Brevet FR2077863A1 — publié le 19711105

".*****' ' '^,7..-: -. ..." ... ! |- 70 05950 -1- 2077863 La présente invention est relative à des diodes semieonduc-trioes dans la masse de leur structure, faites en un matériau dont là conductibilité est du genre couramment appelé "à deux vallées", comportant deux contacts oh miques et utilisables pour ob-5 tenir un effet d'ampification dans une large bande de fréquences située dans la gamme des hyperfréquences. Depuis l'observation par le physi&en J.B. GUNN de phénomènes à très haute fréquence apparaissant dans des diodes à effet de masse ne comportant pas de jonction et dont l'auteur a fait état en 10 1963 dans la revue "Solid State Communications", volume 1, page 88, de nombreux travaux ont été effectués dans 1^domaine de l'utilisation de diodes de ce genre à la production et à l'amplification de signaux à hyperfréquence. Une série d'articles consacrés à cette nouvelle famille de 15 dispositifs semiconducteurs connus sous des noms divers tels que : diodes à effet Ounn, dispositifs à effet de masse, dispositifs à deux vallées, a paru dans le numéro de Janvier 1966 de "IEffiTransactions on Electron Devices", Volume ED 13, n° l, et traite de leur utilisation dans des dispositifs oscillateurs et amplifica-20 teurs à hyperfréquence ; un modèle particulier d'amplificateur est décrit dans l'article intitulé "Microwave Amplification in GaAs Bulk Semieonductor", de Messieurs H.W. THIM et M.R. BARBER, pages 110 à 114. Le fonctionnement d'un tel amplificateur est basé sur l'utilisation de monocristaux d'arséniur.e de gallium assez faible-25 ment dopés, dont la résistivité est comprise, par exemple, entre 10i\cm et 120jfvcm, et d'une longueur telle que le produit du nombre n de porteurs par centimètre cube du matériau utilisé, par la longueur L de la diode, ne dépasse pas une valeur d'environ 5.IO11 -2 cm . Une diode de ce genre est couramment qualifiée "sous-criti-30 que" du fait que l'ensemble de ses caractéristiques ne lui permet pas d'osciller, par formation et déplacement de domaines, à la façon des diodes à effet Gunn. Un tel amplificateur, du fait de la résistivité du cristal et de la valeur maximale faible du produit n.L ne peut amplifier que des signaux très faibles et ne permet 35 pas de recueillir à la sortie du montage une puissance hyperfré-quence intéressante : les résultats cités par les auteurs sont 20 dB au-dessous d'un milliwatt pour un échantillon dont le cristal avait une résistivité de 40JVcm et 4 dB au-dessous d'un milli- . watt pour un échantillon dont le cristal avait une résistivité de 40 120A.CŒ. CAD ORIGINAL 70 05950 2077863 D'autres circuits amplificateur» utilisant des diodes semi- - i conductrices à deux vallées sont décrits dans le brevet français 1 5%9 329 j leur fonctionnement est très différent de celui des amplificateurs mentionnés dans l'article précité du fait que la 5 diode, ou les diodes utilisées, sont d'un type couramment qualifié "sur-critique" correspondant aux diodes auto-relaxatrlees à formation et à propagation de domaine (diodes à effet Gunn) et, en même temps que l'on obtient un effet d'amplification, la diode utilisée est (les diodes utilisées sont) en état d'oscillation à une 10 fréquence supérieure à la fréquence du signal à amplifier. Les amplificateurs dans lesquels la diode amplificatrice est elle-même en état cf' oscillation pour présenter une résistance négative nécessaire à l'amplification du signal appliqué présentent des inconvénients notables : ils sont compliqués du fait qu ril est 15 nécessaire d'aménager deux circuits hyperfréquençe distincts, un circuit pour l'oscillation de la diode et un circuit pour le signal incident ; il est nécessaire d'assurer une séparation haute fréquence efficace entre les deux circuits précités pour éviter qu'un signal à la fréquence de l'oscillation locale apparaisse dans 20 le signal amplifié ; ia linéarité d'un tel amplificateur n'est pas bonne ; la bande de fréquences à l'intérieur de laquelle il est utilisable est plutôt réduite et des phénomènes de saturation, limitant l'amplitude du signal incident qui peut être appliqué à l'entrée de l'amplificateur ainsi que celle du signal amplifié, ap-25 paraissent très tôt. Le but de l'invention est de fournir une diode semiconductri-ce de caractéristiques améliorées, dont .la résistivité est du même ordre que celle des diodes auto-relaxatriées à formation et à • propagation de domaine, pouvant être utilisée en amplificatrice 30 sans être cependant en état d'oscillation. L'invention est basée sur la considération qu'une diode semi-conductrice combinant les possibilités amplificatrices des diodes auto-relaxatrices à formation et à propagation de domaine, sans avoir pour cela de tendance à osciller, est apte à fonctionner en 35 amplificatrice de façon améliorée en évitant les inconvénients spécifiques des amplificateurs connus. ! Les diodes amplificatrices semiconductrices selon l'invention sont notamment remarquables en ce que la densité de porteurs du matériau semiconducteur constituant la partie active de la diode 40 évolue de façon sensiblement régulière, sans changements impor- SAD ORIGNAL 70 05950 2077863 tants dans l'allure générale de la variation de la zone que l'on peut considérer comme étant au même potentiel que le contact de cathode à la zone que l'on peut considérer comme étant au même potentiel que l'anode de ladite diode, la densité de porteurs 5 étant plus élevée du côté "cathode" que du côté "anode". Une telle répartition de la densité de porteurs dans le matériau semiconducteur de la partie active des diodes selon l'invention empêche la formation de domaines au voisinage de la cathode et permet d'utiliser en amplificatrices, sans oscillations pa-10 rasites dues à l'effet Gunn, des diodes dont la résistivité moyenne du matériau correspond à une valeur favorable à l'obtention d'un niveau de puissance raisonnablement élevé pour le signal amplifié, en utilisant un montage simple et en autorisant un bon fonctionnement du montage amplificateur dans une large bande de 15 fréquences, notamment dans la gamme des hyperfréquenees. La puissance de sortie d'une diode amplificatrice selon l'invention atteint facilement 100' m¥, soit + 20dB mW, ce qui est intéressant et beaucoup plus élevé--que ce qui peut être obtenu avec une diode amplificatrice sous-critique, accompagnée de gains at-20 teignant 40 décibels. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment 1'invention peut être réalisée et mise en oeuvre. La Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un exemple de 25 forme de réalisation de diode selon l'invention. La Fig. 2 est un graphique représentant un exemple de courbe de répartition de la densité de porteurs dans la partie active d'une diode selon l'invention. La Fig. 3 est un exemple schématique de forme de réalisation 30 d'un amplificateur à large bande mettant en oeuvre une diode selon l'invention. La diode représentée schématlquement sur la Fig. 1 comporte une couche active 10 constituée par un dépôt épitaxique d'arséniu-re de gallium effectué sur un substrat îl formé d'un monocristal 35 d'arséniure de gallium très fortement dopé, de conductivité N. Le substrat 11 constitue en fait une électrode de contact ohmique vis-à-vis de la couche épitaxique 10 et la prise de contact sur le substrat est assurée par l'intermédiaire d'une couche métalli-. que 12 d'alliage or-germanium. Selon l'exemple représenté, le se-40 cond contact sur la partie active 10 de la diode est effectué par BAD ORIGINAL 70 05950 2077863 une couche 13 d'alliage or-germanium déposée sur la couche 10 par évaporation ët condensation sous vide. De façon également connue, le second contact sur la partie active de la diode, partie correspondant à la couche 10, peut" être effectué par l'intermédiaire 5 d'une couche d'arséniure de gallium fortement dopée N, déposée par épitaxie sur la couche 10 et supportant une couche d'alliage or-germanium. Sur le graphique de la Fig. 2, la valeur de la concentration des porteurs dans la couche 10 est portée en ordonnées en fonc-10 tion de la position transversale du plan auquel appartient le point considéré, portée en abscisses. Sur ce graphique, le point 22 correspond au début de la couche 10 vers la gauche et au plan 1"4 constituant la délimitation entre la couche de contact 13 et . 1a couche active 10 ; le point 23 correspond à la fin de la cou-15 che 10 vers la droite et au plan 15 constituant la délimitation entre la couche active 10 et le substrat très fortement dopé--ll. Selon 1'invention, la concentration n^ de porteurs au niveai du plan 14 est plus élevée que la concentration n de porteurs a au niveau du plan 15, le plan 14 correspondant au côté cathode 20 de la couche active 10 et le plan 15 correspondant au côté anode de ladite couche active. La concentration moyenne des porteurs dans la partie centrale de la couche active des diodes selon l'invention peut va- 15 i 6 rier, par exemple, entre environ 1.10 et 1.10 par centimètre 25 cube, la concentration des porteurs et la longueur de la partie active devant satisfaire à la relation constituant le critère des diodes sur-critiques. r N. i —2 n . L > 10 cm . ' O Pour une mobilité de porteurs d'environ 7 OOO cm /Vs, la 30 résistivité moyenne correspondante de la partie active est de l'ordre de 0,1 à-1 ohm cm. Pour obtenir un fonctionnement stable en amplificatrices des diodes selon l'invention, la différence nécessaire de concentration des porteurs entre la région cathodique de la partie 35 active de la diode et la région anodique de ladite partie active dépend notamment de la longueur de la diode, la différence de concentration pouvant être plus faible dans le cas d'une diode très courte (4.10yum). A titre indicatif, il est possible d'obtenir un fonctionnement stable pour un rapport n^/na compris 40 entre 1,1 et 3,0, les rapports les plus élevés convenant parti- BAD ORIGINAL y 70 05950 -5- 2077863 culièrement dans le cas de diodes relativement longues (>30ytim par exemple). Sur la Fig. 2, la courbe 24 représentant la variation de la concentration entre le plan 14 ét le plan 15 est presque rectili-5 gne : cet exemple ne constitue qu'un cas particulier, la variation devant être sensiblement régulière et ne pas comporter d'écarts importants susceptibles de contrarier le mécanisme d'inhibition de la formation de domaines résultant de la variation globale de concentration, objet de l'invention. 10 En inversant la polarité de la tension appliquée sur une dio de selon l'invention, il est possible de l'utiliser en diode os-cillatrice à effet Gunn. Le montage amplificateur à large bande, très simple, représenté sur la Fig. 3, est composé de 3 éléments principaux qui 15 sont : un circulateur à trois voies 31, une ligne coaxiale 32 vue en coupe partielle et une diode semiconductrice selon l'invehticn 33. Le sens de circulation de l'énergie à hyperfréquence dans le circulateur 31 est indiqué par la flèche 34, tournant en sens inverse du sens horaire. Une première voie coaxiale 35 du circula-20 teur 31 est utilisée pour appliquer au montage le signal à amplifier. Une seconde voie coaxiale dudit circulateur, dans le sens de circulation de l'énergie, correspondant au repère 36, est utilisée pour raccorder la li'gne coaxiale 32 au circulateur 31. La voie 36 a été grossie pour rendre la figure plus claire. La ligne 25 coaxiale 32 est composée d'un conducteur extérieur 371 représenté en coupe pour permettre de voir le conducteur intérieur 38 coopérant ave"e le conducteur 37* La ligne coaxiale 32 est fermée à son extrémité par un fond 39 supportant la diode 33 et' en contact avec une de ses- bornes, la seconde borne de ladite diode étant en con-30 tact avec le conducteur central 38. Le conducteur extérieur 37 de la ligne coaxiale est relié à une masse 40. La troisième voie coaxiale 4l du circulateur est utilisée pour recueillir le signal amplifié. Le conducteur central 42 de la première voie 35 est porté à une tension continue appropriée 35 par rapport à la masse 40 par l'intermédiaire d'une inductance d'arrêt 43 aboutissant à une borne 44. La tension appliquée sur la borne 44 constitue la polarisation de la diode 33. Le signal à amplifier est appliqué sur une borne d'entrée 45 couplée avec le conducteur 42 par un condensateur 46. BAD ORIGINAL 70 05950 "6" 2077863 • La troisième voie coaxiale 4l comporte un conducteur axial 47 relié à une résistance de charge 48 par un condensateur 49, là deuxième extrémité de la résistance de charge 48 aboutissant à la masse 40. D'une façon connue, le signal à amplifier appliqué 5 à la diode 33 par la ligne 32 donne lieu à un signal réfléchi qui constitue lë " signal amplifié et qui est recueilli aux bornes de la résistance de charge 48. En fonction de la qualité de l'adaptation des caractéristiques de la diode 33 au circuit amplificateur, le gain obtenu peut 10 varier de façon importante, entre 10 décibels et 40 déciMs par exemple. *~ Les diodes selon l'invention ont une.courbe caractéristique I = f (V) qui n'est pas linéaire et qui présente, après une première partie rectiligne à résistance constante, une seconde par-15 tie à pente plus faible, voire horizontale, ou à pente légèrement descendante. La transition entre les deux parties de,la caractéristique correspond au seuil de transfert des électrons de la vallée inférieure de conduction à une vallée supérieure. Il est généralement avantageux de polariser les diodes selon l'invention 20 sous une tension continue égale à deux à trois fois la valeur dû seuil de transfert. Les diodes amplificatrices selon l'invention peuvent être utilisées, à l'aide du montage décrit, dans une très large gamme de fréquences, par exemple entre 7 GHz et 20 GHz, et l'on peut 25 généralement, pour une fréquence donnée, obtenir un maximum d'am-'' plification par ajustement de la tension d'alimentation, une diminution de la tension d'alimentation favorisant habituellement l'amplification des fréquences les plus élevées _ gamme et une augmentation de la tension favorisant habituellement l'amplifica-30 tion des fréquences situées dans le bas de la'gamme. ©AD ORIGINAL 70 05950 -7- 2077863 REVENDICATIONS 1. Diodes semiconductrices dans"la masse de leur structure, faites en un matériau dont la conductibilité est du genre couramment appelé "à deux vallées", comportant deux contacts ohmiques 5 et utilisables pour obtenir un effet d'amplification dans une large bande de fréquences située dans la gamme des hyperfréquen-ces, caractérisées en ce que la densité de porteurs du matériau semiconducteur constituant la partie active de la diode évolue de façon sensiblement régulière, de la zone que l'on peut consi-10 dérer comme étant au même potentiel que le contact de cathode à la zÔne que l'on peut considérer comme étant au même potentiel que l'anode de ladite diode, la densité de porteurs étant plus élevée du côté "cathode" que du côté "anode". 2. Diodes semiconductrices selon la revendication 1, caracté-15 risées en ce que le matériau semiconducteur est de l'arséniure de gallium GaAs. 3. Diodes semiconductrices selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisées en ce que la concentration moyenne des porteurs dans la partie centrale de la couche active desdites diodes 20 est comprise entre 1,0 x 10 et 1,0 x 10 par centimètre cube, limites inclues. 4. Diodes semiconductrices selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisées en ce que le rapport n^/na de la densité des porteurs à proximité immédiate du contact cathodique dans 25 la partie active de la diode à la densité des porteurs à proximité immédiate du contact anodique dans ladite partie active est compris entre 1,1 et 3j0, limites inclues.