Brevet FR2077474A1 — publié le 19711029

L'invention est relative à une diode à effet "tunnel" et temps de transit comportant une couche d'un premier matériau, semiconducteur, et un deuxième matériau formant avec l'une des faces de ladite couche un contact redresseur, l'autre face de la couche étant 5 en contact ohmique ou redresseur avec un troisième matériau. On connaît des diodes à effet "tunnel" à jonction qui sont utilisées en polarisation directe comme élément de commutation rapide ou comme élément à résistance différentielle négative peur l'amplification et la génération de signaux électriques jusque 10 dans le domaine des hyperfréquences. Dans ces modes de fonctionnement, la durée du transit des porteurs dans la zône désertée est considérée comme un phénomène parasite ou au moins secondaire. On connaît également des diodes à effet "tunnel" utilisées en polarisation directe ou inverse, au voisinage du "zéro" de la 15 caractéristique courant-tension, pour la détection et la conversion des signaux hyperfréquences. Dans ce mode de fonctionnement, le temps de transit des porteurs est encore considéré comme un phénomène parasite ou, au moins, secondaire. On connaît par ailleurs des diodes à barrière métal-semicon-20 ducteur utilisées pour leurs propriétés redresseuses analogues à celles des diodes à jonction. On connaît encore des diodes à résistance différentielle négative en hyperfréquences, mettant en oeuvre le phénomène d'avalanche qui résulte de l'ionisation par choc dans un semiconducteur et de 25 la durée du transit des porteurs dans une zûne désertée. Le fonctionnement;, commun à ces diodes, associe une émission de champ à la propagation des charges engendrées : si on superpose à la tension de polarisation inverse nécessaire au maintien du phénomène d'avalanche, une tension sinusoïdale, celle-ci accroît périodique-30 ment la densité de porteurs mobiles, avec un retard inhérent à la multiplication cumulative des charges. En raison du champ électrique élevé, ces porteurs se déplacent dans la zône désertee à une vitesse déterminée, indépendante du champ. Pendant toute la durée de leur transit, il circule dans 1- circuit extérieur un courant 55 induit par ces porteurs. L'instant moyen de passage de ce couranr, induit-est; donc décalé par rapport à l'instant où la tension atteint sa valeur maximale. Il existe une gamme de fréquences pour lesquelles ce déca- 7t . y % lage correspond à un déphasage compris entre ^ 2 ^aaians« 40 A ces fréquences, la partie réelle de l'impedance de la diode est COPY BAD ORIGINAL 69 44987 2 2077474 donc négative ; on dit que la diode présente une résistance différentielle négative. Ces diodes peuvent être à jonction ou à barrière métal-semiconducteur. On connaît également la diode objet de la publication de W.T. 5 READ (Bell Syst. Techn. Journal, vol. 57 Mars 1958, pp 401-446) dans laquelle le phénomène d'avalanche est aussi produit dans une jonction P-N de très faible épaisseur. Mais, ainsi qu'on le verra plus loin, la réalisation de la diode de READ présente des difficultés très importantes, ce qui explique que cette diode ne soit 10 pas encore industrialisée. Les autres diodes à avalanche sont de construction plus simple mais ne bénéficient généralement pas de la localisation de l'avalanche qui caractérise la diode de W.T. READ. Toutes les diodes à avalanche présentent en commun l'incon-15 vénient d'engendrer un bruit très important, inhérent au phénomène d'avalanche. On connaît enfin la diode à jonction à effet tunnel et temps de transit étudiée par V.K. ALADINSKII (Soviet Physics semiconduc-tors, Vol. 2 N° 5 Novembre 1968) et celle considérée par W.T. READ 20 dans sa publication sur la diode à avalanche (op. ci. p. 440). Ces diodes sont beaucoup moins bruyantes que les diodes semblables utilisant le phénomène à avalanche. Leur principe de fonctionnement est assez voisin de celui des diodes à avalanche, le mécanisme d'émission de champ étant iei l'effet tunnel. 25 La diode à effet tunnel et temps de transit objet de l'inven tion comportant une couche d'un premier matériau, semiconducteur, et un deuxième matériau formant avec l'une des faces de ladite couche un contact redresseur, l'autre face.de la couche étant en contact ohmique ou redresseur avec un troisième matériau, apporte 50 la solution de l'effet tunnel à la réduction du bruit et une facilité et une précision de réalisation que l'on ne rencontre pas dans les autres diodes associant l'effet tunnel au transit des porteurs et est remarquable en ce que ledit deuxième matériau est un métal formant une barrière métal-semiconducteur avec le pre-55 mier matériau telle que, polarisée dans le sens de non conduction, ladite barrière donne lieu à une émission de champ qui est l'effet tunnel. ' L'invention est encore remarquable en ce que la couche de matériau semiconducteur comporte un substrat de très forte concen-40 tration en impuretés et une couche épitaxiée de meme nature et de 69 44987 3 2077474 même type électronique que le substrat, ladite couche épitaxiée comportant deux zônes de concentration en impuretés différentes, la zâne de plus forte concentration de ladite couche épitaxiée étant en contact avec le deuxième matériau. 5 L'invention sera mieux comprise à l,aide des explications données à titre d'exemples et des figures ci-annexées. La Fig. 1 représente une diode à effet tunnel selon READ. La Fig. 2 représente une coupe schématique d'un premier exemple de réalisation d'une diode à effet tunnel selon l'invention. 10 La Fig. 3 représente une coupe schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'une diode à effet tunnel selon l'invention. La Fig. 4 donne l'allure du champ électrique E dans la diode de la Fig. 3. 15 Dans la diode objet de la publication de W.T. READ le phéno mène d'avalanche est produit dans une jonction P-N de très faible épaisseur, et les porteurs transitent dans une zône désertée adjacente, d'épaisseur telle que la durée du transit soit voisine d'une demi-période à la fréquence choisie pour le fonctionnement (cette 20 durée est égale au rapport entre l'épaisseur de la zâne de transit 1 —1 et la.vitesse des porteurs, de l'ordre de 10 cm.s ^). La Fig. l représente le profil de concentration en impuretés de la diode de READ. Les régions 1 et 2 constituent la jonction abrupte où est localisée l'avalanche, la région 3 est la zône de transit et la 25 région 4 un substrat semiconducteur dégénéré, d'épaisseur quelconque, qui sert de support. Le profil de concentration en impuretés détermine, avec la tension appliquée à la diode, la distribution du champ électrique dans les différentes z6nes. Or il faut que l'avalanche se limite 30 à une région aussi mince que possible, à la jonction entre les zûnes 1 et 2 et que le champ dans la zâne 3 soit suffisant (^- 10 V. cm"-1) pour que les porteurs y transitent à la vitesse limite, mais pas trop élevé pour que l'avalanche ne s'étende pas à cette ztne. Il en résulte que la réalisation d'une telle diode présente 35 des difficultés importantes. Un premier exemple de réalisation de diode selon l'invention (Fig. 2) comprend une lame de matériau monocristallin 2—p d'épaisseur totale 50 ^u. Une couche métallique 4 dépôt de titane de 0,1 ax recouvert d'or) est en contact ohmique avec le substrat semi-40 conducteur 3 en silicium de type n (matériau n+), (les zànes à 69 44987 4 2077474 indice + représentent des régions à très forte concentration en impuretés et les zônes à indice - des régions quasi intrinsèques). La zône 2 constitue une couche épitaxiée sur le substrat n+, de type n et de concentration en impuretés uniforme. 5 La zône 1, constituée par du platine, est déposée sur la zône 2 et forme avec cette dernière un contact redresseur. Une telle structure est utilisée dans le sens de non conduction de la barrière métal-semiconducteur : la zône désertée s'étend à toute la région 2 qui constitue la zône de transit des 10 charges. Si la concentration en impuretés de la zône 2 est suffisante, l'émission de champ est l'effet tunnel à travers la barrière constituée à l'interface entre 1 et 2. La fréquence de fonctionnement est déterminée à partir de 15 l'épaisseur de la zône désertée, par exemple 1 ^u à 100 GHz. Un autre exemple de réalisation (Fig. 3) comporte une lame de matériau semiconducteur monocristallin 2-3-4 d'épaisseur totale 50 yu. Une couche métallique 5 (dépôt de titane de 0,1 yu recouvert d'or) est en contact ohmique avec le substrat semiconducteur 20 4 en silicium de type n (matériau n+). Les zônes 2 et 3 constituent initialement une couche épitaxiée sur le substrat n+ de type n" et de concentration en impuretés uniforme. La zône 2 est ensuite différenciée de la zône 3 par diffusion d'impuretés de type n (par ex. phosphore), la zône 3 restant de 25 type n~. L'épaisseur des zônes 2 et 3 est respectivement de 0,2 et 4 y-U. La zône 1, constituée par du platine, est finalement déposée sur la ztne 2 et forme avec cette dernière un contact redresseur. Une telle structure est utilisée dans le sens de non conduc-30 tion de la barrière métal-semiconducteur. La zône désertée s'étend aux régions 2 et 3» Du fait des différences de concentration en impuretés entre les différentes zô-nes, le champ électrique E a l'allure représentée Fig» 4 en fonction de l'abscisse. 35 Lorsque la tension de polarisation inverse est suffisante, l'effet tunnel prend naissance à travers la barrière constituée à l'interface entre 1 et 2 ; les trous disparaissent immédiatement dans le métal 1 et les électrons transitent dans la zône 3> donnant naissance à un courant dans le circuit extérieur. 69 44987 5 2077474 Le matériau semiconducteur qui dans les exemples précédents est du silicium peut également être de l'arséniure de gallium. La différenciation des zônes 2 et 3 peut être obtenue comme il a été signalé dans l'exemple par diffusion, mais aussi par im-5 plantation d'impuretés par bombardement ionique, et par variation de la concentration en impuretés lors de l'épitaxie, suivant des techniques en soi connues. Les diodes objet de l'invention sont susceptibles des mêmes applications que les diodes à avalanche et temps de transit anté-10 rieurement connues et elles permettent d'atteindre des domaines de fréquences difficilement accessibles aux diodes à avalanche : fréquences supérieures à 50 GHz. 69 44987 6 2077474 REVEND! GATT OH.S 1 - Diode à effet tunnel et temps de transit, comportant une couche d'un premier matériau, semiconducteur, et un deuxième matériau formant avec l'une des faces de ladite couche un contact redres- 5 seur, l'autre face de la couche étant en contact ohmique ou redresseur avec un troisième matériau, caractérisée en ce que ledit deuxième matériau est un métal formant une barrière métal-semiconducteur avec le premier matériau telle que, polarisée dans le sens de non conduction, ladite barrière donne lieu à me émission de champ 10 qui est l'effet tunnel, 2 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau semiconducteur comporte un substrat de très forte concentration en impuretés et une couche épitaxiée de même nature et de même type électroni- 15 que que le substrat et de concentration en impuretés uniforme, le contact avec le deuxième matériau étant réalisé sur la face épitaxiée . 3 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant "la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau semiconduc- 20 teur comporte un substrat de très forte concentration en impuretés et une couche épitaxiée de même nature et de même type électronique que le substrat, ladite couche épitaxiée comportant deux ztSnes de concentration différente en impuretés, la zône de plus forte concentration de ladite couche épitaxiée étant en contact avec le 25 deuxième matériau. 4 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le semiconducteur est le silicium et que les deuxième et troisième matériaux sont constitués par le même métal. 30 5 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le semiconducteur est de l'arséniure de gallium et que les deuxième et troisième matériaux sont constitués par le même métal. 6 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendi-35 cation 1, caractérisée en ce que le contact entre le premier matériau, semiconducteur, et le troisième est une barrière métal-semiconducteur, polarisée dans le sens direct. 7 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau semiconduc- 40 teur comporte une zône différenciée de forte concentration en 69 44987 7 2077474 impuretés formant un contact ohmique avec le troisième matériau. 8 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la zône de plus forte concentration en impuretés de la couche épitaxiée est une couche diffusée. 5 9 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendication caractérisée en ce que la zône de plus forte concentration en impuretés de la couche épitaxiée est une couche à impuretés implantées par bombardement ionique. 10 - Diode à effet tunnel et temps de transit, suivant la revendi-10 cation 3, caractérisée en ce que les deux zônes de concentration en impuretés différente de la couche épitaxiée sont des zônes obtenues par variation de la concentration en impuretés lors de l'épitaxie.