Brevet FR2018002A1 — publié le 19700529

i 2018002 Les arrangements de diodes varactor sur un substrat semi-conducteur commun sont souhaitables dans un certain nombre d'applicationspratiques parmi lesquelles les multiplicateurs de fréquence, les amplificateurs paramétriques et les oscilla-5 teurs à effet d'avalanche. Ces diodes servent généralement à produire ou à amplifier des oscillations hjperfréquence. Pour de telles applications, il.es;t souhaitable que leur fréquence de coupure et leur tension de claquage soient très élevées et qu'elles ne se dégradent pas à haute température. 10 Pour satisfaire aux conditions ci-dessus, on a - essayé de réaliser des diodes à jonction P-N en une matière à bande interdite large, telle que l'arséniure de gallium, et de fabriquer chaque diode sous forme d'une saillie tabulaire ou "mesa" sur une couche servant de substrat. Jusqu'ici, ces 15 diodes étaient fabriquées en faisant croître une couche épitaxiale P+ ou en formant une couche P+ par diffusion sur un substrat de type N puis en formant les diodes individuelles par photogravure . Lorsque les diodes sont formées par un processus 20 consistant à faire croître une couche épitaxiale P+ sur une couche de type N déposée sur un substrat N+,'les saillies ou "mesa" dépassent généralement d'environ 15 à 20 ai au-dessus de -la couche N car elles comprennent les couches P et N. Les contacts électriques au sommet de chaque diode sont réalisés 25 par dépôt d'une couehe métallique, ce qui implique l'application d'un masque sur les parois latérales des mesaspendant le dépôt du métal sur leur sommet. L'application régulière des réserves photographiques est extrêmement difficile à réaliser sur les parois relativement élevées des mésas. Il est fréquent ■50 Que certaines surfaces latérales restent à découvert. Pour résoudre le problème de la non uniformité de la couche de réserve, les parois sont tout d'abord passivées par un dépôt de Si^N^. Cependant, du fait de la haute température de dépôt du Si^N^ (700°C), les zones de contact P+ des 35 sommets des mésas doivent être métallisées après le dépôt de nitrure. Ce processus nécessite également que les solutions de réserve photographiques soient appliquées aux parois et aux sommets des mesas et l'examen après décapage montre que les réserves classiques adhèrent mal aux parois des mesas, même 69 19420 a 2018002 lorsque la réserve est appliquée à viscosité; maximale. Lorsque les couches P+ des diodes sont formées par diffusion d'un métal, tel que le zinc, dans une couche N de semiconducteur, d'autres problèmes se posent. Lorsque, l'on utilise 5 un masque, en silice, les fortes concentrations de zinc se traduisent fréquemment par des diffusions parasites de zinc: à travers la couche protectrice d'oxyde entraînant la mise au rebut de la diode. La. présente intention a donc pour objet'une structure améliorée de diode épitaxiale à l'arséniure de gallium applicable 10 notamment à la réalisation de diodes vara.ctor disposées en -réseau sur un substrat commun. L'invention a également pour objet un procédé nouveau'de réalisation de diode épitaxial à jonction P-N utilisable en hyperfréquen ces. Le procédé et la diode perfectionnée selon la pré-15 sente invention permettent "d'éviter, les inconvénients mentionnés précédemment de la .fabrication des diodes soit par diffusion soit par croissance de- couches épitaxi-ales sur un substrat, et formation ultérieure des diodes par photogravure , La diode selon l'invention comprend une couche épitaxiale d'un certain 20 type de conductivité obtenue par croissance dans une ouverture sur une couche passivée d'un substrat de type de conductivité opposé. L'ouverture est de forme octogonale et, dans le cas d'une diode à l'arséniure de gallium, alignée de manière que les plans de l'octogone soit orientés selon les plans (100) et (110) de la 25 structure eristallographique du substrat de GaAs. Si l'ouverture de la couche passivée a une autre forme, par exemple circulaire, l'expérience montre que la croissance de la couche ne la comble pas totalement de sorte que lorsque le métal est appliqué sur le dessus et les parois 30 en saillie de la diode, une certaine quantité de métal tend à se déposer en dessous de la surface supérieure de la couche passivée et risque de court-circuiter la jonction de la diode. . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée 35 qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels ; - la figure 1 est une coupe d'une partie d'un ensemble de diode "mesa" à jonction P-N réalisée selon les procédés classiques; 69 19420 3 2018002 - la figure 2 est une coupe d'une plaquette de serai-conducteur, dans un premier stade de la fabrication d'une diode selon la présente invention! - la figure 3 est une coupe de la plaquette 5 de la figure 2 à un stade ultérieur de la fabrication de la diode* - la figure 4 est une vue en plan du dispositif de la figure 3* après formation de 1'ouverture! - la figure 5 est une coupe du dispositif de la figure 4 après croissance de la couche épitaxiale! 10 - la figure 6 représente le dispositif de la figure 5 après application d'une couche métallique de contact à la couche épitaxiale! - la figure 7 est une coupe partielle d'un ensemble de diodes selon la présente invention. 15 La figure 1 représente en coupe un ensemble de diodes à jonction PN réalisé selon un procédé classique. Selon ce procédé, un substrat semi-conducteur 2 de type N+, comporte des parties 4, 4' de couche de type N obtflnuespar croissance épitaxiale sur le substrat 2 et des parties 6, 6' de couche P+ 20 obtenues également par croissance épitaxiale sur les couchés 4 et 4'. Des jonctions PN 8 et 8' existent respectivement entre les couches épitaxiales 4, 6 et 4] 6'. Ces parties de couche constituent des diodes à jonction PN qui peuvent être obtenues en déposant tout d'abord une couche épitaxiale de type N sur 25 toute la surface de la couche N+ 2 et" en déposant une couche épitaxiale P+ sur toute la surface de la couehe N. Les mesas sont ensuite découpés par photogravure. Les diodes sont complétées par dépôt de couches métalliques!© et 10' au sommet des couches P+ supérieures respectivement 6 et 6'. On remarqué quë 30 les diodes mesas sont relativement hautes car les couchés P+ et N sont en saillie au-dessus du substrat initial 2. Comme on l'a vu précédemment, la hauteur relative de ; ces mesas rend difficile le problème du masquage pour l'application des couches métalliques supérieures sans formation de dépôts métalliques 35 latéraux qui risquent de court-circuiter les jonctions PN des diodes. Les diodes à jonction PN sont réalisées selon la présente invention (voir figure 2) à partir d'un substrat 69 19420 4 2018002 12 d'arséniure de gallium de type N+ sur lequel est déposé épitaxialement une couche 14 d'arséniure de gallium de type N„ La couche de type N peut être obtenue par croissance en phase gazeuze ou liquide. La couche de type N reçoit ensuite une 5 couche de passivation 16 par dépôt de nitrure de silicium,, Le nitrure de silicium peut avoir une épaisseur de- l'ordre de 800 A. La couche de nitrure de silicium peut être par exemple déposée par pyrolyse de silane et d'ammoniac dans un excès d'oxygène à une température de 875°C. Le nitrure de silicium 10 sert de base à la couche de passivation car il est plus résistant au décapage que la silice et également plus imperméable à la diffusion de zinc lorsque ce métal sert de dopant dans une couche d'arséniure de gallium. Comme illustré à la figure 3* une couche de silice 15 18 est déposée au-dessus de la couche de nitrure de silicium 16 par n'importe quel procédé classique. La couche de silice peut O avoir une épaisseur de l'ordre de 4000 A. La couche de silice est ensuite revêtue d'une couche de réserve classique (non représentée) telle que le KPR de 20 Kodak, qui est ensuite recouverte d'un masque (non représenté). Ce masque peut comporter une zone opaque octogonale pour la formation d'une ouverture de même forme dans la réserve photographique et les couches de passivation 16 et 18. Lorsque l'on désire réaliser un ensemble ordonné de diodes, le masque doit 25 présenter un motif correspondant de zones opaques octogonales Dans les techniques des rayons X on oriente le masque par rapport à la couche N de type 14 de manière que les côtés des octogones soient parallèles au plan (100) et (110) de la couche 16. Après exposition et développement de la réserve, 30 pour l'éliminer en dessous des zones sombres du masque, les couches de passivation 18 et 16 sont décapées jusqu'à la surface supérieure de la couche 14 de type N. La couche 18 de silice peut être décapée à l'aide d'une solution d'acide fluo-rhydrique tamponnée,alors que la couche de nitrure de silicium 35 peut être décapée à l'acide phosphorique bouillant. Une ou plusieurs ouvertures octogonales 20 sont ainsi pratiquées à travers les couches de passivation 16 et 18 jusqu'à la couche 14 de type N. çad original 69 19420 5 2018002 Après formation des ouvertures octogonales 20, une couche épitaxiale 22 d'arséniure de gallium de type P+ est obtenue par croissance au-dessus de la couche 14 d'arséniure de gallium de type N. On poursuit la croissante de la couche 22 jusqu'à une 5 épaisseur suffisante pour qu'elle dépasse légèrement au-dessus de la surface de la couche de silice 18. Son épaisseur peut être de l'ordre de 1 à 3^u, et de préférence de 1 à 2yu. Une jonction PN est établie entre les couches P+ et N. 10 La couche 22 de GaAs peut être obtenue en faisant passer des vapeurs de trichlorure de gallium, d'arsenic et de zinc en présence d'hydrogène gazeux sur la surface chauffée de la souche 14 de type N. Il est préférable de nettoyer la surface du substrat par un procédé quelconque, ne provoquant pas 15 de creusement sous les couches de passivation, avant de déposer l'arsénure de gallium. Un traitement au trichloréthylène ou à l'alcool bouillant a donné de bons résultats. Dans ces conditions, la croissance épitaxiale de la couche d'arséniure de gallium remplit complètement l'ouver-20 ture. Dans le cas d'une ouverture circulaire, les couches inférieures de matière déposée ne se conforment généralement pas à la forme circulaire de l'ouverture, du fait de sa Structure cristalline. Ultérieurement, lorsque le métal est déposé sur le dessus et les flancs de la mesa de GaAs, une certaine quantité 25 de métal peut s'infiltrer vers la base de la mesa entre le GaAs et les couches de passivation, risquant de court-circuiter la jonction PN de la diode. L'opération suivante du procédé de fabrication, consiste à déposer une couche métallique 24 au sommet de la 30 mesa 22 et également sur ses surfaces latérales autour de la surface adjacente de la couche de silice 18, (figure 6). Le fait que le revêtement métallique ne soit pas limité au sommet de la mesa, comme dans certains dispositifs obtenus par les procédés classiques, permet de disposer d'une surface de con-35 nexion plus importante pour les conducteurs, ce qui est avantageux au cours de la fabrication. La couche métallique 24 peut être déposée par évaporation sous vide d'argent pur sur toute la surface supérieure 69 19420 6 2018002 du dispositif, la partie indésirable de la couche d'argent étant ensuite éliminée par photogravure classique et traitement à la solution réductrice de Farmer. Le substrat doit être maintenu à une température d'environ 100° ou plus pendant le dépôt de l'argent. 5 Après dépôt et élimination partielle de la couche d'argent, le dispositif est soumis à un traitement de frittage à 400°C pendant 5mn sous atmosphère d'hydrogène. Il est ensuite refroidi brusquement puis réchauffé pendant 3 mn dans l'hydrogène. Bien que l'invention soit décrite et illustrée dans 10 le cas d'une diode unique, elle s'applique particulièrement bien à la réalisation d'ensembles ordonnés de diodes sur un substrat unique. Comme illustré à la figure 7* l'ensemble peut comprendre plusieurs mésas P+ 26 et 26' obtenus par croissance épitaxiale et surmontés de couches métalliques 28 et 28' sur leurs faces 15 supérieures et leurs surfaces latérales dépassant de la couche 18. Les diodes peuvent être connectées en parallèle ou selon tout autre mode en conservant des bandes de métal 30 au-dessus de la couche de silice 18 entre certaines diodes. Ces bandes métalliques 30 peuvent être obtenues simultanément et avec le même mas-20 que que celui qui a servi à la formation des couches métalliques 28 et 28'. L'invention décrite est suscrptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre. 69 19420 7 2018002 R_E_V_K_N_D_J_g_A_T_X_0_N_S 1 - Diode à jonction de semi-conducteurs, comprenant un substrat monocristallin d'arséniure de gallium semi-5 conducteur d'un certain type de conductivité dont l'une des faces est orientée dans le plan cristallographique (100), une mince couche de passivation en une substance isolante d'une épaisseur déterminée, déposée sur l'une des faces du substrat^ une ouverture étant pratiquée dans la couche de passivation jusqu'à la •j_0 surface du substrat, ladite diode étant en outre caractérisée en ce que I ouverture a la forme d'un octogone dont les côtés sont orientés selon les plans (100) et (110) du substrat, une couche épitaxiale d'arséniure de gallium de type de conductivité opposé à celle du substrat étant déposée à l'intérieur de l'ou-15 verture jusqu'à une épaisseur supérieure à celle de la couche de passivation de manière que les parois latérales de la couche d'arséniure de gallium dépassent au-dessus de la couche de passivation, une jonction PN étant formée entre le substra^et la couche épitaxiale. 20 2 - Diode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une couche de métal est déposée sur la face supérieure et sur les parois latérales de la couche épitaxiale dépassant au-dessus de la couche de passivation. 3 - Diode selon la revendication 1, caractérisée 25 en ce que la couche de passivation comprend line couche inférieure de nitrure de silicium et une couche supérieure de silice. 4 - Diode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche de passivation comprend une couche inférieure de nitrure de silicium et une couche supérieure de silice . 20 5 - Dispositif semi-conducteur du type compre nant un ensemble ordonné de diodes à semi-conducteurs du type mésa, disposé sur un substrat commun, ledit dispositif comprenant une couche de base en arséniure de gallium monocristallin d'un certain type de conductivité dont l'une des surfaces est orientée ^ dans le plan cristallographique (100), une mince couche de passivation constituée par une épaisseur prédéterminée de substance isolante, déposée sur ladite surface, un réseau ordonné d'ouverture 69 19420 8 2018002 étant pratiqué dans ladite couche de passivation, le dispositif étant en outre caractérisé en ce que les ouvertures ont la forme d'un octogone dont les côtés sont orientés selon les plans (100) et (110) du substrat, et en ce qu'une couche épitaxiale d'arséniure de gallium, du type de conductivité opposé est déposée sur la surface du substrat, à l'intérieur de chacune des ouvertures, jusqu'à une épaisseur supérieure à celle de la couche de passivation;, de manière que les parois latérales de chacune des couches épitaxiale dépassent partiellement au-dessus de la couche de passivation, les jonctions P-N étant formées entre le substrat et chacune desdites couches épitaxiales. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des diodes est revêtue d'une couche métallique sur sa face supérieure et la partie de sa surface latérale dépassant au-dessus de la couche de passivation. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins certaines des diodes sont interconnectées par des éléments métalliques déposés sur ladite couche de passivation. 8 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit métal est de l'argent.