en technologie BiCMOS 0.25 µm pour les
applications d’amplification de puissance

JURY :
M. Eric KERHERVE, Professeur ENSEIRB, IMS Président
M. Gilbert VINCENT, Professeur Université J. Fourier, LTM Rapporteur
M. André SCAVENNEC, Docteur Alcatel-Thales, III-V Lab Rapporteur
M. Sébastien JOUAN, Docteur STMicroelectronics Examinateur
Mme Cristell MANEUX, HDR Université Bordeaux I, IMS Examinateur
M. Thomas ZIMMER, Professeur Université Bordeaux I, IMS Examinateur
M. Denis PACHE, Docteur STMicroelectronics Invité

Thèse préparée à STMicroelectronics, 850 rue Jean Monnet, F-38926 Crolles Cedex


Remerciements

Cette thèse est le fruit d’une collaboration entre STMicroelectronics (Crolles) et le laboratoire
IMS, laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système de l’Université de Bordeaux. A ce
titre, je remercie Monsieur Pascal Fouillat, Directeur de l’IMS, ainsi que Monsieur Michel Le
Contellec, Responsable du service « Process Integration » à STMicroelectronics, de m’avoir
accueilli dans leurs équipes.

Je remercie tout d’abord Sébastien Jouan pour l’encadrement industriel apporté à cette thèse,
la confiance et la liberté dans la réalisation des différents projets.

Je remercie également Thomas Zimmer et Cristell Maneux qui ont été mes directeurs de thèse
pour leur encadrement, leur disponibilité ainsi que leur suivi tout au long de cette thèse.

Je tiens à remercier les rapporteurs et examinateurs de ce travail, Eric Kerhervé, Gilbert
Vincent et André Scavennec pour avoir accepté de participer à ce jury de thèse, ainsi que pour
le travail de relecture et d’évaluation qu’ils ont fourni.

Je tiens à remercier toutes les personnes de STMicroelectronics sollicitées pour la réalisation
de dispositifs :

Benoît Vandelle, Julien Bouvier, Florence Brossard, Laurent Rubaldo, Gael Borot et
Alexandre Talbot pour les différents dépôts réalisés.
Pierre Bouillon pour les étapes de photolithographie.
Luc Pinzelli et Olivier Renault pour les étapes d’implantation.
Alban Le Squeren, Fabienne Judong, Claire Richard et Delia Ristoiu pour les différentes
opérations de gravure.

Je remercie également toutes les personnes impliquées dans les étapes de caractérisation
physique et électrique, de simulation et de modélisation :

Julien Cossalter de l’équipe métrologie pour sa disponibilité.
Linda Depoyan et Clement Pribat pour la qualité des observations réalisées.

Jeremy Badoc, André Perrotin, Michel Buczko et Daniel Gloria pour les mesures statiques et
dynamiques.
Floria Blanchet, Mickael Comte et Caroline Arnaud pour la caractérisation load-pull.
Ardechir Pakfar pour l’important travail de simulation réalisé.
Didier Celi, Franck Pourchon et Nicolas Derrier pour leur travail de modélisation.

Je tiens à remercier Denis Pache pour m’avoir fait bénéficier de sa grande expertise dans le
domaine de la conception RF sur silicium ainsi que Christophe Arricastres pour les nombreux
échanges techniques.

Je remercie les personnes de l’IMS qui m’ont accompagnées durant les minutes de
délibération du jury de thèse: Sébastien Frégonèse, Nathalie Deltimple, Jhonny Goguet, Yan
Deval.

Enfin je tiens à remercier le groupe de filière R&D dont j’ai eu la chance de faire partie :
Germaine, Jocelyne, Augustin, Isabelle, Laurence, Stéphanie, Bertrand S., Bertrand M.,
Simon, Boris, David, Julien, Grégory, Dominik, Dorothée, Emmanuelle, Benoît.

Un Grand Merci à tous.

Je remercie ma grand-mère pour ses encouragements, mes parents pour leur soutien tout au
long de mes études et enfin Muriel.
Table des matières
Table des matières
Introduction générale............................................................................................................10
I. Le transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe, applications/spécifications pour
l’amplification de puissance .................................................................................................15
I.1. Introduction générale sur le transistor bipolaire...........................................................15
I.2. Le matériau Silicium – Germanium SiGe....................................................................17
I.2.1. Propriétés cristallines...........................................................................................17
I.2.2. Epaisseur critique.................................................................................................19
I.3. Structure de bande d’énergie.......................................................................................20
I.3.1. Bande interdite du Si Ge contraint ..................................................................20 (1-x) x
I.3.2. Structure électronique d’un transistor bipolaire à hétérojonction Si/SiGe .............20
I.4. Incorporation de Carbone ...........................................................................................21
I.5. Fonctionnement Statique ............................................................................................22
I.5.1. Courants ..............................................................................................................22
I.5.1.a. Bilan des courants .........................................................................................22
I.5.1.b. Expression de la concentration intrinsèque des porteurs.................................23
I.5.1.c. Réduction de la bande interdite......................................................................24
I.5.1.d. Courant de collecteur ....................................................................................25
I.5.1.e. Courant de base.............................................................................................26
I.5.1.f. Gain en courant..............................................................................................27
I.5.2. Caractéristiques statiques .....................................................................................28
I.5.2.a. Gummel ........................................................................................................28
I.5.2.b. Caractéristiques de sortie...............................................................................29
I.5.3. Tensions d’avalanche...........................................................................................30
I.5.3.a. BV et BV .............................................................................................30 CBO EBO
I.5.3.b. BV ...........................................................................................................31 CEO
I.6. Fonctionnement Dynamique .......................................................................................32
I.6.1. Fonctionnement « petit signal » ...........................................................................33
I.6.1.a. Paramètres S .................................................................................................33
I.6.1.b. Temps de transit des porteurs ........................................................................36
I.6.1.c. Capacités de jonction.....................................................................................38
I.6.1.d. La résistance d’émetteur................................................................................38
I.6.1.e. La résistance de base .....................................................................................39
1 Table des matières
I.6.1.f. La résistance de collecteur .............................................................................39
I.6.1.g. Fréquence de transition f ..............................................................................39 T
I.6.1.h. Fréquence maximale d’oscillation f .........................................................41 MAX
I.6.2. Grand signal ........................................................................................................42
I.7. Puissance : Effets de forte injection ............................................................................46
I.7.1. Auto-échauffement ..............................................................................................46
I.7.2. Effet Kirk ............................................................................................................46
I.7.3. Effet de barriè