Brevet FR2414795A1 — publié le 19790810

La présente invention concerne les transistors à effet de champ et plus précisément ceux qui fonctionnent en hyper frêquences. Un transistor à effet de champ pour hyperfréquences comprend habituellement un substrat semi-isolant sur lequel une couche de matière de type n ou p est formée par croissance, cette couche portant les contacts de source, de drain et de grille. Par exemple, le transistor peut être réalisé en arséniure de gallium, la couche de type n ou p étant en matiere de type n, les contacts de source et de drain étant en contact ohmique avec la couche de type n et l'électrode de grille formant un contact à barrière de Schottky avec la couche de type n. L'interface des couchessemi-isolante et de type n provoque l'apparition d'une barrière de potentiel présentée aux électrons excités, cette barrière étant destinée à limiter le volume occupé par les porteurs et notamment les porteurs chauds, à la couche de type n.Dans la bande de conduction de l'arséniure de gal liwn à température ambiante, les minima auxiliaires les plus bas se trouvent à 0,36 eV environ au-dessous de la valeur minix maie centrale et ainsi, la barrière de la jonction doit atteindre au moins 0,45 eV et elle est de préférence aussi abrupte que possible. On peut obtenir d'excellentes caractéristiques avec une barrière très bien définie, par mise en oeuvre des effets suivants : 1) La délimitation des électrons par une paroi nette accroit la transconductance g21 du dispositif pour les faibles courants retirés, cette caractéristique provoquant en'pratique et comme prévu théoriquement, une réduction du bruit. 2) Cette délimitation empêche l'injection des électrons dans les régions semi-isolantes dans lesquelles a) les électrons peuvent assurer une conduction supplémentaire entre la source et le drain et peuvent conduire à un manque de saturation des caractéristiques courant-tension de drain ou à un défaut de saturation pour une polarisation élevée de drain, b) les électrons peuvent être, piégés à des niveaux profonds dans lesquels ils peuvent moduler la conductance sourcedrain, et peuvent créer du bruit et un phénomène d'hystérésis et ils peuvent aussi donner une certaine photosensibilité au dis positif. La demande de brevet britannique n0 4 862/76 déposée par la Demanderesse décrit un transistor à effet de champ perfectionné dans lequel la barrière de potentiel formée entre la couche de type n et la couche semi-isolante est accrue par interposition d'une couche suppléeentaire formée d'une matière de dopage opposé, entre la couche habituelle de type n et la couche semi-isolante.Cependant, dans la demande précitée,la couche supplémentaire est intrinsèquement formée de la même matière que la couche semi-isolante et la couche de type n, c'est-à-dire que, dans un dispositif dans lequel la matière semi-isolante est l'arséniure de gallium et la couche semiconductrice est l'arséniure de gallium de type n, la couche supplémentaire placée entre elles pour l'augmentation de la barrière de potentiel est de l'arséniure de gallium de type p. Le potentiel total de diffusion de la jonction p-n ne peut pas être utilisé comme barrière de potentiel pour les porteurs. Une couche conductrice de type p formerait une feuille résistive mettant le dispositif en shunt, et il faut que la couche de type p soit suffisamment mince pour qu'elle puisse être maintenue à l'état appauvri dans toute son épaisseur par les effets des couches adjacentes, avec cependant formation d'une barrière de potentiel pour les électrons. L'invention concerne un perfectionnement portant sur les propriétés de la barrière de potentiel, obtenu par interposition d'une couche supplémentaire semi-conductrice entre la couche habituelle n ou p et la couche semi-isolante, cette couche supplémentaire étant formée d'une matière différente de celle de la couche habituelle de type n ou p afin que le transistor à effet de champ formé ait une hétérostructure. Lors de la mise en oeuvre de l'invention, les matieres de la couche habituelle de type n ou p et de la couche supplémentaire ont des constantes de réseau qui sont très bien adaptées si bien que le nombre de défauts et d'états électroniques à l'interface est minimal. La différence entre les affinités électroniques des deux matières est telle qu'il existe un gradin abrupt convenable de sens approprié dans la bande de conduction, si bien que, lors du fonctionnement du transistor à effet de champ, les porteurs sont pratiquement confinés à la couche semiconductrice habituelle d'une manière telle que la transconductance a des chances d'être accrue. Dans un mode de réalisation avantageux, un transistor à effet de champ selon l'invention, ayant la couche semi-isolante et la couche de type n et p habituelles formées d'une matière à base d'arséniure de gallium, comporte une couche supplémentaire d'une matière constituée par un alliage ternaire Gal Al As (x'compris entre 0 et 1), cette matière ayant une constante de réseau bien adaptée à celle de l'arséniure de gallium, ayant une bande interdite plus grande et une affinité électronique plus faible que celles de 1 'arséniure de gallium. La matière de la couche supplémentaire peut être semiisolante ou dopée afin qu'elle soit de type n ou p. Lorsque la matière n'est pas semi-isolante, l'épaisseur de la couche sup plémentaire est suffisamment faible pour que, en cours d'utilisation, elle reste appauvrie et ne forme pas un shunt résistif pour le reste du dispositif. De telles couches peuvent être déposées sur une couche semi-isolante de la même matière ou directement sur le substrat semi-isolant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une coupe schématique d'une partie d'un transistor à effet de champ de type connu, en élévation latérale - la figure 2 est une coupe schématique en élévation latérale d'une partie d'un transistor à effet de champ selon l'invention ; et - les figures 3 et 4 représetent des caractéristiques générales de la structure de bandes pour différentes formes de transistor à effet de champ de la figure 2. Un transistor à effet de champ à base d'arséniure de gallium a normalement une configuration analogue à celle qui est indiquée sur la figure 1. Elle comprend un substrat 1 d'arséniure de gallium GaAs semi-isolant, ayant une couche 2 de surface d'arséniure de gallium de type n portant un contact 3 de source et un contact 4 de drain, tous deux placés en contact ohmique avec la couche 2, et un contact de grille 5 qui forme un contact à barrière de Schottky avec la couche 2. Dans un dispositif pour hyperfréquences en général, la couche 2 de type n a une épaisseur d'environ 0,2 micron et une concentration de porteurs de 8.10#16 cl 3, la longueur de grille pouvant être de 1 micron pour travail à 10 GHz. Diverses configurations géométriques et divers profils de porteurs plus complexes sont décrits dans la littérature.La matière semi-isolante du substrat 1 sur laquelle la couche 2 et formée par croissance, peut être une matière massive, formée par exemple par croissance de cristaux par le procédé Bridgman ou de Czochralski, ou elle peut être formée par croissance épitaxiale sur le substrat semiisolant original. L'interface de la couche 2 de type n et du substrat semi-isolant 1 forme une barrière de potentiel pour les électrons, cette barrière étant destinée à confiner les porteurs, y compris les porteurs plus chauds, à la couche 2 de type n. La figure 2 représente un transistor a effet de champ constituant un perfectionnement par rapport à celui de la figure 1 et dans lequel une couche supplémentaire 6 d'une matière semiconductrice autre que l'arséniure de gallium est interposez entre les couches 1 et 2 afin que le transistor ait une hétérostructure, assurant un meilleur confinement des porteurs par la bar rière de la jonction et donnant de meilleures caractéristiques au dispositif. Une matière qui convient pour la couche 6 est l'al liage ternaire Gal As (0 Dans un exemple, on considère que la matière semiisolante est Gal As et on considère que le niveau de Fermi se trouve au milieu de la bande interdite, pour les besoins de la définition. Lorsque x est inférieur ou égal à 0,37 environ, l'alliage a une bande interdite directe et, plus spécifiquement, si l'on considère que x = 0,35, la bande interdite est de l'ordre de 1,89 eV (supérieured'environ 0,46 eV à celle de GaAs).Les caractéristiques générales de la structure de bandes près de l'interface Gal~xAlxAs-GaAs sont indiquées sur la figure 3. On suppose que la jonction est abrupte. La barrière de potentiel présentée aux électrons est d'environ 0,90 eV qu'on doit comparer à une barrière d'environ 0,65 eV prévue pour la structure classique de la figure 1.La barrière a un gradin abrupt de 0,43 eV dans la bande de conduction étant donné la différence entre les affinités électroniques des matières. Cette caractéristique est souhaitable car elle permet l'obtention d'une barrière plus nette. Les détails précis du potentiel à la jonction dépendent de la nature du dopage de la matière semi isolante. L'épaisseur de la couche 10 de Gal i#xAixAs n'est pas primordiale, mais elle doit être suffisante pour qu'il n'y ait pas de perturbation de la barrière, à partir de l'interface avec le substrat 6. Une épaisseur de l'ordre du micron doit suffire, mais en pratique la couche doit être nettement plus épaisse et elle présente alors l'avantage supplémentaire d'éviter la diffusion des impuretés indésirables à partir du substrat.En pratique, la transition de GaAs à Ga 1#xAlxAs doit être suffisamment nette pour qu'elle soit pratiquement totale dans la région appauvrie et elle est en général plus nette car il faut une barrière très abrupte. On peut obtenir une barrière plus nette par utilisasation d'une matière dont le niveau de Fermi est plus bas dans la bande interdite. La discontinuité des bandes reste la même mais le potentiel accru de diffusion de la jonction donne une hauteur totale plus grande à la barrière. Une matière de type p, ayant un niveau de Fermi proche du bord de la bande de valence, peut être utilisée comme couche interposée 6, mais le potentiel maximal de diffusion d'une telle jonction ne peut pas être utilisée car la couche doit toujours être maintenue à l'état d'appauvrissement comme indiqué précédemment. La couche de type p peut être placée sur une couche de matière semi-isolante Gal xAlxAs, comme celle qu'on a décrite précédemment ou directement sur GaAs semi-isolant.Dans le cas d'une matière ayant une concentration globale de trous de 1016 cl 3, une barrière d'environ 1,35 eV semble possible compte tenu de ces restrictions lorsque la source; la grille et le drain sont à un potentiel nul. L'épaisseur permise pour la matière de type p dépend dans une certaine mesure du comportement de la jonction de la matière p et de la matière semi-isolante. Pour la jonction considérée n-t dans l'isolement, la largeur de la couche appauvrie dans la matière de type p est d'environ 0,38 micron, et la hauteur de barrière est de 1,35 eV avec 0,18 micron environ dans la couche p. Les effets de la jonction semi-isolante doivent être considérés dans un calcul précis, mais il est évident que la largeur de la couche doit être comparable aux longueurs indiquées pour l'obtention du compromis voulu. A l'extrémité opposée, Gal xAlxAs de type n peut être utilisé pour la couche interposée 6, avec formation d'une bar rière de potentiel et aussi formation d'une région d'accumulation dans GaAs de type n. L'existence d'une région d'accumulation accroit encore la conductance du canal proche de la bar rière et ainsi la transductance pour les faibles intensités de courant. La couche de type n de Gal Al As doit avoir une épaisseur limitée pour la même raison que celle qu'on a indiquée pour la couche de type p, précédemment. La figure 4 représente une région d'accumulation limitée par le gradin de la bande, du fait de la différence des affinités électroniques, à la jonction. L'utilisation de la composition d'alliage pour laquelle x = 0,35 et des valeurs numériques indiquées n'est donnée qu'à titre illustratif. Lorsque x est supérieur à 0,35, la bande interdite continue à augmenter avec x, et elle devient indirecte lorsque x dépasse 0,37, ces valeurs supérieures de x pouvant être avantageusesnonseulement du fait d'une barrière accrue mais aussi du fait dia moindre mobilité des porteurs-dans la matière à bande interdire indirecte. Les procédés de préparation des couches ayant les discontinuités voulues et la diffusion minimale d'impuretés sont les procédés de croissance épitaxiale à basse température, par exemple l'épitaxie en phase liquide, l'çitaxie par faisceau moléculaire et l'épitaxie en phase vapeur, mettant en oeuvre des composés alkyliques des métaux et des hydrures d'éléments du groupe V. L'accord entre les constantes des réseaux de Gal Al As et de GaAs est bon, et les défauts ont une faible probabilité d'être formés à l'interface. La technologie de croissance de ces matières dans des hétérostructures a été démontrée dans le contexte des lasers à injection. Cependant,le principe est général dans le sens où toute matière convenable peut être utilisée pour la ou les couches interposées. Le même principe peut être appliqué aux transistors à effet de champ formés dans le phosphure d'indium, les alliages de phosphure et d'arséniure d'indium, les alliages d'arséniuresd'indium et de gallium et les alliages de phosphures et d'arséniuresd'indium et de gallium. Dans tous les cas, la barrière doit être suffisamment élevée pour qu'elle retienne une fraction importante des porteurs chauds qui ne quittent donc pas la couche n, et les systèmes d'alliage utilisés doivent contenir une combinaison convenable ayant des constantes de réseau en très bon accord. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend une couche d'une matière de type n ou p formée sur un substrat semi-isolant et portant des contacts de source, de drain et de grille, et une couche supplémentaire de ma tière semi-conductriceinterposée entre la couche de matière de type n ou p et la couche semi-isolante, la couche supplémentaire étant formée d'une matière différente de celle de la couche n ou p afin que le transistor à effet de champ ait une hétérostructure. 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matières de la couche de type n ou p et de la couche supplémentaire ont des constantes de réseau qui sont en accord si bien que le nombre de défauts et d'états électroniques à l'interface est minimal. 3. Transistor selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé enoe que la couche de type n ou p et la couche semi-isolantesont formées d'une matière à base d'arséniure de gallium. 4. -Transistor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche supplémentaire est formée de l'alliage ternaire Gal Al As (O 4 1). 5. Transistor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche supplémentaire est semi-isolante. 6. Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que la couche supplémentaire est dopée afin qu'elle soit de type n ou p. 7. Transistor selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche supplémentaire est suffisamment mince pour que, en cours d'utilisation, elle reste appauvrie et ne forme pas un shunt résistif pour le reste du transistor. 8. Transistor selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la couche supplémentaire est déposée sur une couche semi-isolante de la même matière, formée sur le substrat semi-isolant.