Brevet FR2050207A1 — publié le 19710402

f2050207 La présente invention concerne un dispositif électronique semiconducteur, comportant une ou plusieurs couches cristallines déposées par épitaxie sur un substrat sensiblement monocristallin fait d'une matière composée d'un élément de la colonne III de la 5 classification périodique des éléments et d'au moins un élément de la colonne V. les matériaux semi-conducteurs pouvant être obtenus avec une pureté suffisante, et couramment utilisés jusqu'ici, se présentent «n choix limité et ne réunissent pas toujours l'ensemble des quali-10 tés requises dans chaque application, en particulier dans le domaine de l'électr©luminescence et dans celui des hyperfréquences;par exemple, l'éleetroluminescenee de l'arséniure de gallium, utilisé dans de nombreux dispositifs de caractéristiques par ailleurs intéressantes, est d'une longueur d'onde trop grande pour être visi-15 ble. D'autres semi-conducteurs présentent des largeurs de bande interdite qui diminuent leur intérêt dans les très hautes fréquences ou aux températures élevées» D'autres ont une masse électronique effective élevée et la mobilité électronique insuffisante qui en résulte ne permet pas leur utilisation dans des dispositifs à très 20 haute fréquence. On pallie les inconvénients des limites de caractéristiques de ces matériaux et on obtient des combinaisons de caractéristiques mieux appropriées en réalisant des dispositifs composites par dépôt épitaxique d'un matériau semi-conducteur sur un monocristal ©u 25 substrat fait dfune autre matière. Cette méthode fait appel à des techniques &'épitaxie à partir d'une phase vapeur ou à partir d'une phase liquide. DanB les procédés en phase vapeur qui exigent des conditions de * températures et de pressions précises et stables, il est souvent 30 difficile de maîtriser les caractéristiques du dépôt. Dans le cas de dispositifs fonctionnant à très haute fréquence, certains procédés d*épitaxie en solution liquide présentent de gros avantages,en supprimant notamment les problèmes dus aux pressions partielles des composants. 35 la présente invention a pour but d'assurer la réalisation de dispositifs semi-conducteurs présentant un choix de qualité permettant leur utilisation, & très haute fréquence ou à température élevée,et notamment comme dispositifs électroluminescents, susceptibles d'être élaborés sans difficulté technologique particulière ,no-40 tamment par dépôt épitaxique en solution sur un substrat adéquat. 69 22193 -2- = 2050207 L'invention est basée sur la considération de la similitude de structure et de dimensions de maille cristalline, entre certains composés ternaires semi-eondueteurs et certains composés binaires semi-conducteurs connus, couramment utilisés, en particulier les 5 arséniure et phosphore de gallium. . Un dispositif électronique semi-conducteur selon 1* invention,comportant une ou plusieurs couches déposées par épitaxi* sur un substrat monocristallin fait d'une matière composée d'un élément de la colonne III de -la classification périodique des■éléments et 10 d'au moins un élément de la colonne 7, est remarquable «n ce que la matière déposée par épitaxie est composé» d'un élément du groupe comprenant le magnésium, le cadmium et le zinc, d'un élément du groupe comprenant le silicium, le germanium et l'étain, et d'un élément du groupe comprenant 1 ' arsenic et le phosphore, ledit der-15 nier élément étant en proportion atomique égale à celle de l'ensemble des deux éléments précédents qui sont en proportions égales. La matière déposée par épitaxie pour former le dispositif selon l'invention et qui répond à la formule générale (A) II (B) IV (0g) Y, possède une structure et mie vaille cristallines très voi-20 sine s de celles des composés cornus répondant à la formule générale (A) III (B) Ya Le dépôt épitaxique de ces composée n'offre pas de difficulté particulière, les températures de fusion n'entraînent pas des pressions de vapeur élevées, les opérations d'épitaxie en phase liquide en sont facilitées. 25 L'ensemble des composés ternaires sélectionnés selon l'invention, pour être déposés par épitaxie offre large choix de propriétés électroniques utiles. Certains ont vxlC masse électronique effective très faible, leur mobilité électronique est élevée, ce qui permet d'envisager les utilisations en fcyperfréquaaee. 30 Des composés ternaires sélectionnés selon l'invention ont une largeur de bande interditeImportante, dépassant pour certains 2eV, et une structure de bande directe, ©es deux facteurs permettant d'obtenir une électrolumineseence dans le spectre visible, avec un bon rendement quantique. 35 D'autre part, les composés ternaires choisis selon l'invention ont un degré de symétrie cristalline plus faible que les composés t xxt ir (A) (B) de propriétés voisines : 1'anisotropie des propriétés est plus marquée et permet de réaliser des dispositifs de structure adaptés à des effets spéciaux orientés, par exemple en hyper-40 fréquence. 69 22193 -3- s 2050207 La description qui va suivre donne des exemples de dispositifs selon l'invention et fera bien comprendre comment celle-ci peut être réalisée. La figure 1 est une coupe schématique d'une diode électrolumi-5 nescente selon l'invention. La figure 2 est une coupe schématique d'une diode à capacité variable conforme à l'invention. La figure 3 est une coupe schématique d'une diode du type dit Schottky, conforme à l'invention. 10 La diode électroluminescente représentée sur la figure 1 com prend un substrat 1, par exemple d'arséniure de gallium, fortement dopé ,sur lequel ont été déposées, de préférence par uh procédé d*épitaxie en solution, une première couche 2 d'un composé tel que le phosphore de cadmium et de silicium Cd Si ou l*arsé-15 niure de zinc et de silicium Zn Si Aé ^ même type de conduc-tivité que le substrat avec une concentration plus faible d'impuretés, et une seconde couche 3 du même composé, mais avec un dopage lui donnant le type de conductivité opposé et créant une jonction p/n 4 entre les deux régions 2 et 3. 20 Des électrodes de contact ohmique sont prévues en 5 sur le substrat et en 6 sur la couche superficielle 3 et permettent d'appliquer à la jonetion 4 une tension dans le sens direct qui est 1er sens indiqué sur la figure dans le cas où la région 2 est de type n et la région 3 de type p. La face portant l'électrode 6 est 25 ici la face émissive, mais la forme de la diode décrite ci-dessus n'est pas limitative. Le rayonnement émis par la diode représentée figure 1 est situé dans la partie visible du spectre et le rendement quantique % interne est maximal. . 30 La diode représentée sur la figure 2 est formée d'un substrat 11, par exemple d'arséniure de gallium de type n fortement dopé, sur lequel a été déposée par épitaxie une couche 12 de même type de conductivité, mais non dopée, d'une matière choisie selon l'invention parmi les composés (A) ^ ( B) (Cg) Un eontaet ohrai-35 que-, . est prévu en 13 sur le substrat 11. Un métal, formant avec la couche épitaxiale 12 une barrière dite de Schottky est déposée en 14 sur la couche 12. Une telle structure peut être adoptée pour la réalisation de dispositifs hyperfréquence utilisés par exemple dans des amplificateurs paramétriques. 22193 I ^ MU 12050207 La structure du dispositif représenté sur la figure 3 fait appel également à une jonction métal-semi-conducteur. Le dispositif comporte une couche 22 conforme à l'invention déposée épitaxiale-ment sur'an substrat semi-isolant 21, par exemple une couche dîarséniure de germanium et de zinc sur un substrat d'arsénium de gallium semi-isolant. Une couche métallique 23 est déposée localement, par évaporation, sur la couche 22 pour créer la jonction, ïïh contact ohmique est pris en 24. Dans d'autres dispositifs selon l'invention, la couche de composés (A)^ (B) (Cg) 7 est déposée sur un substrat de type de conductivité opposé . Les différents composés ternaires utilisés selon l'invention, peuvent être dopés avec différentes impuretés leur donnant le type de conductivité n ou p selon les cas. Cette possibilité entraîne celle de la réalisation de jenstion p/n au siein de la couche épitaxique. _ ' Les dispositifs selon l'invention Boni réalisés par les méthodes classiques dsépitas±e, de préférence par l«s méthodes d*épitaxie en solution en phase liquide, le solvant étant par exemple 1 'étain ou l'un des éléments II ou IV du composé épitaxié, le plomb ou le bismuth. 69 22193 -5- -KMBNDIgATIOHS- 1.- Dispositif électronique semi-conducteur comportant une ou plusieurs couches cristallines déposées par épitaxie sur un . substrat sensiblement monocristallin fait d'une matière composée d'un élément de la colonne III de la classification périodique 5 des éléments et d'au moins un élément de la colonne Y, caractérisé en ce que la matière déposée par épitaxie est composée d'un élément du groupe comprenant le magnésium, le cadmium et le zinc, d'un élément du groupe comprenant le silicium, le germanium et l'étain, et d'un élément du groupe comprenant l'arsenic et le phos 10 phore, ledit dernier élément étant en proportion atomique égale à celle de l'ensemble des deux éléments précédents qui sont en proportions égales. 2.- Dispositif selon la revendication 1, comprenant au moins un substrat fortement dopé, une première couche épitaxique de même 15 "type de conductivité et une seconde couche épitaxique de type de conductivité opposé. 3.- Dispositif selon la revendication 1, comprenant au moins un substrat fortement dopé, une couche épitaxique de même type de conductivité et une couche métallique. 20 4.- Dispositif selon la revendication 1, comprenant au moins usi substrat semi-isolant, une couche épitaxique et une couche métallique. 5«- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le substrat est en arséniure de gallium. 25 6.- Procédé de réalisation d'un dispositif selon la revendica tion 1 par épitaxie en solution liquide, le solvant étant pris » dans le groupe comprenant l'étain, le zinc, le cadmium, le silicium, le germanium, le plomb, le bismuth.