title: Development of InP DHBT for mm-wave applications
Creators: name: Brahem, Mohamed
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
subject: InP
subject: indium phosphide
subject: DHBT
subject: iridium contacts

description: Thanks to the substrate transfer process (TS), circuit designs using Double Heterojunction Bipolar Transistors (DHBTs) can enjoy additional degrees of freedom in lithographic patterning compared to DHBTs peer fabricated in Triple Mesa process which makes them easy to tailor to RF or power applications. In this work, we build on the previous in-house matured TS process to scale down the transistors to deep-submicron features (200nm). Technology Computer-Aided Design (TCAD) was heavily used in examining the epitaxial modifications required to laterally and vertically scale the transistors while maintaining acceptable DC operations by adjusting the doping profiles and layers thicknesses. A brief introduction is given on the calibration work as well as the model used and their limitation. Afterwards, DHBT Design of experiments (DoE) on InP/InGaAs and InP/GaAsSb material systems were fabricated and measured. Assessment is presented on the impact of the emitter width, emitter length and collector width on the RF and DC characteristics of the transistors. detailed optimizations analysis based on measurement data is provided. Furthernore TCAD physical simulations and analytical explanations are given to explain the different physical mechanisms behind the variations in the figure of merits. Thermally stable Contacts using an iridium contact layer were fabricated and compared to a conventional platinum-based contacts . Pt-based metal stack suffered from void formation and high reactivity with the semiconductor when annealed at 240°C for a few hours, as examined by TEM. As a result, the Pt-based stack exhibited strong deterioration of the resistivity. On the other hand, the Ir contact maintained its integrity during thermal stress. The improved contact exhibited a void and reaction-free microstructure and offered stable TLM resistivity values with annealing. Finally, lifetime and stress measurements are carried on the novel DHBTs with the refractory metals and compared with their baseline counterparts. We provide an insight in the degradation measurement and failure mechanisms.
description: In einem Substrat-Transfer-Prozess (TS) zur Herstellung von Doppel-Hetero-Bipolartransistoren (DHBTs) ergeben sich im Vergleich zu einem einfachen Triple-Mesa-Prozess zusätzliche Freiheitsgrade bei der lithografischen Strukturierung. Damit können Schaltungsdesigns besonders gut auf HF- oder Leistungsanwendungen angepasst werden. Diese Arbeit erweitert und verbessert dazu einen zuvor intern etablierten TS-Prozess, mit dem Ziel, die Transistor-Strukturen in den tiefen Submikrometerbereich(200 nm) zu verkleinern. Zur Anpassung der Dotierungsprofile und Schichtdicken, die erforderlich ist, um bei der lateralen und vertikalen Skalierung der Transistoren einen akzeptablen Gleichstrombetrieb zu gewährleisten, werden Modifikationen der epitaktischen Schichten der Transistoren ausführlich untersucht. Dazu werden TCAD - Simulationsverfahren(Technology Computer-Aided Design) intensiv genutzt. In einer kurzen Einführung werden die Kalibrierungsarbeiten erläutert und die verwendeten Modelle und deren Grenzen dargelegt. Anschließend werden DHBTs in den InP/InGaAs- und InP/GaAsSb- Materialsystemen hergestellt und messtechnisch charakterisiert. Es wird eine Bewertung des Einflusses der Emitter-Breite und -Länge und sowie der Kollektor-Breite auf die HF- und Gleichstromeigenschaften der Transistoren vorgenommen. Basierend auf Messdaten wird eine detaillierte Optimierungsanalyse dargelegt. Darüber hinaus werden physikalische TCAD-Simulationen und analytische Erklärungen vorgestellt, um die verschiedenen physikalischen Mechanismen in den Variationen in den Figures of Merits zu erklären. In grundlegenden Untersuchungen werden äußerst zuverlässige hochtemperaturfeste Kontakte auf den Basis- und Emitter-Schichten entwickelt, die eine hervorragende thermische Stabilität und eine verringerte Diffusion der Kontaktmetalle in den Halbleiter aufweisen. Dazu wurden Kontakte mit einer Iridium-Kontaktschicht hergestellt und mit herkömmlichen Kontakten auf Platin-Basis verglichen. Nach einer Temperung bei 240 °C über mehrere Stunden zeigt ein Pt-basierter Metallstapel in TEM- Untersuchungen die Bildung von Hohlräumen und eine hohe Reaktivität der Metalle mit dem Halbleiter. Im Gegensatz dazu behält ein Ir-Kontakt seine Integrität bei thermischer Belastung. Dieser verbesserte Kontakt weist eine hohlraum- und reaktionsfreie Mikrostruktur auf und bietet stabile TLM-Widerstandswerte beim Ausheizen. Anschließend werden Lebensdauer- und Belastungsmessungen an den neuartigen DHBTs mit Kontakten aus Refraktär-Metallen durchgeführt und mit den etablierten Gegenstücken verglichen. Dabei wird ein Einblick in die Degradationsmessungen und zu den Fehlermechanismen gegeben. Die hochtemperaturfesten Kontakte werden erfolgreich in einen MMIC-Prozess integriert und dabei mit einer neuartigen ultradünnen epitaxischen Schichtenfolge mit einer hochdotierter Basisschicht kombiniert. Der Herstellungsprozess wird erklärt, es folgen die Erläuterung von DC- und RF-Messungen. Abschließend werden grundlegende Einschränkungen für skalierte Transistoren, die durch die Größe des Emitters bedingt sind, dargelegt. Auf der Grundlage der Eigenschaften der neuesten DHBTs wird ein Versuchsplan entwickelt und gemessen, der wertvolle Erkenntnisse über zukünftige Optimierungen der Forschungsarbeiten liefert.