Brevet FR2147853A1 — publié le 19730311

La présente invention concerne le domaine de la technique électronique et,plus particulièrement, les transistors p-n-p en germanium planars épitaxiaux et leur technologie. Lesdits transistors sont destinés plus spécialement aux étages a haute fréquence et aux amplificateurs a fréquence intermédiaire des récepteurs radio et de télévision a ondes métriques, aux récepteurs de signaux de grande amplitude, aux amplificateurs d'antenne ; aux récepteurs d'automobiles, etc. I1 existe un transistor p-n-p en germanium planar épitaxial dans lequel une lame de germanium du type P porte une premi ère couche protectrice de SiO2 présentant une fenêtre destinée a la formation par diffusion de la couche de base du type n ; la couche protectrice de SiO2 est recouverte d'une couche métallique d'écran portant une deuxième couche protectrice de SiO2 o sont formées les électrodes de base et d'émetteur ; par-dessus la deuxième couche protectrice de Si02 il y a une troisième couche épaisse de SiO2 ou sont formées les sorties de courants reliées aux électrodes d'émetteur et de base. Dans le transistor existant la jonction émetteur-base a une surface sensiblement moindre que celle de la jonction collecteur-base et les dimensions de la couche de base sont supérieures a celles de l'émetteur. Il existe aussi un procédé de fabrication desdits transistors consistant à recouvrir une face de la lame de germanium d'une première couche protectrice de Silo2, à graver dans cette couche une fenêtre servant a diffuser une impureté pour former dans la lame une couche de base du type n ; cela étant, la couche protectrice de SiO2 reçoit une couche métallique d'écran qui est, elle aussi, gravée. Ensuite, ladite couche métallique est recouverte d'une deuxième couche protectrice de Si02, dotée par gravure de trous pour l'électrode d'émetteur, après quoi l'électrode d'émetteur, obtenue par évaporation de métal, est scellée par fusion.Cette opération est suivie de la photogravure du trou pour l'électrode de base, de l'évaporation et du scellement par fusion du métal destiné à former l'électrode de base avec l'utilisation d'un masque et l'isolement d'une plage de contact. Ensuite on obtient par évaporation a travers un masque les portions isolantes de la troisième couche de SiO2, après quoi on dépose et l'on grave les sorties de courant pour relier les contacts aux électrodes d'émetteur ét de base. Pourtant l'implantation de certains éléments dans le transistor existant présente l'inconvénient notable de limiter les performances du transistor en hautes fréquences. Or, les sorties de courant sont réalisées à part et leurs surfaces de jonction avec les électrodes d'émetteur et de base sont inférieures d celles des électrodes mêmes. Cela a pour effet de réduire les possibilités d'obtention des électrodes de dimensions faibles et augmente la résistance de contact.De plus, les sorties de courant sont en partie en dehors de la jonction collecteur-base, ce qui fait croître la capacité parasite emetteur-collecteur. La structure en question est pénalisée par la présence d'une couche isolante portant les électrodes et d'un écran par-dessus la pre mière couche de SiO2, destinés à réduire la capacité parasite émetteur-collecteur. tes inconvénients propres a la technologie du transistor existant résultent, pour l'essentiel, des défauts de sa conception. Or, pour réaliser les sorties de courant des électrodes, il faut que les dimensions des photogravures soient moins grandes que celles des électrodes elles-mêmes, ce qui s'avère délicat pour la technologie. De plus, les opérations complémentaires de dépot de la troisième couche de SiO2 et de métallisation d'écran, pour stabiliser les courants inverses et diminuer les capacités parasites des sorties de courants, rendent plus compliquée la méthode existante. Le but de la présente invention est de réaliser un transistor p-n-p en germanium planar épiaxial et de mettre au point un procédé de sa fabrication exemp des inconvénients ci-dessus. La présente invention se propose de réaliser un transistor p-n-p en germanium planar épitaxial pour les hautes fréquences qui possède les capacités parasites émetteur-collecteur faibles, tout en présentant un grand gain et de faibles bruits propres dans les gammes métrique et décimétrique, ce qui le rend utilisable dans les amplificateurs a fréquence fixe, les amplificateurs à haute fréquence, les générateurs et les mélangeurs y compris les montages à contrôle automatique de gain (CAG), ainsi que de mettre au point une méthode de fabrication desdits transistors permettant de produire d'une manière suffisamment simple et à peu de frais des transistors en germanium offrant une large gamme de fréquences et de puissances. Le problème posé est résolu par le fait que dans le transistor p-n-p en germanium planar épitaxial selon l'invention la couche de base, qui est principale, contient dans toute son épaisseur, entre les limites des jonctions émetteur-base et collecteur-base émergeant vers la surface de la partie de résistance élevée de la structure épitaxiale, une couche supplémentaire du type n en dépassement vers la couche collectrice, la concentration en porteurs majoritaires de ladite couche supplémentaire étant telle que sa résistivité soit sensiblement inférieure a celle de la portion de la couche de base entre la limite de ladite couche supplémentaire et la jonction émetteur-base. I1 est utile que la concentration des porteurs majoritaires dans la couche supplémentaire du type n soit d'au moins 1020 atomes/cm3 et que ladite couche se trouve à 0,002 mm au moins de la jonction émetteur-base. I1 est aussi avantageux de disposer la sortie de courant de l'émetteur le long de la surface extérieure de la couche d'émetteur et de réaliser cette sortie de façon qu'elle soit quelque peu en relief sur celle-ci sans dépasser toutefois les limites de la surface extérieure de la couche de base principale. Le problème posé est résolu aussi par le fait que le procédé de fabrication des transistors p-n-p en germanium planars épitaxiaux selon l'invention consiste a graver,après le dépôt de la deuxième couche protectrice, un trou pour l'électrode de base et a former par diffusion par ledit trou dans la couche de base une couche supplémentaire du type n, d'une profondeur quelque peu supérieure a l'épaisseur de ladite couche de base ; cela étant, on réalise la sortie de courant de la couche de base, puis la gravure de la fenêtre d'émetteur, l'évaporation et la gravure de la sortie de courant de l'émetteur, et ensuite on procède à la formation par fusion de la couche d'émetteur. I1 est avantageux de réaliser le scellement par fusion de la couche d'émetteur de manière que la vitesse de montée en température soit d'au plus 50C à la minute. Dans ce qui suit, la présente invention est explicitée par un exemple de sa réalisation et les dessins, dont - la figure 1 représente la coupe du transistor p-n-p en germanium planar épitaxial, selon l'invention, - la figure 2, la vue de dessus du même transistor. La structure épitaxiale 1 (fig.l, 2) porte une première couche protectrice 2. En dessous de ladite couche 2, dotée d'une fenêtre de collecteur 3, il y a une couche de base principale 4 du type n, obtenue par diffusion. La deuxième couche protectrice 5, appliquée sur la première couche 2, présente une fenêtre de base 6, sous laquelle se trouve une couche supplémentaire 7, et une sortie de courant métallique 8 de la couche de base 4. La seconde fenêtre 9 de la couche 5 contient une électrode 10 de 1'é- metteur 11 avec une sortie de courant 12 située le long de la surface extérieure de l'électrode 10, l'électrode 10 de l'émetteur et sa sortie de courant 12 constituant une unité physique.La surface de la sortie de courant 12 de l'émetteur est supérieure à celle de l'électrode 10 de I'émetteur, mais inférieure à la moitié de la surface de la couche de base principale 4. Pour mieux concevoir l'idée de la présente invention, on trouvera dans ce qui suit les paramètres d'un transistor concret et les caractéristiques dynamiques obtenues. Le transistor p-n-p en germanium planar pour les montages à CAG préparé par épitaxie comporte un substrat du type P+ d'une épaisseur de 0,15 mm et d'une résistivité de 0,01 cm, une partie haute résistivité dont la résistivité est de 3 ohms/ une couche de base principale 4 du type n obtenue par diffusion, d'une épaisseur de 0,0012 mm, une fenêtre de collecteur 3 de 0,07 x 0,07 mm pratiquée dans la première couche de SiO2, une fenôtre de base 6 de 0,06 x 0,02 mm et une fenêtre d'émetteur 9 de 0,005 x 0,04 mm faites dans la deuxième couche5SiO2. L'écartement des fenêtres d'émetteur 9 et de base 6 atteint 0,01 mm.La couche supplémentaire 7 fortement dopée du type n, préparée par diffusion et présentant une concentration superficielle des porteurs majoritaires de l'ordre de 1020 atomes/cm3 est distante d'au moins 0,002 à 0,003 mm de la jonction émetteur-base. L'électrode 10 de l'émetteur est en aluminium et fait un tout avec la couche d'émetteur et la sortie de courant 12, la sortie de courant 12 étant d'une superficie de 0,02 x 0,06 mm et d'une épaisseur de 0,005 mm. Les couches protectrices 2 et 5 sont épaisses respectivement de 0,00015 et de 0,0002 mm. Ladite structure permet d'obtenir : des densités de courant dans la jonction collecteur-base allant jusqu'à 1000 A/cm2 et une profondeur de réglage de plus de 25 dB à la fréquence de 200 NHz pour une augmentation de courant de 2 à 6 mA, un facteur de bruit de moins de 4 dB et un gain de plus de 15 dB pour un courant de 2 mA, une fréquence de service limite de plus de 600 NHz et une constante de temps du circuit collecteur-base de 3 à 7 ns au régime optimum. Le transistor fonctionne d'une façon stable dans les rotoblocs et les amplificateurs à fréquence intermédiaire des téléviseurs à ondes métriques. En faisant varier les dimensions géométriques de la structure du transistor et la profondeur de la couche de diffusion principale 4 du type n, on peut réaliser un transistor présentant une fréquence de service limite de 900 à 1000 MHz, une constante de temps de circuit collecteur-base d'au plus 3 ns, un facteur de bruit jusqu'à 3 dB et un gain de plus de 12 dB à la fréquence de 800 MHz. Le transistor peut être placé dans un boitier en verremétal comme en matière plastique et fonctionner tant dans la gamme métrique que décimétrique. La technologie dudit transistor est la suivante. La structure épitaxiale 1 du type pp+ reçoit sur ses deux faces une couche protectrice2 deSiO2. La couche protectrice présente une fenêtre 3, obtenue par gravure et destinée à la diffusion des impuretés pour former la couche de base principale 4. La structure est recouverte de deuxième couche protectrice 5 ou est gravée une fenêtre 6 pour électrode de base. Ensuite, par une seconde diffusion, on réalise dans la couche de base 4 une couche supplémentaire 7 dont la conductibilité s'approche de la métallique. La fenêtre 6 pour électrode de base reçoit par évaporation un alliage pour réaliser la sortie de courant 8 de l'électrode de base. Cela étant, on procède à la gravure de la fenêtre 9 pour électrode d'émetteur 10 et, ensuite, à l'évaporation, à la gravure et à la fusion de la couche d'émetteur. Dans ce cas, la gravure du matériau d'électrode a des dimensions dépassant celles de la fenêtre 9 pour la couche d'émetteur et l'on obtient à la fois la sortie de courant 12 de l'émetteur. Il est utile que, pendant toutes les opérations thermiques,la vitesse de montée et de descente en température n'excède pas 50C par minute. Pour faciliter l'intelligence de cette technique, prenons un exemple concret suivant. La structure épitaxiale de germanium du type p+ p est recouverte d'une couche protectrice de SiO2 par décomposition pyrolytique de l'ethoxysilane à la température de 6500C durant deux heures. Ensuite, ladite couche est stabilisée sous oxygène à la température de 3500C durant une heure. Par photogravure, on réalise dans la couche 2 de SiC2, de la partie à résistance élevée de la structure épitaxiale 1 une fenêtre de collecteur 3.Ensuite, après avoir préparé par diffusion la couche de base 4, on procède à l'application de la deuxième couche protectrice 5 de SiO2, à la gravure de la fenetre 6 pour électrode de base, à la formation d'une couche supplémentaire 7 par diffu- 20 sion de l'arsenic avec une concentration limite de 10 atomes/cn! à la préparation de la sortie de courant métallique 8 par évaporation sous vide d'un alliage composé d'or, d'argent et d'antimoine, et à la formation de la fenêtre 9 pour électrode d'émetteur 10.Ensuite, on applique par évaporation sous vide une couche d'aluminium épaisse de 0,5 rU ; ladite couche d'aluminium subit les opérations de gravure et de fusion pou former l'metteur 11; la gravure est alors réalisée de manière que sa surface soit supérieure quelque peu à celle de la fenêtre 9 et qu'une partie de la couche d'aluminium serve de sortie de courant 12 à l'émetteur la fusion s'opère de façon à éviter que la montée et la descente en température ne provoquent l'apparition de contraintes mécaniques dans le germanium. Le transistor p-n-p en germanium planar épitaxial selon l'invention se caractérise par une fréquence d'utilisation limite augmentée et une capacité parasite émetteur-collecteur faible ; la dispersion de ses paramètres électriques est peu importante et sa fiabilité est élevée. Le procédé de fabrication du transistor en question comprend les éléments les plus avancés de la technologie planar par epitaxie et, comparée aux techniques existantes, a l'avantage d'impliquer un nombre moindre d'opérations. La présente technique permet d'abandonner les opérations de dépôt de la couche métallique d'écran et des aires isolantes (troisième couche de SiO2) pour l'implantation des sorties de courant et de former en une seule opération l'électrode d'emetteur et sa sortie de courant. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes REVENDICATIONS 1 - Transistor p-n-p en germanium planar épitaxial dont la jonction émetteur-base a une surface sensiblement moindre que celle de la jonction collecteur-base et dont la couche de base présente des dimensions supérieures à celles de l'émetteur,mais inférieures a celles du collecteur, caractérisé par le fait que dans la couche de base, dans toute son épaisseur, entre les limites des jonctions émetteur-base et collecteur-base émergeant vers la surface de la partie a haute résistivité de la structure épitaxiale, il y a une couche supplémentaire du type n en dépassement vers la couche collectrice, la concentration des porteurs majoritaires dans ladite couche supplémentaire étant telle que sa résistivité est notablement inférieure a celle de la portion de la couche de base entre la limite de ladite ccuche supplémentai- re et la jonction émetteur-base. 2 - Transistor en germanium selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la concentration en porteurs majoritaires de la couche supplémentaire du type n est d'au moins 1020 atomes/cm3 et que ladite couche supplémentaire se trouve à une distance d'au moins 0,002 mm de la jonction émetteur-base. 3 - Transistor en germanium selon les revendications 1 et 2, caractérise par le fait que la sortie de courant de l'6met- teur se situe le long de la surface extérieure de la couche d'émetteur et la dépasse quelque peu sans franchir toutefois les limites de la surface extérieure de la couche de base principale. 4 - Procédé de fabrication des transistors p-n-p en germanium planars épitaxiaux, selon les revendications 1 et 3, consistant à appliquer, sur la surface de la structure épitaxiale, une premiere couche protectrice d'oxyde, à y graver une fenêtre de base, à former par diffusion, par ladite fenêtre de base, une couche de base, a appliquer une deuxième couche protectrice et a préparer ensuite par la fenetre,dans ladite deuxième couche protectrice, une couche d'émetteur, et à former par évaporation et gravure les électrodes et les sorties de courant des couches d'émetteur et de base, caractérise par le fait qu'après le dépôt de la deuxième couche protectrice on procède à la gravure d'un trou pour l'électrode de base et à la formation par diffusion par ledit trou, dans la couche de base, d'une couche supplémentaire du type n d'une profondeur quelque peu supérieure à l'épaisseur de la couche de base et qu'ensuite on réalise la sortie de cou rant de la couche de base, on effectue la gravure de la fenêtre d'émetteur, l'évaporation, la gravure de la sortie de courant de l'émetteur et enfin on procède a la formation par fusion de la couche d ' émetteur. 5 - Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la fusion de la couche d'émetteur s'opère à une vitesse d'au plus 50C à la minute.