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1 - MATÉRIAUX ET PHYSIQUE DES HÉTÉROJONCTIONS

2 - TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP À HÉTÉROJONCTION SUR GAAS ET INP

3 - TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP À HÉTÉROJONCTION EN GAN

4 - TRANSISTORS BIPOLAIRES À HÉTÉROJONCTION

5 - SYNTHÈSE COMPARATIVE ET ÉVOLUTIONS

Article de référence | Réf : E2450 v2

Synthèse comparative et évolutions
Transistors et circuits intégrés à hétérostructures (III-V)

Auteur(s) : André SCAVENNEC, Sylvain DELAGE

Date de publication : 10 nov. 2011

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INTRODUCTION

Le comportement des composants électroniques à semi-conducteurs est largement conditionné par la nature des interfaces ou jonctions qui en séparent les différentes parties constitutives (métalliques, diélectriques ou semi-conductrices) et par la façon dont les porteurs, électrons ou trous, longent ou traversent ces interfaces. Les jonctions semi-conducteur/semi-conducteur intervenant dans les composants et circuits, à base de transistors à effet de champ ou de transistors bipolaires, qui ont dominé jusqu'à la fin des années 1980 la microélectronique, ont longtemps été des homojonctions séparant deux régions de dopages différents d'un même semi-conducteur hôte. En pratique, ce dernier est généralement du silicium (filières NMOS, CMOS bipolaires et BiCMOS) et très rarement de l'arséniure de gallium (filière MESFET GaAs).

Au cours des années 1980, des progrès constants en matière d'élaboration des matériaux, de technologie de fabrication et de physique des structures semi-conductrices complexes ont favorisé l'émergence d'une nouvelle génération de composants microélectroniques dits à hétérojonction. Ces hétérojonctions sont des jonctions où se trouvent juxtaposés deux semi-conducteurs différents. Elles sont le plus souvent en accord ou quasi-accord de maille cristalline [cas des jonctions GaAlAs/GaAs des transistors à hétérojonction à effet de champ, appelés HEMT, et des transistors bipolaires à hétérojonction, dits HBT (§ 2.1 et 4.1)]. Mais ces hétérojonctions peuvent être aussi en léger désaccord de maille (de l'ordre de 1 % comme dans le cas des jonctions GaAlN/GaN des HEMT GaN (§ 3.1) ou Ga0,8 In0,2 As/GaAs des HEMT GaAs dits pseudomorphiques (§ 2.4.1), voire en désaccord plus important, au-delà de ce que peut supporter l'élasticité limitée du réseau cristallin, et impliquant alors des zones cristallines très disloquées [cas des structures dites métamorphiques InP/GaAs (§ 2.4.3) ainsi que des hétérostructures à base de nitrure de gallium (§ 3.1), où les différences de dimensions de mailles cristallines sont de l'ordre de quelques pour-cent entre le substrat de départ et le matériau qui constitue le cœur actif du composant].

Dans tous les cas, cette possibilité de combiner, au sein d'un même composant, des semi-conducteurs de structures de bandes d'énergie différentes apporte des degrés de liberté supplémentaires permettant de développer des composants nouveaux à performances améliorées ou à fonctionnalité originale. En effet, en sus des champs appliqués et des gradients de dopage assurant le contrôle du transport des électrons et des trous dans les composants ordinaires à homostructure semi-conductrice, le fait de pouvoir faire varier l'énergie de bande interdite dans le cas d'une hétérojonction permet des variations spatiales brutales des potentiels et des champs [cf. le puits de potentiel du HEMT utilisé pour séparer porteurs et donneurs (§ 2.1)]. De plus ces variations peuvent être différentes pour les électrons et pour les trous, introduisant ainsi une sorte de filtrage dans le transport de ces deux types de porteurs (cf. l'interface émetteur-base du HBT, § 4.1). L'exploitation de ces degrés de liberté, souvent qualifiée d'ingénierie de bande interdite, a donné lieu à un foisonnement d'innovations, tant en optoélectronique qu'en microélectronique, et ce plus particulièrement dans le cas des matériaux III-V, grâce à la richesse des combinaisons possibles d'éléments III et V, et pour bénéficier de la gamme très étendue des propriétés de transport de ces matériaux.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e2450


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5. Synthèse comparative et évolutions

Une synthèse comparative des transistors à hétérojonction les plus développés (HEMT GaN, P-HEMT et M-HEMT GaAs et InP et HBT GaAs et InP) est présentée dans le 3. On peut y ajouter les commentaires généraux qui suivent.

  • Les technologies P-HEMT GaAlAs/GaAs sont au stade industriel. Elles se sont déjà imposées sur les applications exigeantes (en puissance et faible bruit). La maturité du P-HEMT en fait la technologie de choix en onde millimétrique ainsi que dans le domaine de la commutation d'antenne.

  • La technologie HBT sur GaAs, à émetteur GaAlAs et surtout GaInP, est actuellement industrielle avec un créneau bien identifié, celui des applications en téléphonie mobile (amplificateur de puissance des portables) ; le HBT a également un rôle à jouer dans les applications à faible bruit de phase.

  • Des créneaux applicatifs existent pour la microélectronique sur InP, mais les volumes associés sont plus limités. Le HBT est utilisé pour des applications en circuits ultrarapides, mais souffre de la concurrence de la technologie HBT SiGe. Quant au HEMT InP, c'est seulement aux fréquences les plus élevées (> 100 GHz) qu'il trouve de possibles applications, d'autant que la technologie M-HEMT (sur substrat GaAs donc avec des substrats plus grands, moins chers et plus aisés à manipuler) semble plus intéressante au niveau industriel.

  • Les HEMT GaN représentent une filière plus récente, mais extrêmement prometteuse, grâce à leurs caractéristiques inégalées en puissance. Déjà des démonstrations probantes ont été faites pour des applications telles que les stations de base de téléphonie mobile ou les radars, et des produits commerciaux sont désormais proposés. Les bons résultats obtenus en faible bruit, et l'amélioration continue des performances en fréquence de coupure laissent entrevoir une extension du domaine d'application de cette technologie.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MATHIEU (H.) -   Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques,  -  Masson (1995), Dunod (2004).

  • (2) - SZE (S.M.) -   Physics of semiconductor devices,  -  Wiley Interscience (1981).

  • (3) - ALI (F.), GUPTA (A.) -   HEMTs & HBTs.  -  Artech House (1991).

  • (4) - GOLIO (J.M.) -   Microwave MESFETs & HEMTs,  -  Artech House (1991).

  • (5) - LADBROOKE (P.H.) -   MMIC design : GaAs FETs and HEMTs.  -  Artech House (1989).

  • (6) - CASTAGNÉ (R.), DUCHEMIN (J.P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (C.H.) -   Circuits intégrés en arséniure de gallium.  -  Collection technique et scientifique des Télécommunications, Masson (1989).

  • ...

1 Événements

Les Actes de conférences ont constitué au cours des 10 dernières années la principale source concernant les innovations dans le domaine. On citera en particulier les Conférences : International Electron Devices Meeting (IEDM), Compound Semiconductors IC Symposium (CSICS) et International Microwave Symposium (IMS).

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2 Annuaire

En 2010, le marché des composants III-V en microélectronique s'élève à environ 5 Milliards de $. Il s'agit essentiellement de produits à base de P-HEMT GaAlAs/InGaAs et HBT GaInP/GaAs sur substrat GaAs et de HEMT GaN. Citons parmi les acteurs industriels les plus importants :

États-Unis :

Triquint http://www.triquint.com/

RFM http://www.rfm.com/

Anadigics http://www.anadigics.com/

Skyworks http://www.skyworks.com/

Agilent http://www.agilent.com/

GCS http://www.gcs.com/

Japon et Asie :

Fujitsu http://www.fr.fujitsu.com/

Sumitomo http://www.sumitomo.com/

NEC http://www.nec.fr/

Mitsubishi

Toshiba http://www.toshiba.fr/

Sony http://www.sony.fr/

WIN

Europe :

UMS ...

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