Brevet FR2344131A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne une diode à avalanche à faible temps de transit. Elle se rapporte plus particulièrement à une diede à avalanche à faible temps de transit réalisant un contact redresseur entre deux matériaux, le premier, semiconducteur d'une nature de conductivité déterminée, organisé en couches ayant des concentrations en impuretés de valeurs relativement différenciées l'une de l'autre, le second matériau étant d'une autre nature de conductivité. Le phénomène de l'avalanche du à la multiplication des porteurs de charge dans un semiconducteur est connu et étudié depuis plusieurs années. On a cherché à l'utiliser dans des diodes semiconductrices. L'étude de l'art antérieur nous apporte des exemples de diodes à effet d'avalanche, comme celle décrite dans le brevet français NO 1565 596, où des oscillations électriques sont engendrées ou amplifiées du fait que dans la caractéristique courant-tension d'une telle diode, il se produit, par suite d'un claquage à effet d'avalanche, une région de résistance dynamique négative. Ce genre de claquage résulte d'une forte ionisation par chocs dans le semiconducteur et du transit à vitesse finie des charges électriques ainsi créees. Or dans certains modes de fonctionneent, le temps de transit des porteurs est considéré comme un phénomène parasite. Il convient alors de rendre ce temps de transit aussi faible que possible. Par là même, la résistance dynamique négative pour l'oscillation obtenue en sortie de la diode, sera faible. On connait égalenent, par exemple du brevet français NO 2 028 537, des dispositifs semiconducteurs présentant des couches de matériau semiconducteur à conductibilités différentes, séparées l'une de l'autre par une couche intermédiaire. Cependant, il peut être interessant d'utiliser une telle couche intermédiaire, sous réserve que sa concentration en impuretés soit adaptée aux conditions considérées, pour confiner le champ électrique dans une zone précise, et ainsi éviter des oscillations parasites et une perte inutile d'énergie (surtout dans le domaine åcs hyperfréquences) par la formation d'une résistance série non négligeatwe. L'utilisation de cette même couche intermédiaire permet de réduire l'importance de la zone de transit, comprise dans la couche active, sans pour autant donner la possibilité d'un claquage destructeur à travers la diode. De cette façon, la zone d'avalanche occupe presque toute l'épaisseur de la couche active. Le but de l'invention est de fournir une diode à avalanche à faible temps de transit, dont l'épaisseur de la zone de transit soit faible, qui, par le truchement d'une couche intermédiaire de concentration en impuretés déterminée, entre substrat et couche active, présente une longueur active de valeur fixée. La résistance dynamique négative qu'offre une telle diode pour l'oscillation de sortie est faible, ce qui permet ainsi d'éviter des oscillations parasites. Cette diode présente également une très faible résistance série dûe à la faible épaisseur de la couche de plus faible conductibilité, ce qui permet son emploi dans de nombreuses applications. Conformément à l'invention, il a été tait une diode à avalanche à faible temps de transit réalisant un contact redresseur entre deux matériaux, le premier, semiconducteur d'une nature de conductivité déterminée, organisé en couches ayant des concentrations en impuretés de valeurs relativement différenciées l'une de l'autre, le second matériau étant d'une autre nature de conductivité, caractérisée en ce que le susdit premier matériau semiconducteur est composé de trois couches principales qui sont la couche active, en contact avec le susdit second matériau, la couche de substrat constituant le support mécanique, présentent une très forte concentration en impuretés, et une couche intermédiaire entre ces deux dernières couches et dont la concentration en impuretés a une valeur comprise entre celles que prennent les concentrations de ces deux mêmes couches aux voisinages des frontières de celles-ci avec celle-là. Selon un mode réalisation préféré de la diode à avalanche conforme à l'invention, celle-ci est remarquable en ce que l'épaisseur de la couche active et sa concentration moyenne er. impuretés sont choisies en relation linéaire entre les deux limites suivantes :0,85 /u correspondant à 1016 atomes/cm3 et 0,35 ciorrespondant à 4,1016 atomes/cm3 avecune tolérance de + C,1 /u sur l'épaisseur de la couche active. Une telle diode est également remarquable en ce que le rapport de l'épaisseur de la zone d'avalanche située dans la couche active, sur l'épaisseur de celle-ci est supérieur à 0,75. Afin d'éviter des ocillations parasites et dans le but d'obtenir une zone de transit de faible épaisseur, il est préférable de disposer d'une transition qui entre les niveaux de concentrations en impuretés à la frontière entre la couche active et la couche intermédiaire présente une épaisseur inférieure à 0,15 /u. Une diode à avalanche conforme à la présente invention, peut comporter une jonction semiconducteur 9 - semiconducteur N, ou une barrière métal-semiconducteur polarisée par exemple à une tension inverse telle que se produise le claquage par ionisation par choc dans le semiconducteur (tension encore appelée tension d'avalanche). Avantageusement on peut réaliser cette diode en matériau semiconducteur tel l'arséniure de gallium Ga As qui autorise de bons rendements. La diode conforme à la présente invention trouve particulièrement son application en tant que constituant essentiel d'un multiplicateur de fréquence. L'invention apparaitra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints dans lesquels Les figures 1, 2 et 3 illustrent schématiquement les dispositions relatives des concentrations en impuretés des différentes couches de semiconducteur à l'intérieur de diodes conformes à la présente invention. Quant aux figures 4, 5 et 6, elles représentent les différents stades du processus d'élaboration d'une diode selon l'invention. La figure I représente le profil de concentration en impuretés de dopage d'une diode conforme à l'invention et selon un mode de réalisation préférentiel. On y remarque deux parties représentant les deux matériaux constituant la diode. La partie I peut être du métal ou du semiconducteur. La partie II, est obligatoirement du semiconducteur, par exemple du silicium, ou mieux de l'arséniure de gallium Ga As. Dans l'exemple de la figure 1, le matériau semiconducteur constltuant la partie II est d'une nature de conduction de type N. Dès lors, si la parte I est également constituée de semiconducteur, celui sera de nature de conductivité P, (dopage de type opposé à N) et la con centration en cette impureté sera très élevée. Pour symboliser ce degré de concentration en impuretés, on emploiera l'indice +. Ainsi, la partie I peut être constituée d'après ce qui vient d'être dit, de matériau p++ à concentration très élevée de l'ordre de quelques 1017 atomes/cm ou plus. La partie Il est constituée de trois couches principales de matériau semiconducteur, soient dans l'ordre à partir de la jonction P-N ou de la barrière métal-semiconducteur : la couche active en matériau N, une couche intermédiaire en matériau N , et une couche de substrat constituant le support mécanique sur lequel est élaboré le dispositif semiconducteur, et faite de matériau N++ de très forte concentraton en impuretés. Cette couche de substrat a une concentration en impuretés de valeur par exemple supérieure à 1018 atomes/cm . Son taux de dislocation sera faible et s possIble inférieur à 10 000 par cm. La couche intermédiaire en matériau N doit avoir une concentratlon en impuretés de dopage de valeur comprise entre celles que prennent les concentrations des deux couches voisines, à savoir la couche active et la couche de substrat, aux voisinages des fron tolères de celles-ci avec celle-là. On peut donc prendre un dopage de quelques 1017 atomes/cm (par exemple 2 à 7). Quant à l'épaisseur de cette couche, elle n'est pas critique et peut être comprise entre 10 et 20 m~c-ons. La transition entre les niveaux de concentrations à la frontière entre la couche intermédiaire et le substrat n'est pas non plus critique. En revanche, celle existant entre la couche intermé- diapre et la couche active, a plus d'importance. Afin de réduire le temps de transit, il est en effet préférable de réaliser une tran sition très abrupte entre la couche active et la couche intermé- diaire. Cette transition sera inférieure à 0,15 micron. Quant à la couche active, on peut choisir la concentration en impuretés de celle-ci entre deux limites qui sont 1016 atomes/cm et 4.1016 atomes/cm , et en relation avec l'épaisseur de cette meme couche active, laquelle épaisseur est elle-même comprise entre les deux limites 0,85 Xu correspondant à la concentration viol6 et 0,35 /u correspondant à 4.lot6. En effet, on définit conformément à l'invention, une relation linéaire entre. épaisseur et concentration en impuretés avec une tolérance sur l'épaisseur de Ojl /u et on crée ainsi un parallélogramme de choix dans lequel on prendra les valeurs de ces deux paramètres. La couche active d'épaisseur W définie plus haut comprend deux zones qui sont la zone d'avalanche d'épaisseur & #et la zone de transit d'épaisseur W - 6 On peut ainsi définir l'angle de transit e qui est égal a e=w (W-s) X , étant la fréquence de travail pour l'oscillation de sortie, V , la vitesse de saturation des porteurs obtenue pour une valeur de champ électrique supérieure à une valeur de champ de seuil Es de celui-ci. Pour réduire la durée du transit des porteurs, on réduit l'épaisseur de la zone de transit.Dans une diode conforme à l'invention, le rapport de l'épaisseur de la zone de transit (respectivement de la zone d'avalanche) sur l'épaisseur de la couche active est inférieur à 1/4 soit 0,25 (respectivement supérieur à 3/4 soit 0,75). Il est équivalent de dire alors que l'angle de transit d'une diode conforme à l'invention est très inférieur à l'angle nécessaire pour l'obtention d'une résistance dynamique négative maximum pour l'oscillation de sortie, ce dernier angle étant peu différent de 3ex/4 soit environ 2,35 radians. Selon l'invention on pourra choisir un angle de transit inférieur à 0,75 radians. Ainsi, du fait que la zone d'avalanche occupe presque toute l'épaisseur de la couche active, le champ électrique présent à l'interface couche active-couche Intermédiaire à une valeur encore élevée, la distribution du champ électrique dans la diode étant déterminée par le profil de concentration en impuretés. Or ga couche Intermédiaire, de bonne cual té cr#-utallogia- phique, fortement dopée, est capable de supporter les champs électriques de valeurs élevées, que le substrat ne pourrait pas supporter pour des raisons cristallographiques. Ainsi, on va au-devant de claquages destructifs. En ce qui concerne la tension continue de polarisation qui peut être appliquée en inverse sur la diode conforme à l'invention, elle peut avoir une valeur allant jusqu'à 40 Volts environ, suivant le dopage de la couche active et les conditions d'utilisation de la diode. Les figures 2 et 3 illustrent d'autres modes de réalisation d'une diode conforme à l'invention. A l'intérieur des couches principales, on a créé des souscouches, de dopages différents. Ainsi,à la figure 2, la couche ac tlve comporte une sous-couche accolée à la couche Intermedlairelde dopage supérieur à celui du reste de la couche active, mais lnfé- rieur à celui de la couche intermédiaire. On crée ainsi une marche de plus diminuant encore le temps de transit. A la figure 3, une sous-couche à fort dopage (par exemple 1017 est introduite dans l'intérieur de la couche active, et non au voisinage de la couche intermédiaire. Dans ces deux derniers cas, on continuera à avoir une concentration moyenne de la couche active comprise dans les limites qui ont été précisées précédemment. On peut remarquer que la diode à avalanche conforme à la présente invention est telle que dans le spectre de puissance de celle-ci, le niveau de puissance utile le plus élevé se rencontre pour une fréquence pour laquelle la résistance dynamique négative est nulle. Toutes ces particularités font que la diode selon l'ln- vention est mieux adaptée à certaines fonctions. Par exemple, on peut envisager son emploi en tant que multiplicateur de fréquence et partIculièrement dans le domaine des hyperfréquences. En effet, la multiplication de fréquence par diode à avalanche est basée sur la non-l#néarité de la relation existant entre la tension appliquée aux bornes de la diode et le courant qui en résulte. Ce dispositif se comporte comme une inductance non linéaire. Les figures 4, 5 et 6 montrent les différents stades du processus de fabrication d'une diode conforme àl' l'invention. Sur une couche de substrat formant support mécanique à fort dopage l, ou fait croître la couche intermédiaire 2, par exemple par épitax@e en phase vapeur. Puis selon un processus contInu, on peut faire cro tre la couche active 3 en ses difforentes sous-couches. L' nterface crIstallographique entre la couche active 3 et la couche nter- médire 2, sera donc, par le fait de ce processus continu, d' excel- lente qualité.Dans le cas où l'on veut réaliser une d ode comportant une barrière métal semiconducteur, on peut procéder à une pul vérisation cathodique de métal 4 (par exemple du platine) sur la couche active. Pour le cas où l'on désire réaliser une d ode à jonction P-N, on procédera par diffusion de zinc ou épitaxie à haute température. Bien que l'invention soit décrite à l'aide de forme de réalisation et d'application déterminées, le technicien pourra réaliser des nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. Au lieu de structures de conduction N, on peut par exemple utiliser des structures de conduction P, en prenant soin d'inverser la polarité de la tension de polarisation appliquée. Par ailleurs, des matériaux semiconducteurs autres que l'As Ga peuvent être utilisés, alors que la géométrie de la structure semiconductrice ne doit pas nécessairement etre choisie parmi celles préconisées dans le présent exposé. REVEEDICATIONS 1. Diode à avalanche à faible temps de transit réalisant un contact redresseur entre deux matériaux, le premier, semiconducteur d'une nature de conductivité déterminée, organisé en couches ayant des concentrations en impuretés de valeurs relativement différenciées l'une de l'autre, le second matériau étant d'une autre nature de conductivité, caractérisée en ce que le-susdit premier matériau semiconducteur est composé de trois couches principales qui sont la couche active, en contact avec le susdit second matériau, la couche de substrat constituant le support mécanique, présentant une très forte concentration en impuretés, et une couche intermédiaire entre ces deux dernières couches et dont la concentration en impuretés a une valeur comprise entre celles que prennent les concentrations de ces deux mêmes couches aux voisinages des frontières de celles-ci avec celle-là. 2. Diode à avalanche à faible temps de transit selon la revendication l, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche active et sa concentration moyenne en impuretés sont choisies en relation linéaire entre les deux limites suivantes s 0,85 /u correspondant à 1016 atomes/cm et 0,35 correspondant à 4.1016 atomes/cm avec une tolérance de + 0,1 sur l'épaisseur de la couche active. 3. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le rapport de l'épaisseur de la zone d'avalanche située dans la couche active, sur l'épaisseur de celle-ci est supérieur à 0,75. 4. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la transition entre les niveaux de concentrations en impuretés à la frontière entre la couche active et la couche intermédiaire présente une épaisseur inférieure à 0,15 #U. 5. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée encre que le sus-nommé second matériau est une pellicule de métal déposée sur la couche active du sus-nommé premier matériau, formant ainsi une barrière métalsemiconducteur. 6. Diode à avalanche à faible temps de transit selon la revendication 5, caractérisée en ce que la barrière métal-semiconduc teur est polarisée à une tension inverse telle que se produise le claquage par ionisation par choc dans le semiconducteur. 7. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le sus-nommé second matériau est du semiconducteur d'une nature de conductivité différente de celle du semiconducteur constituant le sus-nommé premier matériau. 8. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le sus-nommé premier matériau est du semiconducteur de nature de conductivité N. 9. Diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications l à 8, caractérisée en ce que le sus-nommé premier matériau semiconducteur est de l'arséniure de gallium GaAs. 10. Multiplicateur de fréquence utilisant la diode à avalanche à faible temps de transit selon l'une des revendications 1 à 9.