Brevet FR2180579A1 — publié le 19731130

La présente invention concerne un dispositif eiconücteur connu sous le nom de diode à effet Gunn et présentant une structure couramment appelée structure sandwich comportant trois couches successives, la couche centrale étant la couche active de la diode à effet Gunn et présentant le type de conductivité N, ladite couche active jouxtant sur deux faces opposées une couche non active du même type de conductivité, mais plus fortement dopée formant les couches d'extrémité de la diode Gunn et comportant en outre des contacts pris sur lesdites couches d'extrémité. Il est bien connu depuis longtemps déjà de réaliser des oscillations de courant de haute fréquence dans des semiconducteurs du type polaire N tel que l'AsGa par exemple à des champs électriques élevés. De telles oscillations ont été observées pour la première fois par J.B. Gunn en 1963 et les dispositifs dans lesquels naissent et se propagent de semblables oscillations sont appelés diodes à effet Gunn, Le mécanisme de base responsable de l'effet est le transfert progressif des électrons chauds des creux de grande mobilité vers les creux de faible mobilité dans la struc ture -de la bande de conduction du semiconducteur lorsque le champ électrique appliqué à travers le semiconducteur est suffisant ; la mobilité différentielle négative résultante provoque l'instabilité de la distribution homogène des électrons. Selon la théorie acceptée, des domaines étroits successifs à champ électrique extremement élevé se forment, puis se propages uniformément à travers le semiconducteur. Les cristaux semiconducteurs présentant ce phénomène deviennent instables lorsqu'ils sont soumis à des champs électriques élevés supérieurs à une certaine valeur de seuil. Lorsqu'un champ électrique uniforme au moins égal à la valeur du seuil est appliqué au semiconducteur, l'instabilité est observée comme étant une fluctuation du courant lorsqu'une tension constante est appliquée entre deux contacts ohmiques fixés au semiconducteur.L'instabilité est associée à un déplacement d'ondes de chocs qui se propagent avec une vitesse de l'ordre de iO7cm/s, les ondes de chocs étant de nature cyclique et se déplaçant de la cathode vers l'anode. Parmi les structures bien connues des diodes dites à effet Gunn, il existe notamment la structure communément appelée "structure sandwich. Une telle structure est formée de trois couches superposées dont, seule la couche centrale est active, c'est-àdire devient, dans les conditions appropriées décrites ci-dessus, le siège d'oscillations hyperfréquences.De part et d'autre Se cette couche centrale dont le type de conductivité est N, scnt respectivement disposées deux couches plus fortement dopée e type N ou N non actives qui constituent vis-à-vis de la couene centrale des "contacts ohmiques", et la propagation des domaines, créés dans les conditions préalablement décrites,a lieu entre lesdits contacts ohmiques, selon le sens de la polarisation appliquée à l'ensemble du dispositif. Une telle polarisation est appliquée à l'aide de contacts pris sur la face extérieure des zones non actives fortement dopées. Les contacts qui ont été jusqu'à maintenant réalisés, dans le but d'appliquer une polarisation convenable à l'ensemble du dispositif, étaient des contacts métalliques alliés. De tels contacts présentent de nombreux inconvénients. No notamment, au moment de la réalisation de l'alliage, on allie deux matériaux ayant des propriétés physiques différentes et ceci a pour effet principal de créer des effets de contrainte qui se propagent dans le réseau et qui, de ce fait, risquent d'atteindre la zone active et de perturber ainsi le bon fonctionnement de la diode à effet Gunn. Un autre inconvénient résultant de l'utilisation de contacts alliés est que lesdits contacts sont difficiles à réaliser de façon reproductible, ce qui ne permet pas d'avoir une constance de performances dans les dispositifs fonctionnant selon le mode Gunn. Un inconvénient supplémentaire de tels contacts est qu'ils introduisent des résistances de contacts électriques élevées limitant les performances des dispositifs fonctionnant selon le mode Gunn. La présente invention prend en considération l'intérêt évident d'établir de bons contacts avec les couches fortement dopées sans recourir aux méthodes d'alliage. La présente invention concerne un dispositif semiconducteur connu sous le nom de "diode à effet Gunn" et présentant une structure couramment appelée structure "sandwich" comportant trois couches successives, la couche centrale étant la couche active de la diode à effet Gunn et présentant le type de conductivité N, ladite couche active jouxtant sur deux faces opposées une couche non active du même type de conductivité, mais plus fortement dopée formant les couches d'extrémité de la diode Gunn et comportant en outre des contacts pris sur lesdites couches d'extrémités,remar quable en ce que l'un des contacts d'extrémité au moins est réalisé par un contact métal-semiconducteur du type Schottky. Selon une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention, les deux contacts d'extrémité sont réalisés par des contacts métal-semiconducteur du type Schottky. De tels contacts réalisés sous forme de contacts du type Schottky présentent des avantages très réels. Un premier avantage de la présente invention est la diminution des dislocations de surface se produisant lorsqu'on réalise des contacts alliés. En effet, les prises de contact nécessaires sur les diodes Gunn par "thermocompression", par exemple dans le cas de contacts alliés, ont tendance à perturber les propriétés du cristal sur lequel elles sont réalisées ; ceci provient du fait que bien que les efforts exercés soient en valeur absolue faibles, la petitesse des aires mises en jeu est telle que les pressions locales sont très élevées, il en résulte des dégradations pouvant se manifester par certaines irrégularités de comportement dans le fonctionnement des dispositifs. Un second avantage de la présente invention est que la résistance électrique des contacts est notablement plus faible en hyperfréquence que celle des contacts alliés. Un troisième avantage de la présente invention est d'obtenir des contacts présentant des caractéristiques reproductibles sur des plaquettes d'une surface supérieure au centimètre carré. Un quatrième avantage de la présente invention est que le dispositif obtenu présente une très grande fiabilité. Un cinquième avantage de la présente invention est que la dissipation thermique est améliorée. Avec de semblables dispositifs, les performances hyperfréquences obtenues ont été excellentes. La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif permettra de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. - la Fig. 1 représente le schéma simplifié d'une diode à effet Gunn présentant une structure "sandwich". - la Fig. 2 représente le graphique I = f(V) d'une diode Gunn ayant un contact du type Schottky. - la Fig. 3 représente le graphique I = f(V) d'une diode Gunn ayant deux contacts du type Schottky. Sur la Fig. 1 on a représenté une diode Gunn ayant une structure sandwich constituée d'une couche active 1 de dopage N et de deux couches non actives 2 et 3 placées de part et d'autre de la couche active 1 et présentant des dopages de type Nt ou indifféremment. Les épaisseurs de ces trois couches peuvent être de l'ordre de 1 à 100/u pour la couche active 1 et de l'ordre du micron pour la région 3 et de la dizaine de microns pour la région 2. On a représenté également les contacts A et B. Selon la présénte invention, l'un des deux contacts A ou B est un contact du type Schottky tandis que l'autre contact est du type allié.Selon une autre forme de réalisation du dispositif selon la présente invention, les deux contacts A et B sont des contacts du type Schottky, Le dispositif semiconducteur est supporté par un pilier 4 présentant une bonne conductibilité thermique. Les techniques utilisées pour réaliser le ou les contacts du type Schottky sur les couches non actives de la diode Gunn sont notamment la pulvérisation cathodique, l'évapoMation sous vide ou le dép8t électrolytique. Les métaux utilisés ont été par exemple le titane, le palladiums le platine, le tungstène, le molybdène ou le nickel-chrome en couche mince, par exemple infé c rieure à 1 000 AJ et recouvert d'or d'une épaisseur de tordre o de 5 000 A. Les métaux indiqués ainsi que les épaisseurs mentionnées ne sont donnés qu'à titre d'exemple et il est possible d'utiliser d1autres matériaux et des épaisseurs différentes. Dans le cas où un seul contact du type Schottky peut être réalisé, il est avantageux que ce contact soit celui qui est situé sur la couche non active la plus mince et la plus dopée, c'est-à-dire le contact B sur la couche 3J l'autre contact, ctest-à-dire A étant alors un contact allié classique, on procède par exemple de la manière suivante : une couche par exemple d'Au-Ge-Ni est déposée sur la couche non active 2, puis l'allia-- ge est réalisé ; on réalise ensuite le contact du type Schottky sur la région non active 3, par pulvérisation par exemple et le dispositif ainsi réalisé est monté sur le pilier 4 qui sert de dissipateur. La courbe de fonctionnement I = f(V), dans ce cas, est donnée par la Fig. 2. Sur la Fig. 2, la partie de la courbe située à droite de l'axe des ordonnées correspond au contact A porté à un potentiel négatif par rapport à celui du contact B. Le contact du type Schottky constituant le contact B est donc polarisé dans le sens direct et l'abscisse du point Vo correspond au décalage de la partie rectiligne 21 de la courbe dû à la présence du contact du type Schottky traversé dans le sens direct. L'abscisse du point Vs correspond à la tension de seuil de la diode à effet Gunn ainsi réalisée, correspondant à l'intensité de seuil Is. La valeur de la chute de tension (Vs-Vo) et la valeur de Is ne dépendent pratiquement que des caractéristiques géométriques et physiques de la région active. La partie de la courbe située à gauche de l'axe des ordonnées correspond au contact A porté à un potentiel positif par rapport au potentiel du contact B. Le contact du type Schottky constituant le contact B est alors polarisé en inverse et llabs- cisse du point Va correspond au décalage de la partie rectiligne 22 de la courbe dû à la présence du contact du type Schottky po larisé en inverse. Ce décalage correspond pratiquement à la tension d'avalanche du contact du type Schottky constituant le contact B. Les valeurs de Vo et de Va dépendent des métaux utilisés et de la concentration superficielle des zones non actives. Si la concentration augmente, les valeurs Vo et Va diminuent rapidement. Dans le cas où seul le contact B est du type Schottky, avec une concentration superficielle de la# zone non active 3 de l'ordre ou supérieure à 10 cl 3, la valeur Vo est faible, elle est sensiblement égale à 0,5 volt pour une concentration superficielle de 10 cm 3 et égale à 0,6 volt pour une concentration de 10 cl . Dans le cas maintenant où les deux contacts A et B sont du type Schottky avec des concentrations superficielles des zones non actives 2 et 3 de tordre ou supérieures à 1018 ou 1019cm-3 la valeur de Va diminue rapidement et on obtient la courbe de fonctionnement représentée sur la Fig. 3. On a mesuré par exemple une valeur de Va = 2 volts pour une concentration 18 -3 superficielle de 5.10 cl . Lorsque la couche active de la dio- de Gunn est homogène et que les couches fortement dopées disposées de part et d'autre de ladite couche active sont identiques: l'intensité I's est sensiblement égale à Is et la tension V's sensiblement#égale à Vs. Dans ces conditions, la polarisation de la diode est réversible. Avec des dispositifs réalisés selon la présente invention, on a obtenu les performances hyperfréquences suivantes : un ren dexrent de 5 ss en bande Ku (16 #z) et une puissance de l'ordre de 100 mW. Les performances hyperfréquences ne sont pas altérées après un fonctionnement en régime continu de la zone active pendant 7 000 heures à une température de 3000 C. Il est bien entendu que ces chiffres ne sont donnés qu'à titre d'exemple et ne constituent en aucun cas une limite aux performances du dispositif objet de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur connu sous le nom de diode à ef fet Gunn et présentant une structure couramment appelée structure "sandwich comportant trois couches successives, la couche centrale étant la couche active de la diode à effet Gunn et présentant le type de conductivité N, ladite couche active jouxtant sur deux faces opposées une couche non active du même type de conductivité, mais plus fortement dopée formant les couches d'extrémité de la diode Gunn et comportant en outre des contacts pris sur lesdites couches d'extrémité, caractérisé en ce que l'un au moins des contacts d'extrémité est réalisé par un contact métal-semiconducteur du type Schottky. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux contacts d'extrémité sont réalisés par des contacts métal-semiconducteur du type Schottky. 3. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la concentration des couches d'extrémité non actives est supérieure à î017cm#3. 4. Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 et 2J caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est du type III-V.