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Pascal Chevalier

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THÈSE DE DOCTORAT ÉLECTRONIQUE DE L'UNIVERSITÉ DE LILLE Iprésentée et soutenue publiquement le 13 novembre 1998 parPascal CHEVALIERCONCEPTION ET RÉALISATION DE TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP DE LA FILIÈREAlInAs/GaInAs SUR SUBSTRAT InP.APPLICATION À L'AMPLIFICATION FAIBLE BRUIT EN ONDES MILLIMÉTRIQUES.JURYE. CONSTANT Président, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq)R. FAUQUEMBERGUE Directeur de thèse, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq)D. PAVLIDIS Rapporteur, Professeur à l'Université du Michigan (USA)M. ILEGEMSProfesseur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse)H. VERRIÈLE Examinateur, Ingénieur à la Délégation Générale pour l'Armement (Paris)G. APERCÉ Examinateur, Ingénieur chez Dassault Electronique (Saint Quentin en Yvelines)A. CAPPY Examinateur, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq)X. WALLART Examinateur, Chargé de Recherches CNRS à l'IEMN (Villeneuve d'Ascq)RÉSUMÉ :L'essor des applications hyperfréquences fonctionnant en ondes millimétriques nécessite le développement de nouvellesfilières de circuits intégrés. Un composant clef de ces circuits est le transistor à effet de champ à hétérojonction : le HEMT(High Electron Mobility Transistor). Nous développons dans ce mémoire les résultats de l'étude de HEMT AlInAs/GaInAsréalisés sur phosphure d'indium (InP). Après avoir introduit les bases relatives au fonctionnement et aux domainesd'applications de ce transistor, nous présentons ...

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THÈSE DE DOCTORAT ÉLECTRONIQUE DE L'UNIVERSITÉ DE LILLE I présentée et soutenue publiquement le 13 novembre 1998 par

Pascal CHEVALIER

CONCEPTION ET RÉALISATION DE TRANSISTORS ÀEFFET DE CHAMP DE LA FILIÈRE AlInAs/GaInAsSUR SUBSTRAT InP. APPLICATION ÀL'AMPLIFICATION FAIBLE BRUIT EN ONDES MILLIMÉTRIQUES.

E. CONSTANT R. FAUQUEMBERGUE D. PAVLIDIS M. ILEGEMS H. VERRIÈLE G. APERCÉ A. CAPPY X. WALLART

JURY Président, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq) Directeur de thèse, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq) Rapporteur, Professeur à l'Université du Michigan (USA) Rapporteur, Professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse) Examinateur, Ingénieur à la Délégation Générale pour l'Armement (Paris) Examinateur, Ingénieur chez Dassault Electronique (Saint Quentin en Yvelines) Examinateur, Professeur à l'Université de Lille I (Villeneuve d'Ascq) Examinateur, Chargé de Recherches CNRS à l'IEMN (Villeneuve d'Ascq)

RÉSUMÉ : L'essor des applications hyperfréquences fonctionnant en ondes millimétriques nécessite le développement de nouvelle filières de circuits intégrés. Un composant clef de ces circuits est le transistor à effet de champ à hétérojonctio: le HEMT HighElectronMobilityTransisto). Nous développons dans ce mémoire les résultats de l'étude de HEMT AlInAs/GaInA réalisés sur phosphure d'indium (InP). Après avoir introduit les bases relatives au fonctionnement et aux domaine d'applications de ce transistor, nous présentons les outils théoriques et expérimentaux utilisés pour nos travaux. Ces dernier contribuent d'une part à la mise au point technologique et d'autre part à l'optimisation de la structure épitaxiale. Le recherches menées en technologie concernent principalement la technologie de grille et plus particulièrement la lithographi électronique des grilles en té en tricouche de résines ; un logiciel simulant le processus de révélation a d'ailleurs été développé. La réalisation de grilles de 0,µm de longueur, de faible résisti ité, a permis la fabrication de transistors performants, présentant notamment une fréquence de coupure extrinsèque T GHz et une transconductance intrinsèque dproche de 25 1, S/mm.L'optimisation de l'épitaxie, visant à dépasser les limitations des transistors à canal GaInAs adapté en maille sur l substrat, a conduit à l'étude des canaux composites GaInAs/InP. Nous avons mis en évidence leur efficacité pour réduire l phénomène d'ionisation par impact et ainsi améliorer les performances du composant. Les performances en puissance d + transistors à canal GaInAs/InP/InP(35 mW/mmà 6GHz) ont montré toutes les potentialités de structures à canal composite pour la génération de puissance en ondes millimétriques. Ces études ont bénéficié du développement d'un logiciel de simulation MonteCarlo prenant en compte de nombreux aspects technologiques. Enfin, dans le cadre d'un projet avec l société Dassault Electronique, les résultats de conception de circuits ont montré l'intérêt de notre filière HEMT InP 0,µ pour la réalisation d'amplificateurs monolithiques faible bruit à 60 GHz et 94 GHz.

MOTSCLÉS : TRANSISTOR ÀEFFET DE CHAMP HÉTÉROSTRUCTURE ONDES MILLIMÉTRIQUES FAIBLE BRUIT

HEMT MMIC LITHOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE PUISSANCE

ADRESSE DU LABORATOIRE : INSTITUT D'ÉLECTRONIQUE ET DE MICROÉLECTRONIQUE DU NORD HYPERFRÉQUENCE ET SEMICONDUCTEURS  CITÉ SCIENTIFIQUE  AVENUE 59652 VILLENEUVE D'ASCQ CEDEX  FRANCE

 DÉPARTEMENT POINCARÉ B.P.69 

Publications et communications : 19961998

P UBLICATION P. C HEVALIER , X. W ALLART , B. B ONTE AND R. F AUQUEMBERGUE “Vband highpower/lowvoltage InGaAs/InP composite channel HEMTs” th Electronics Letters, 19February 1998, Vol. 34, No. 4, pp. 409411

C OMMUNICATIONS INTERNATIONALES AVEC ACTE F. D ESSENNE , P. C HEVALIER , F. B ANSE AND R. F AUQUEMBERGUE “MonteCarlo investigation of the influence of technological parameters on the performance of LMHEMT on InP” th Proceedings of 6International Conference on Simulation of Devices and Technologies (ICSDT’98), Cape Town (South Africa), 1416 October 1998, pp. 113116 P. C HEVALIER , X. W ALLART , F. M OLLOT , B. B ONTE AND R. F AUQUEMBERGUE “Composite channel HEMTs for millimeterwave power applications” th Proceedings of 10IEEE International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM’98), Tsukuba (Japan), 1115 May 1998, pp. 207210 P. C HEVALIER , F. D ESSENNE , M. B ADIROU , J. L. T HOBEL , R. F AUQUEMBERGUE “Interest of 0.15 µm gate length InGaAs/InP composite channel HEMTs for millimeterwave MMIC amplifiers” th Proceedings of the 5IEEE International Workshop on High Performance Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications (EDMO’97), London (UK), 2425 November 1997, pp 193198

C OMMUNICATIONS NATIONALES ET INTERNATIONALES SANS ACTE P. C HEVALIER , F. D ESSENNE , M. B ADIROU , J. L. T HOBEL , R. F AUQUEMBERGUE “Impact of an InGaAs/InP composite channel on performance of 0.15 µm gate length HEMT’s on InP” th 7 EuropeanWorkshop on Heterostructure Technology (HETECH’97), Jülich (Germany),1416 September 1997 P. C HEVALIER , M. B ADIROU , F. M OLLOT , X. W ALLART , R. F AUQUEMBERGUE “HEMT sur substrat InP de longueur de grille Lg=0,15 µm: comparaison entre un canal GaInAs et un canal composite GaInAs/InP” èmes 10 JournéesNationales Microondes (JNM’97), SaintMalo (France), 2123 mai 1997, pp. 596597 P. C HEVALIER “Systèmes multicouches de résines en lithographie électronique: application à la réalisation de grille en T de longueur Lg£0,15 µm pour les HEMT” ème 4 Journéedu Réseau Doctoral en Microtechnologies, Besançon (France), 21 mars 1997, p. 9 P. C HEVALIER , E. D ELOS , V. H ÖEL , R. F AUQUEMBERGUE “Amélioration des performances des HEMT AlInAs/GaInAs sur substrat InP réalisés en technologie nitrure de longueur de grille Lg=0,15 µm” èmes 6 JournéesNationales de Microélectronique et Optoélectronique IIIV (JNMO’97), Chantilly (France), 2931 janvier 1997, pp. 160161 V. H ÖEL , P. C HEVALIER , S. B OLLAERT , H. F OURRE , J.M. B ELQUIN , S. L EPILLET , A. C APPY “Influence des capacités parasites liées à la technologie nitrure sur les performances de HEMT adapté en maille sur InP de longueur de grille submicronique” èmes 6 JournéesNationales de Microélectronique et Optoélectronique IIIV (JNMO’97), Chantilly (France), 2931 janvier 1997, pp. 164165 P. C HEVALIER “HEMT GaInAs/AlInAs sur substrat InP : composant pour l’amplification faible bruit en ondes millimétriques” Doctoriales Sciences et Défense 1996, Fréjus (France), 29 septembre au 4 octobre 1996