Brevet FR2181466A1 — publié le 19731207

L'invention se rapporte aux diodes à effet GUNN utilisées comme oscillateurs à très haute fréquence par exemple à 10 gigahertz. Elle a pour objet la réalisation d'une structure favorable à la réduction du bruit de modulation de fréquence de tels oscillateurs. On sait en effet que le bruit est très zonant pour certaines applications comme les radars DOPPIER. En ce cas, en effet, par suite de la présence, dans le spectre de bruit, de termes en I/F, les basses fréquences sont défavorisées ; en particulier les fréquences de battement des porteuses sont affectées d'un bruit excessif qui limite la sensibilité des radars DOPPLER utilisant des diodes à effet GUNN. Il est vrai que I on est parvenu à diminuer le bruit dans les oscillateurs GUNN en couplant ces derniers à des cavités résonnantes à forte surtension. Mais celles-ci nécessitent des volumes relativement grands, ce qui est une cause d'encombrement, et, en outre, elles occasionnent une certaine perte de puissance pouvant atteindre les 9/10 de la puissance disponible. L'invention remédie à ces inconvénients. La diode GUNN selon l'invention est du type comportant un bloc de matériau semiconducteur (arséniure de gallium de préférence) dopé de façon à présenter un certain type de conductivité, par exemple N, et deux contacts ohmiques séparés l'un de l'autre par une certaine étendue de surface latérale dudit bloc. Elle est caractérisée en ce que sur ladite surface latérale est appliqué, à l'aide d'une électrode auxiliaire, un potentiel négatif par rapport au point du bloc qui possède le potentiel le plus bas (cas de la conductivité de type N). L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des dessins annexés, parmi lesquels Les figures 1 et 2 illustrent le principe de l'invention. Les figures 3, 4 et 5 sont des coupes d'un dispositif selon l'invention représentant trois étapes de sa fabrication La figure 6 est une coupe d'une variante de l'invention. On a représente' en coupe, figure 1, un bloc parallélépipédique d'arséniure de gallium monocristallin, dopé N, Sur deux faces opposées de ce bloc, on a formé des contacts ohmiques (par exemple alliage d'or et de AsGa dopé N++). Des électrodes 4 et 5 sont soudées sur ces contacts ohmiques ; elles servent en meme temps de bornes d'alimentationenen courant continu et de connexions avec les dispositifs haute fréquence. Au sein du matériau 1, les porteurs de charge se déplacent en moyenne du ptle + vers le pdle - en ce qui concerne les "trous",et en sens inverse pour les électrons, ici seuls représentés. Sur la surface latérale (6, 7) des porteurs de charge (8, 9) sont alternativement retenus et libérés d'une façon aléatoire par suite de la formation bien connue de "pièges" superficiels temporaires. On admet généralement que le bruit des oscillateurs à effet GUNN est dt à la fluctuation relativement lente du nombre des porteurs de charge par suite du phénomène qui vient d'être décrit. On se placera, ci-après, dans le cas où les porteurs de charge sont des électrons. Dans le cas inverse, les charges sont positives et les tensions à appliquer doivent être changées de signe. Le principe de l'inventionconsiste à éloigner les porteurs de charge de la surface latérale du semiconducteur. A cet effet, (figure 2), on ajoute des électrodes 21 et 22 recouvrant à elles deux la surface latérale et portées à un meme potentiel continu, tel qu'il y ait une différence de potentiel négative -V entre ltélectro- de 21 (ou 22) et l'électrode 4 (-). A titre d'ordre de grandeur usuel, on a indiqué - 10 volts correspondant à un exemple d'application cité plus loin. Dans ces conditions, il se forme un canal conducteur C séparé des électrodes 21 et 22 par une zone déserte Z.La largeur w do cette zone est donnée par la formule bien connue avec e : constante diélectrique du semiconducteur, q : charge électrique de l'électron, N : nombre de porteurs de charge libres par unité de volume. En pratique, les électrodes 21 et 2k sont de simples dépits de métal conducteur obtenus, par exemple, par ivaporation sous vide d'aluxinium, Ces électrodes sont portées à un potentiel négatif et jouent le rôle de barrière de SCHOITKY, Les ordres de grandeur sont par exemple les suivants : N = 1015 électrons par cm3, V = 10 volts, d (distance entre contacts ohmiques) = 10 microns, W = 3 à 5 microns, pour une différence de potentiel de 20 volts entre l'électrode 21 (- 10 volts) et l'électrode 5 (+ 10 volts). Dans un premier mode de réalisation, on part d'un substrat 31, (figure 3) en arséniure de gallium fortement dopé NS, présentant une faible résistance ohmique (résistivité de tordre de 1/1000 ohm-cm) et une épaisseur D d'une centaine de microns. Sur le substrat 31, on dépose, par épitaxie, une couche 32 d'arséniure de gallium dopé N (résistivité de l'ordre d'1 ohm-cm) d'épaisseur d = 10 microns. On forme ensuite les contacts ohmiques 33 et 34, par exemple par dépôt épîtaxique d'une couche mince d1arséniure de gallium très fortement dopé N++ puis par dépôt d'une couche d'alliage or-germanium, la formation du contact ohmique étant achevée par un traitement thermique. C1 est la première étape. En deuxième étape, on recouvre,le contact 33 d'une couche de protection contre les agents chimiques, par exemple en résine synthétique et on procède à une gravure du type "mesa" de manière à entamer la couche 32 sur sa périphérie, On obtient ainsi une surface de raccordement entre le substrat 31 et 11 électrode 33 dont le profil est donné par la courbe 32t ou 322 dela figure 4. En troisième étape, on dépose une couche de métal conducteur 51 sur toute la surface de raccordement, à l'exception de bandes d'épargne, isolant le contact ohmique 33 et le dépit 51, d'une part, le substrat 31 et le dépôt 51, d'autre part. Une connexion 511 est sou dée à la couche 51 pour permettre la mise sous tension. Enfin, pour faciliter la dissipation thermique, on soude la diode par son élec trode 34 (côté substrat) sur une plaque de cuivre 50 ou de tout au trc matière bonne conductrice de la chaleur et de l'électricité. Selon un autre mode de réalisation, la diode est réalisée en partant d'un substrat 60 en matériau semiconducteur semi-isolant. Une couche 61 de matériau semiconducteur dopé N est déposée sur le substrat 60. Deux contacts ohmiques 62 et 63 séparés par une distance d de l'ordre de 10 microns sont formés sur la couche 61. Une électrode 64 est alors déposée sur la couche 61, de façon à recouvrir la surface séparant les deux contacts ohmiques, sans les courtcircuiter. Enfin, ltensemble est soudé sur une plaque 65 en matériau bon conducteur de la chaleur. Le fonctionnement de la diode est analogue à celui du dispositif représenté figure 2. Les porteurs de charge circulant entre les contacts ohmiques portés à des potentiels différents sont repoussés par ltélectrode 64 polarisée négativement et constituant une barrière de SCHOTI1ICY. Ils ne sont donc pas piégés de façon aléatoire par la surface de séparation entre le cristal et 11 air ambiant. Tous les exemples décrits et représentés sont aussi valables, dans le cadre de l'invention, en remplaçant le dopage de type N par un dopage de type P ; en ce cas, les sens des tensions et des polarités sont à inverser. L'invention s'applique aux montages utilisant,soit des oscillateurs à effet GUNN, soit des tubes à modulation de vitesse du type klystrons "réflex" de faible puissance, ainsi qu'aux radars DOPPIER de petite puissance. REVEN#l CATI 0N# 1. Diode à effet GUNN à faible bruit, du type comportant un bloc (1) de matériau semiconducteur dopé de façon à présenter un type de conductivité N ou P et deux contacts ohmiques (2) et (3), une certaine étendue de surface latérale dudit bloc séparant lesdits contacts, caractérisée en ce que sur au moins une partie de ladite surface latérale est appliquée au moins une électrode (21), polarisée négativement dans le cas où ledit type de conductivité est N et positivement dans le cas où ledit type de conductivité est P (figures 1 et 2). 2. Diode à effet GUNN selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite électrode (21) est constituée par un dépôt métallique recouvrant ladite surface latérale à l'exception d'une zone d'isolement entre ledit dépôt et chacun desdits contacts ohmiques (2) et (3). 3. Diode à effet GUNN selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite surface latérale est creusée d'un sillon résultant d'une attaque chimique, ledit sillon étant rempli par ledit dépôt métallique. 4. Diode à effet GUNN selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit bloc est constitué par une couche dopée N ou P sur un substrat de matériau semiconducteur de môme type de conductivité mais plus fortement dopé et présentant une conductivité beaucoup plus grande que ledit bloc. 5. Diode à effet GUNN selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit bloc est constitué par une couche dopée N ou P sur un substrat de matériau semiconducteur semi-isolant. 6. Diode à effet GUNN selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau semiconducteur est de I1 arséniure de gallium. 7. Procédé de fabrication d'une diode à effet GUNE selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes sui vantes - dépôt, par épitaxie, sur un substrat en arséniure de gallium fortement dopé N ou P, d'une couche d'arséniure de gallium de môme type de conductivité mais moins fortement dopée ; formation de deux contacts ohmiques respectivement sur ledit substrat et sur ladite couche - protection desdits contacts contre les agents chimiques,suivie d'une attaque mesa de la surface de raccordement entre le contact ohmique déposé. sur ladite couche et ledit substrat - dépôt d'une couche de métal sur ladite surface de raccordement en ménageant des zones d'isolement électrique entre ladite couche d'une part, ledit contact ohmique et ledit substrat d autre part. 8. Oscillateur à effet GUNN utilisant une diode selon lune des revendications I 2, 3, 4, 5 et 6,