Jury :

M. Thomas Zimmer, Professeur à l’Université de Bordeaux (IMS) – Rapporteur

M. Thierry Baron, Directeur de recherche au CEA, LTM, Université de Grenoble – Rapporteur

M. Jean-Guy Tartarin, Professeur à l’Université de Toulouse, LAAS – Examinateur

Mme Virginie Nodadjim, Ingénieure de recherche, III-V Lab – Examinatrice

Mme Marie Lesecq, Maître de conférences, Université de Lille, IEMN – Examinatrice

M. Christophe Gaquière, Professeur, Université de Lille, IEMN – Examinateur

M. Raphaël Aubry, Expert scientifique, Direction Générale de l’Armement – Invité

M. Pascal Chevalier, STMicroelectronics – Encadrant industriel

M. Mohammed Zaknoune, Directeur de recherche, IEMN, Université de Lille – Directeur de thèse

Summary:

Cette thèse s’inscrit dans une première collaboration entre STMicroelectronics et l’IEMN autour des technologies III-V, avec pour objectif de combiner à terme les transistors III-V aux technologies silicium afin de répondre aux besoins des futurs systèmes de télécommunications.

Les travaux portent sur l’intégration de dispositifs THz en matériaux III-V sur substrat silicium, en développant des techniques de transfert de couche active de transistors bipolaires à double hétérojonction (DHBT) accordés en maille sur InP, vers des substrats silicium à haute résistivité. L’objectif final est la réalisation d’amplificateurs de puissance en bandes THz et sub-THz, compatibles avec les lignes CMOS/BiCMOS tout en préservant la qualité des matériaux III-V.

Les DHBTs développés visent une tenue en tension de 4–5 V et une fréquence maximale fMAX supérieure à 600 GHz, en vue d’une industrialisation à l’horizon 2040.

Cinq approches technologiques sont étudiées :

1. DHBT standard sur InP (référence)
2. Report Au-Au sur silicium (excellente dissipation thermique)
3. Report Al-Al pleine plaque (compatible industrie)
4. Report motif Al/HSQ (compromis CMOS et thermique)
5. Technologie InPoSi (collage moléculaire InP/Si et reprise de croissance)

L’analyse compare ces approches en performances électriques et gestion thermique. Le paramètre clé étudié est la résistance thermique (RTH). Les résultats montrent que l’approche par report métal/métal permet une réduction de plus de 50 % de la RTH (≈1200 K/W), conduisant à une puissance de sortie environ 3 fois supérieure à l’état de l’art à 94 GHz (~28 mW/µm²).

Ces travaux permettent d’identifier les architectures les plus prometteuses pour le développement futur d’amplificateurs de puissance millimétriques intégrés sur silicium.

Abstract 

This thesis forms part of an initial collaboration between STMicroelectronics and the IEMN focusing on III-V technologies, with the aim of eventually combining III-V transistors with silicon technologies to meet the needs of future telecommunications systems.

The work focuses on the integration of THz devices made from III-V materials onto silicon substrates, by developing techniques for transferring the active layer of double heterojunction bipolar transistors (DHBTs) with lattice-matched InP to high-resistivity silicon substrates. The ultimate goal is to produce power amplifiers in the THz and sub-THz bands that are compatible with CMOS/BiCMOS lines whilst preserving the quality of III-V materials.

The DHBTs under development are designed for a breakdown voltage of 4–5 V and a maximum frequency fMAX exceeding 600 GHz, with a view to industrialisation by 2040.

Five technological approaches are being investigated:

Standard DHBT on InP (reference)

Au-Au interconnect on silicon (excellent thermal dissipation)

Full-plate Al-Al interconnect (industry-compatible)

Al/HSQ patterned interconnect (CMOS and thermal compromise)

InPoSi technology (InP/Si molecular bonding and regrowth)

The analysis compares these approaches in terms of electrical performance and thermal management. The key parameter studied is thermal resistance (RTH). The results show that the metal-to-metal transfer approach enables a reduction of more than 50% in RTH (≈1200 K/W),