Brevet FR2046953A1 — publié le 19710312

2Q46953 La présente invention se rapporte à un dispositif semiconducteur et concerne, notamment, un nouveau dispositif semiconducteur présentant une résistance négative et un bon rendement d'émission lumineuse. L'opto-êlectronique est un domaine particulier qui s'occupe directement 5 de produits d'avenir, tels que les systèmes de communication optiques, les calculatrices optiques et les. convertisseurs d'images relevant de la physique des solides. Les diode's laser et les diodes photo-émissives ont été développées comme éléments pour convertir de l'énergie électrique en énergie lumineuse, tandis que le photo-transistor, les photo-résistances et les photo-10 diodes ont été conçus pour convertir de l'énergie lumineuse en électricité. Un circuit incluant 'une combinaison de ces deux sortes d'éléments couplés par l'intermédiaire de la lumière peut être obtenu assez facilement, mais exige généralement l'addition d'un élément de commutation approprié, d'un élément d'amplification ou d'un élément d'oscillation ou d'un circuit compre-15 nant un ou plusieurs de ces éléments pour assurer un fonctionnement satisfaisant de l'ensemble. Cèci implique que tous les circuits opto-électroniques classiques du type ci-dessus sont relativement compliqués du fait qu'ils comportent un grand nombre d'éléments. Les recherches faites dans ce domaine ont conduit à développer des diodes photo-émissives à résistance négative 20 capables de remplir les deux fonctions. Bien qu'on puisse concevoir d'utiliser de nouveaux types de dispositifs dans un circuit opto-électronique considérablement simplifié, aucune production à l'échelle industrielle de tels circuits utilisant ces nouveaux dispositifs n'a encore été réalisée. Les nouveaux dispositifs de ce type ont généralement une structure à trois couches du type 25 p-i-n. Un tel dispositif se compose, par exemple,d'un substrat GaÂs de type n, d'une région à haute résistance i obtenue par dopage avec une impureté accep-trice à niveau relativement profond telle que Ma et une région p à faible résistance obtenue par un second dopage avec un accepteur à niveau peu profond, 30 tel que Zn. La région i comporte des centres de captage profonds dans lesquels la section 70 22625 2 2046953 courant circule. Ceci est dû ' au fait que les lacunes injectées sont capturées par ces centres. Lorsqu'on approche de la tension de seuil mentionnée, le champ électrique augmente au point que le temps de transit des lacunes à travers la région "i devient de l'ordre de la durée de vie de celles-ci. Ceci commence à 5 développer la région à résistance négative. Quand le courant augmente,ce phénomène traverse la région i et, en fait, convertit cette région en une région semiconductrice dans laquelle les lacunes et lès électrons Contribuent conjointement à une conduction considérablement augmentée. En conséquence, les diodes p-i-n présentent normalement deux états stables entre lesquelles elles peuvent 10 être commutées. Toutefois, cette commutation n'est pas rapide en raison de l'augmentation de la durée de vie des porteurs électrisés dans là région i. Ce dispositif présente une résistance négative remarquable à une température extrêmement basse, par exemple à la température de l'azote liquide (77°K), tandis qu'il ne présente pratiquement pas cette caractéristique à la tempéra-15 ture ambiante. De plus, cette nouvelle diode n'est présentement pas avantageuse car elle n'émet pas de lumière à la température ambiante et son rendement lumineux est extrêmement faible. Un bon rendement ne peut être obtenu qu'à une température extrêmement basse, voisine de 77° K. Pour cette raison, on ne saurait raisonnablement s'attendre à des perfectionnements permettant une 20 large utilisation de ces dispositifs. En conséquence, le but principal de l'invention est de réaliser un nouveau dispositif semiconducteur perfectionné qui ne présente pas les inconvénients et les limitations des dispositifs de la technique antérieure. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif semiconducteur perfectionné 25 pouvant fonctionner de façon satisfaisante, non pas à des températures extrêmement basses, mais à la. température ambiante. L'invention se propose également de réaliser un dispositif semiconducteur perfectionné : - ayant un rendement d'émission lumineuse extrêmement élevé, même à la 30 température ambiante; - qui présente une résistance négative, même à la température ambiante; - qui peut être commuté rapidement; et, - dont le domaine d'application peut être étendu en prévoyant une électrode de commande capable de déterminer ses états d'émission lumineuse. 35 En résumé, l'invèntion a pour objet un dispositif semiconducteur perfec tionné du type p-n-p-n dont chacune des quatre couches est faite djune matière semiconductrice ayant une large bande d'énergie et une faible résistance, ces deux couches intermédiaires ayant une épaisseur de l'ordre de la longueur de diffusion d'un porteur minoritaire dans cette matière semiconductrice, et des 40 moyens pour polariser directement ce dispositif. 70 22625 3 2046953 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'un circuit comportant une diode 5 p-n-p-n conforme à l'invention; - la figure 2 est un diagramme montrant la courbe caractéristique tension-courant de la diode de la figure 1; - la figure 3 est une représentation schématique de la distribution du potentiel dans cette diode; 10 - la figure 4 est un graphique de la puissance d'émission de rayonnement en fonction du courant de cette même diode; - la figure 5 montre le spectre du rayonnement émis par la même diode; - la figure 6 est un diagramme montrant la courbe caractéristique tension/capacité de cette diode; et, 15 - la figure 7 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de la diode p-n-p-n de la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit en coupe une diode 10 ayant une structure p-n-p-n qui présente une résistance négative et qui émet de la lumière. 20 La diode 10 est faite d'une plaquette semiconductrice constituée par un monocristal d'arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si). La plaquette semiconductrice 11 présente une large bande énergétique et a une faible résistance. Le dispositif comporte une couche GaAs de type p dopée avec Si extrêmement mince (P2)12'et une couche GaAs type n (N3)13 et une seconde 25 couche GaAs (P4)14 de type p dopée avec Si sur l'une des surfaces de la plaquette 11. A la frontière entre les différentes couches, se forment les jonctions J12, J23 et J34. Chaque couche 12, 13, 14 est formée par un processus de croissance épitaxique en phase liquide dans lequel une fonte, par exemple une fonte Ga incluant une source GaAs et un dopant Si (appelé "impu-30 reté anphotère") est appliquée sur la surface d'une plaquette semiconductrice 11, puis est refroidie. Les deux couches intermédiaires 12 et 13 ont une épaisseur correspondant à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans GaAs et qui est d'environ 1 à 40 yi. La diode p-n-p-n 10 est produite comme suit : l'épaisseur de la plaquette GaAs de type n est d'environ 50 u, 18 3 35 la concentration en électrons libres par l'impureté Si est de 1 . 10 /cm , l'épaisseur des couches intermédiaires p et n est de 2 à 10 li, les concentrais 3 tions en électrons par Si sont d'environ 1. 10 /cm , la couche supérieure p a une épaisseur d'environ 100 fi et la concentration des électrons est d'envi-18 3 ron 1. 10 /cm . Un premier contact ohmique 15 est relié au substrat n 11, 40 tandis qu'un second contact ohmique 16 est connecté à la couche p supérieurel4. 70 22625 4 2046953 Les contacts 15 et 16 sont adaptés à être reliés à une source de polarisation 17. Le circuit de polarisation renferme également une source de signaux 18 et une résistance 19 CRL). La diode p-n*p Lorsque les couches P4 et NI sont polarisées de façon que la première 15 soit positive par rapport à la seconde, les jonctions J12 et J34 sont polarisées directement, tandis que la jonction intermédiaire J23 est polarisée inversement, avec pour résultat que quand la tension appliquée est relativement faible, le courant qui circule est, lui aussi, relativement faible et correspond à la région I de la figure 2. 20 Une augmentation de la tension appliquée a pour effet que des électrons sont injectés de la couche NI dans la jonction J34 en même temps que davantage de lacunes sont injectées de la couche P4. Quand les lacunes injectées de la couche P4 atteignent la jonction J12, elles favorisent l'injection d'électrons de la couche NI, ce dont résulte une augmentation des électrons 25 et des lacunes injectés dans les régions de base P2 et N3. Il en résulte ce qu'on appelle une "multiplication d'électrons". D'autre part, la jonction J23 est inversement polarisée, de sorte qu'elle représente une barrière de potentiel élevée. Par suite de l'action ci-dessus, les couches N3 et P4 sont inondées respectivement par des électrons et des lacunes qui s'accumulent et 30 polarisent la jonction J23 en sens direct, en abaissant progressivement son potentiel, ce dont résulte une baisse de potentiel entre les couches NI et P4 (voir région II de la figure 2). Cette baisse se poursuit jusqu'à ce que l'équilibre du potentiel de la jonction J23 soit atteint, ce qui correspond à une condition de conduction permettant le passage d'un courant important. 35 Cette condition de conduction ou "état de marche" confère à cette diode p-n-p-n la même caractéristique tension-courant que celle d'une diode p-n classique. La figure 3 montre schématiquement la distribution du potentiel d'une diode p-n-p-n à l'état d'équilibre thermique (a), avec une polarisation d'arrêt (b) et dans l'état de marche (c). 40 II ressort de la description précédentes que la diode p-n-p-n de l'inven 70 22625 5 2046953 tion ne comporte pas de couche semi-isolante formée par un dopage avec une impureté ayant un niveau relativement profond et qu'elle n'utilise par un phénomène de double injection pour présenter une courbe caractéristique à résistance négative. En conséquence, il n'est pas possible qu'une diode p-n-p-n à résis-5 tance négative soit inopérante à la température ambiante, alors que la diode p-i-*n classique ne présente pas une résistance négative.à la température ambiante, puisque sa couche semi-isolante est conductrice et non pas isolante, à la température normale. Avec la diode p-n-p-n perfectionnée selon l'invention, la tension de seuil Vth et le courant Ith, ainsi que la tension de maintien 10 Vh et le courant Ih peuvent être les suivants : Vth =2 à 25 volts Ith 0,1 à 20 mA Vh = 1,3 à 1,4 volts Ih = l à 70 mA 15 Ces valeurs sont importantes et représentent les caractéristiques de la diode p-n-p-n. La tension de maintien Vh est une constante qui est liée à la nature de la matière semiconductri.ce, tandis que la tension de seuil Vth et le courant Ith peuvent varier selon les applications de la diode. L'instant de 20 commutation ou d'allumage de la diode p-n-p-n est déterminé par le temps de transit des électrons et des lacunes à travers les régions de base des transistors p-n-p et n-p-n. En conséquence, plus cette région de base est minee, plus la vitesse de commutation est élevée. Etant donné que les deux couches intermédiaires des diodes p-n-p-n ci-dessus sont extrêmement minces, on peut 25 obtenir une réponse de fréquence satisfaisante. Le temps d'allumage de la diode p-n-p-n ci-dessus est d'environ 1 y. s, c'est-à-dire qu'elle est inférieure d'environ un ordre de grandeur à celle des diodes de commutation p-n-p-n en silicium du commerce. De plus, cette diode p_n-p-n peut être commutée rapidement, car elle ne comporte aucune couche à 30 haute résistance formée par un dopage avec une impureté à niveau profond, à la différence de la diode p-i-n classique. La diode p-n-p-n 10 présente aussi une émission lumineuse illustrée par la courbe de la figure 4. Cette diode est une diode à émission lumineuse par injection et l'intensité de la lumière infra-rouge émise est proportionnelle à son courant. Comme le montre la 35 figure 4, l'émission lumineuse est approximativement proportionnelle au courant d'excitation. Quel que soit le type de la région, que sa résistance soit positive ou-négative, la puissance de rayonnement F est toujours proportionnelle au courant d'excitation. La puissance P peut être exprimée approximativement comme suit : 40 P In 70 22625 6 2046953 dans laquelle : I est le courant d'excitation;.et n est une constante qui dépend de la diode.. Comme l'on sait, le mécanisme, de l'émission lumineuse est basé sur la 5 recombinaison des lacunes et des électrons. Il est hautement probable qu'une recombinaison entre les électrons injectés par la couche NI et les lacunes injectées par la couche P4 se produit aux deux jonctions J12 et J34 en raison de la structure de la diode. L'émission lumineuse qui se produit dans la diode photo-émissive selon l'invention est plus efficace que dans une diode classi-10 que. Lorsque les jonctions J12 et J34 sont polarisées directement, tandis que la diode intermédiaire J23 est polarisée inversement, une partie des électrons injectés de la couche NI se recombine avec les lacunes de la même couche NI. Le reste des électrons injectés atteint la jonction J34 et se recombine avec les lacunes des couches P2 et N3 et avec les lacunes voisines de la jonction 15 J34, de sorte que les électrons disparaissent successivement. Le même phénomène s'applique aux lacunes injectées par la couche P4. Quand les électrons et les lacunes injectés traversent la jonction J23, il se produit une multiplication de porteurs électrisés. Sur le chemin vers les jonctions J12 et J34 ou aux jonctions J12 et J34, ces porteurs électrisés se recombinent et engendrent 20 de la lumière et, en conséquence, l'émission lumineuse est considérablement renforcée. La/figure 5 montre le spectre des radiations émises par la présente diode p-n-p-n. On constate que la longueur d'onde du rayonnement de la diode p-n-p-n est d'environ 940 m p. à la température ambiante, et environ 890 m Jx à la 25 température de l'azote liquide. On voit donc que cette diode p-n-p-n fonctionne correctement, même à la température ambiante. On estime que l'efficacité quantique externe de ce dispositif p-n-p-n est de 2 à 3 % . La figure 6 montre les résultats d'expériences pour déterminer la relation entre la tension de polarisation et la capacité. 30 Par suite de sa structure, on peut considérer qu'une diode p-n-p-n est formée d'une série de jonctions p-n - n-p - p-n. On notera que la courbe caractéristique est presque symétrique pour les polarisations directe et inverse, et que la courbe se décale verticalement lorsque la diode est éclairée. On va décrire maintenant un procédé pour produire une diode p-n-p-n du 35 type ci-dessus. On utilise seulement Si comme impureté. Les trois couches p-n-p 12, 13 et 14 peuvent être formées sur le substrat n 11 en une seule étape, par un processus de croissance épitaxique en phase liquide. Avec GaAs, les atomes du groupe IV, tels que Si, Ge et Sn peuvent être aussi bien des donneurs que des accepteurs et, en conséquence, on les qualifie de "impuretés 40 amphotères". Les atomes du groupe IV agissent comme des donneurs quand ils se 70 22625 7 2046953 substituent à un atome Ga de GaAs et comme accepteurs quand ils se substituent à un atome As de celui-ci. En généra] , pendant la croissance de GaAs dopé avec Si à l'état liquide,, une couche n peut être produite dans l'état stœ chiomê-trique,tandis que le GaAs est obtenu par croissance du liquide en fusion in-5 cluant un excès de Ga provenant de l'état stoechiométrique tendant à souffrir d'une réduction de la concentration Si dans les sites Ga et d'une augmentation de la concentration Si dans les sites As. La croissance d'une couche épitaxi-que GaAs dopé avec Si selon le procédé en phase liquide conduit à la croissance de GaAs de type n à une température relativement élevée, tandis que la transi-10 tion de n à p a lieu au cours de la croissance, quand la température diminue. Cette température de transition dépend de divers facteurs, tels que l'orientation du cristal de GaAs, la nature de l'impureté, etc... Elle rfest pas gravement affectée par la vitesse de refroidissement au cours de la croissance. Cette transition conduit au comportement décrit ci-dessus en provo-15 quant la croissance d'une couche p au commencement du refroidissement, puis celle d'une couche n, pendant que la vitesse de refroidissement augmente, puis permet à une transition spontanée de rétablir la croissance de la couche p. Autrement dit, la température est d'abord abaissée à une vitesse de refroidissement de 0,2° C/mn, puis on laisse croître la couche p, et ensuite on fait 20 croître les couches n et les couches p successivement par un refroidissement rapide à la vitesse de 10° C/mn, Ceci revient à dire que la croissance des trois couches p-n-p peut être obtenue en agissant simplement sur la vitesse de refroidissement. L'épaisseur des différentes couches est déterminée par la vitesse et la durée de refroidissement et, en conséquence, cette épaisseur 25 peut être décidée à volonté, en agissant judicieusement sur la durée. Les diodes photo-émissives produites selon le procédé ci-dessus ont une excellente efficacité quantique d'émission lumineuse, qui est d'environ dix fois celle des diodes classiques. Ce phénomène de transition p-n et sa dépendance de la vitesse de refroi-30 dissement peuvent s'expliquer comme suit : dans un processus de croissance épitaxique en phase liquide avec Si comme impureté, si les teneurs en Ga et As dans la zone en fusion sont stoechiométriquement équilibrées, la couche de croissance GaAs a habituellement une conduction n, car le système a tendance à produire des sites. Ga vacants Vga auxquels se substituent des atomes Si en 35 excès. Par contre, lorsque le système contient une certaine quantité de Ga en excès, la situation est renversée. Le paramètre important qui contrôle la situation est le phénomène de surfusion près de l'interface des phases liquide et solide à une température donnée, c'est-à-dire que la tendance à produire 40 Vga ou Vas est déterminée par la différence des constantes de séparation de Ga 70 22625 8 2046953 et de As et par la constante de diffusion des atomes Si dans les sites vacants., tous ces paramètres âtant dépendants de la température. Selon lrexpérience fondamentale, dans le cas d'un système liquide à excès de Ga soumis à une vitesse de refroidissement lente, la concentration des sites d'arsenic vacants 5 Vas prédomine sur celle de Vga, de sorte que l'impureté de substitution Si produit le mode de conduction p. Par contre, dans le cas d'une vitesse de refroidissement élevée, le phénomène de surfusion favorise la séparation des atomes As et augmente relativement Vga, comparativement à Vas, de sorte que le mode de conduction de la couche de croissance résultante est inversé, 1Q c'est-à-dire du type n. Le développement de cette nouvelle technique de croissance épitaxique rend de grands services pour la réalisation de diodes photo-émissives à résistance négative en GaAs, du type mentionné ci-dessus. Des éléments semiconducteurs à structure p-n-p-n sont pratiquement utilisés comme commutateurs ou comme élé-15 ments semiconducteurs commandés, mais il est difficile de produire de tels éléments en GaAs en utilisant des techniques de croissance épitaxiques classiques. En effet, la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans GaAs est très courte, de l'ordre de 1 à 10 p., et l'épaisseur des couches intermédiaires doit être contrôlée de façon que ces épaisseurs soient approximative-20 ment égales à cette longueur de diffusion, de manière à présenter une résistance négative; or, un tel contrôle est impossible par les procédés classiques. La diode photo-émissive à résistance négative en GaAs décrite ci-dessus a l'avantage de présenter une émission lumineuse etda pouvoir être utilisée comme oscillateur, amplificateur et modulateur optique et dans divers autres 25 systèmes logiques optiques. Le domaine d'application de cette diode p-n-p-n peut encore être étendu par l'addition d'une électrode de commande à l'une des deux couches de base intermédiaires. La figure 7 montre une telle diode. Sur cette figure, une région p 20 est formée de préférence par diffusion, la région 20 étant une région diffusée Zn dans la couche intermédiaire 12 et à cette 30 région p 20, un troisième contact ohmique 21 est connecté. La structure du dispositif de la figure 7 ne diffère de celle du dispositif de la figure 2 qu'à cet égard. Avec une polarisation directe sur le contact d'anode 16 qui est supérieure à la tension d'avalanche, cette diode p-n-p-n est en état de conduction. A ce moment, une émission lumineuse a lieu au voisinage des 35 jonctions p-n J12 et J34. Même dans son état de faible conduction, l'application d'une polarisation directe au contact 21 commute la diode p-n-p-n de telle sorte qu'elle devient conductrice. Du point de vue de son application, comme élément de circuit électronique et opto-électronique, la diode p-n-p-n ci-dessus offre les particularités 40 avantageuses suivantes : 70 22625 9 2046953 a) amplification de signaux électriques et conversion en signaux lumineux; b) oscillation de signaux électriques et conversion en signaux lumineux, comme oscillateur à impulsions lumineuses; c) commutateur bistable ou élément de mémoire; 5 d) modulation de l'émission lumineuse par des signaux électriques; e) coupleur et isolateur opto-électronique. Les semiconducteurs des composés intermétalliques des groupes III-V, autres que GaAs à considérer sont GaP, InP, GaSb, GaN, AlSb, AlAs, (GaAs)Al, Ga(AsP) et (GaAl)Pj tandis que comme'impuretés amphotères autres que Si, on peut citer 10 Ge et Sn. L'invention peut être appliquée aux semiconducteurs ci-dessus. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. i 2046953 1.- Dispositif semiconducteur du type p-n-p-n, caractérisé en ce qu'il se compose de quatre couches dont çhacune/ast faite d'une matière semiconductrice ayant une large bande d'énergie et"'une faible résistance, les deux couches in- -r 5 termédiaires ayant une épaisseur de I'ordre_d'une longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans la matière semiconductrice et des moyens étant prévus pour polariser directement ces quatre couches. » H 2.~ Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé enjbe i ; . . que les quatre couches sont dessemiconducteurs de composés du groupe III-V. 10 3.- Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les semicôïiducteurs sont constitués par du GaAs dopé avec du Si. 4.- Dispositif semiconducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux couches intermédiaires ont une épaisseur d'environ 1 à 40 ji, 5.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 15 une électrode de commande fixée à l'une des couches intermédiaires. 6.- Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quatre couches p-n-p-n sont formées par un procédé de croissance épi-taxique en phase liquide. 70 22625 10 V REVENDICATIONS