Investigations des limites technologiques ultimes de l'électronique THz – ULTIMATE

ULTIMATE est un ambitieux projet de recherche industrielle d’une durée de 3 ans centré sur les investigations des limites technologiques ultimes de l'électronique THz. Les transistors basés sur substrat InP sont les plus rapides au monde. Pourtant, quelque soit la technologie (bipolaire ou ’’à effet de champ’’), leur fréquence de transition tend à stagner dans la gamme 500-600 GHz (0.5-0.6 THz). L’amélioration de l’architecture du transistor a longtemps reposé sur l’interpolation semi-qualitative de la structure de bandes d’énergies de matériaux souvent incomplètement connus. Alors que les simulateurs standards peuvent prédire une fréquence de coupure au-delà de 1 THz, les mesures expérimentales démontrent des résultats très éloignés de cet objectif, vraisemblablement du fait de l’intense champ électrique qui règne dans ces nanocomposants imposant une énergie suffisante aux électrons pour transiter dans les vallées latérales (Vallées L et/ou X). Ces transitions ne sont pas prises en compte dans les simulateurs classiques TCAD ou même MONTE CARLO qui ne prennent pas en compte les mécanismes de transport quantique associés à la présence de barrière de potentiel.
Dans le projet ULTIMATE, pour la première fois, nous proposons de concevoir des transistors ultra-rapides à partir d’études au niveau atomistique fondamental basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour le calcul précis de la structure de bandes d’énergies associées à des simulations de transport quantique afin d’aboutir à des fréquences de coupure expérimentales entre 750 et 1000GHz.
Les partenaires du projet ULTIMATE sont deux laboratoires académiques (IMS-Bordeaux and ETH-Zürick), un laboratoire industriel (III-V Lab) et une TPE (Xmod technologies). Chacun d’eux apporte une contribution spécifique basée sur une excellente expertise dans les domaines de la fabrication des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH), de la caractérisation électrique, de l’extraction de paramètres, de la modélisation compacte et de la simulation multi-échelle. Un tel rassemblement de compétences est particulièrement pertinent pour fournir les lignes directrices d’une architecture de transistor capable de surpasser l’état de l’art technologique en fournissant une mesure expérimentale au-delà du THz.
Pour obtenir une telle performance, une étude approfondie de la structure de bandes d’énergie des matériaux mis en jeu est prévue grâce aux compétences en simulation multi-échelle de ETHZ. A notre connaissance, une telle approche, débutant au niveau atomistique, n’a encore jamais été proposée. Cette étude est donc unique de par la synergie mise en place pour concevoir la fabrication de transistors ultimes chez III-V Lab et ETHZ, leur caractérisation électrique grâce à la plateforme 500GHz d’IMS en partenariat avec XMOD pour fournir les extractions de paramètres nécessaire à l’investigation du transistor intrinsèque.
Cette approche permettra, en particulier, d’évaluer l’impact d’une couche de base très dopée en Carbone sur le peuplement des minima des vallées latérales et donc sur les performances dynamiques des transistors. L’architecture du transistor sera ajustée en conséquence pour optimiser l’efficacité d’injection des couches de base InGaAs et GaAsSb vers la couche InP collecteur permettant d’améliorer le transport électronique pour atteindre la gamme 750-1000GHz. Ainsi, les simulations atomistiques permettront d’avoir accès à de nouvelles connaissances des transistors à hétérostructure ultra-rapides autorisant la conception de nouvelles générations de composants THz.