Brevet FR2452791A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs de type transistors à effet de champ, et plus spécialement ceux dont les fréquences de coupures se mesurent en gigahertz. Les dispositifs de type transistors connus travaillent à des fréquences allant jusqu'à quelques gigahertz. Pour accroître leurs fréquences de coupure, plusieurs possibilités s'offrent changer la structure et les dimensions du dispositif ou changer la nature des matériaux employés pour le réaliser. Différentes structures sont connues parmi les transistors à effet de champ, couramment désignés par l'abréviation PET de leur nom anglais "field effect transistors" : les MOS-FET, les MES-PET les PET à jonction, les PET à hétérojonction à grille de type P. Les MOS-PET, dont la structure comprend un empilement métal-oxyde-matériau semiconducteur, d'où le nom de #OS, fonctionnent pour le silicium en régime d'inversion de type, au voisinage de la couche d'oxyde. En diminuant au maximum les dimensions des électrodes et les distances entre électrodes de façon à diminuer le temps de transfert d'un porteur de charges, on est arrivé à des fréquences de coupure de l'ordre de 5 GHz. Les -SOS-FET à base dé GaAs existent au stade d'étude au laboratoire et fonctionnent jusqu a présent en région de déplétion. Leurs performances sont analogues à celles des MES-PET qui seront décrites ci-après. Les #~ES-PET, dont la structure plus simple ne comprend plus qu'un métal et un semiconducteur (ME-S? fonctionnent en déplétion, c'est-à-dire que les porteurs de charges sont déviés, sous 1'électrode de commande, et pincés entre la zone de déplétion due au champ de cette électrode, et le substrat semi-isolant. Les PET à jonction ont pour grille le semiconducteur de type opposé à celui qui constitue la zône de déplétion. Les PET à jonction GaAs ont pour grille GaAs de type P. Les PET à hétérojonction que l'homme de l'art connait jusqu'à présent, concernent l'utilisation de deux semiconducteurs dirferents, celui constituant la grille est de type P. Le transistor travaille en déplétion de charge dans la couche active de type N dopée au niveau supérieur à 1016 at/cm3. Les fréquences obtenues avec ces types de PET, bien qu' élevées ne sont pas encore suffisantes, car la multiplication des communications hertziennes, en particulier par satellites et l'encombrement des bandes de fréquences, amènent à repousser sanC cesse les fréquences utilisées vers des bandes non encore exploitées. C'est pour répondre à ces impératifs qu'un nouveau transistor à effet de champ a été mis au point. Basé sur une hétérojonction entre matériaux de nature différente. Son fonctionnement repose sur l'existence d'un canal de type N dont la conductance est modulable par action sur la polarisation d'une grille de type N. Cette grille est un semiconducteur de bande interdite plus large que celle du matériau supportant le canal ledit matériau étant le plus pur possible, de type N avec un dopage inférieur à 1016 é/cm3. La fréquence de coupure d'un tel transistor est environ 30 ffi supérieure à celle des MES-FET connus. De façon plus précise, l'invention consiste en un transistor à effet de champ comportant, supportées par un substrat semi-isolant d'une part deux régions d'accès dites source et drain, d'autre part une région de commande composée d'une couche active et d'une grille dont l'interface constitue une jonction, ce transistor étant caractérisé en ce que la jonction est une hétérojonction entre deux matériaux différents, GaAs pour la couche active, Al x Ga x As pour la grille, GaAs étant de type N avec une concentration électronique inférieure à 1016 é/cm3, et Alx Ga x As de type N, avec x compris entre 0,2 et 1. L'invention sera mieux comprise grâce aux explications qui suivent, lesquelles s'appuient sur les figures qui représentent - figure 1 : coupe schématique d'un MOS-FET selon l'art connu ; - figure 2 : coupe schématique d'un lES-FET selon l'art connu ; - figure 3 : diagramme des bandes d'une hétéro-jonction isotype N-N ; - figure 4 : coupe schématique d'un PET à hétéro-jonction, selon l'invention ; - figure 5 : un premier type de transistor PET à hétérojonction, selon l'invention-; - figure 6 : un second type de transistor PET à hétérojonction selon l'invention. La figure 1 représente un transistor f#S-#ET vu en coupe schématiquement. A un substrat 1 est associée une région 2, obtenue soit par épitaxie soit par diffusion d'impuretés qui modifient la résistivité du matériau de base, cette région 2 étant par exemple de type P. Deux régions 3 et 4 sont diffusées dans la région 2 l'une constitue I'élp-trode dite source 3, et l'autre constitue l7électrode dite drain 4, complétées par des métallisations en surface et soudures des fils de connexiors. L'électrode de commande 5, dite grille, est constituée par une métallisation déposée sur une couche d'oxyde 6. C'est la raison pour laquelle ce transistor est de type MOS : il est constitué par un métal, un semiconducteur tel que le silicium et son oxyde Si 02.Ce transistor fonctionne selon un régime dit d'inversion, c'est-àdire que, sous l'action du champ électrique se forme une couche 7 contre la région d'oxyde 6, les porteurs dans cette couche 7 étant des électrons alors que la région 2 - dans laquelle est créée la couche 7 - est de type P. Ce type de transistor à inversion de type est limité en fréquence, comme il a été dit, lorsqu'il est réalisé à partir de silicium. Les tentatives avec d'autres matériaux- ne sont pas pleinement satisfaisantes : par exemple en utilisant GaAs pour la région 2, on ne sait pas déposer une couche dioxyde 6 de qualité convenable. La figure 2 représente un transistor MES-PET vu en coupe, schématiquement. Sur un substrat semi-isolant 8 est déposée une région 9 d'un matériau semiconducteur de type N par exemple. Les électrodes de source 10, de drain 11 et de grille 12 sont obtenues par métallisation des zones correspondantes à la surface libre de la région 9. Sous l'action d'une tension de commande, les porteurs majoritaires sont pincés entre la région 13 de champ de commande, développée dans la région 9, et la jonction entre les deux régions semiconductrice 9 et semi-isolante 8. Cette structure nécessite un dopage de la couche active supérieur à iO16 at/cm3, ce qui entraîne une faible mobilité des porteurs de charges. Le type de transistor à effet de champ, à hétéro-jonction, selon l'invention; a une fréquence de coupure de l'ordre de 30 % supérieure a celles des transistors MES-SET cités. Ceci est dû aux propriétés particulières de l'hétéro-jonction GaAs/AlxGal xAs. A la différence du couple de matériaux Ga/GaAs ou des difficultés d'ordre technologique et peut être de physique, font que l'interface est de qualité médiocre et porteur d'une charge négative fixe importante, le couple GaAs/AlxC-al xAs semble se comporter de façon quasi idéale. La présence d'éventuels pièges ou centres de recombinaison à l'interface n'a pu être révélée et la transition peut être très abrupte. De plus l'absence de charge négative d'interface autorise, dans les structures proposées, l'existence d'une couche d'accumulation électronique côté GaAs. L'hétéro-jonction satisfait alors au modèle proposé par Anderson dans un article intitulé "germanium gallium arsenide heterojonctions" (IBM journal, juillet 1960, pages 283-287). Cette propriété a été vérifiée par DINGLE et ses collaborateurs dans un article intitulé électron mobilities in modulation doped semiconductor heterojonction superlattice" g App. Phys. lett vol 33, n0 7, p. 665 (1968) 1,- sur une structure "super- réseau constituée par un empilement régulier de couches alternativement de GaAs non intentionnellement dopé et de AlxGal xAs dopé N. Il a mis en évidnece, dans les puits de potentiel GaAs, une forte concentration électronique et mesuré une mobilité excellente proche de la mobilité du matériau GaAs non intentionnellement dopé. Il est très douteux qu il s'agisse là d'un effet spécifique du super-réseau. Il s'agit plutôt d'une propriété des couches d'accumulation prédites par Anderson et localisées dans GaAs à chaque interface. La bonne mobilité observée résulterait alors du caractère de pureté du matériau GaAs les supportant.En résumé, dans le cas d'une hétéro-jonction isotype GaAs N (peu dopé)/AlxGal- ,As (N) - la transition peut être très abrupte. ; - l'interface est quasi idéale ; peu de pièges, de centres de recombinaison, de charge fixe ; - il existe une couche électronique d'accumulation dans le matériau GaAs - la mobilité dans la couche d'accumulation est proche de la mobilité en volume du matériau la supportant (GaAs) et donc n'est pas dégradée par le voisinage de l'interface. Il en résulte que, pour une couche GaAs faiblement dopée où la mobilité en volume est proche de la mobilité limité( 8000 crn#/v.s), cette caractéristique doit se retrouver dans la couche d'accumulation. Une autre conséquence, importante pour l'invention, est que la vitesse électronique au champ de seuil, marquant le début du transfert-électronique intervallées, doit être également élevée dans la couche d'accumulation et atteindre une valeur voisine de 2.107 cm/s caractérisant un matériau très pur. La figure 3 représente le diagramme de bandes d'une hétérojonction GaAs/AlxGai#xAs, isotype N-N c 'est-à-dire que les deux matériaux sont de même type de dopage sous polarisation positive du côté Al xGa 1#xAs. L'interface de la jonction étant au milieu des abscisses du diagramme, la bande située d'une part de cette jonction correspond à la région GaAs du transistor, faiblement dopée au niveau N1 et la bande située d'autre part de la jonction correspond à la région AlxGaî#xAs de grille du transistor, dopée N également mais à une autre concentration N2. En ordonnées, sont portées les énergies. Pour une polarisation positive de grille, apparaissent au voisinage de la jonction une zône déplétion 15 dans la grille AlxGaî#xAs, et une zône d'accumulation 14 de porteurs majoritaires (électrons) dans la région GaAs. Une tension positive sur la grille augmente la charge électrique négative de la couche d'accumulation et par la même accroît la conductivité du canal. Le dopage N1, côté GaAs est choisi le plus faible possible, par exemple 1015 at/cm3, pour que la mobilité y soit proche de la mobilité limite (8000 cm2/v.S) et relativement élevé côté AlxGai#xAs (N2) pour que la commande de charge soit efficace, par exemple 1017 at/cm3. Un dopage N2 élevé est intéressant, mais une limite supérieure liée à l'apparition de l'effet tunnel entre les deux matériaux doit être prise en considération. En restant dans la gamme de quelque 1017 at/cm3 pour N2, et choisissant par exemple une valeur pour AEc comprise entre 0,4 et 0,5 eV, l'effet tunnel est limité, de même que l'émission thermoionique. Ce choix de AEC n'est pas limitatif et dépend de la concentration en aluminium dans AlxGal xAs. Ainsi, à des valeurs de charge par unité de surface dans la couche d'accumulation de l'ordre de quelques 10 7 Cb/cm2 corres- pond une densité superficielle de majoritaires voisine de 1012 électrons/cm2, très supérieure à la densité d'états d'interface qui n1 excède pas iOg.é/cm2, et n'a donc qu'une influence négligeable sur le fonctionnement du transistor. La figure 4 représente en exemple un transistor PET à hétérojonction à accumulation de majoritaires, dont le schéma de fonctionnement vient d'être décrit. La région 17 d'un substrat 16 en arséniure de gallium semi-isolant - c'est-à-dire de très forte résistivité - est dopée faiblement, par exemple à 1015 atomes par centimètre cube environ. Une électrode de grille 18 est déposée sur la région 17. L'électrode de grille est en AlxGal xAs dopé à 1017 atomes par centimètre cube par exemple. Deux électrodes à contact ohmique, réalisées par métallisation, complètent le dispositif, la source est la métallisation 21 et le drain est la métallisation O. La région d'accumulation 21 est la région située au contact de la jonction GaAs/Alx xAs, sous la grille 18. Un tel transistor peut pour des dimensions de grill de 1 x 500 pm2 véhiculer 195 mA, avec une transconductance .e 82 mmho et une fréquence de coupure de 32 GHz, pour une tension zorille Va = 1 volt, la vitesse maximale des porteurs étant de 7. #o17 cm/s. Il s'agit donc d'un dispositif à transconductance et fréquence de coupure relativement élevées pouvant commander des courants assez forts. Il est intéressant de comparer ses performances à celles d'un MES-FET GaAs à déplétion de même géométrie et d'épaisseur de couche active de 0,2 p, le dopage étant de 1017 at/cm3. Pour une vitesse maximale de l'ordre de 1,5 107 cm/s, et pour une tension grille VG = O, un MES-FET véhicule 94 mA, a une transconductance de 60 mmho et une fréquence de couture de 24 GHz. De plus, dans le cas d'un PET à déplétion, les performances électriques se dégradent fortement aux tensions grilles élevées du fait du principe de fonctionnement mais aussi du fait de la décroissance importante de la vitesse maximale au voisinage de l'interface couche-substrat semi-isolant. Le dispositif proposé dans la figure 4 est donc avantageux, comparé au MES-PET à déplétion classique sur le plan de la transconductance, de la fréquence de coupure et de l'importance des courants commandés. Par contre, ce transistor possède une résistance parallèle de sortie RB, entre source et drain, assez faible, due à l'épaisseur de couche active de GaAs restée neutre, c'est-à-dire hors de B région d'accumulation. Pour une épaisseur de 1000 X de la région 17 de GaAs, on trouve RB = 160 Q, valeur qui peut être modifiée en choisissant une épaisseur de couche active 17 plus faible et un matériau plus résistif. Un autre inconvénient de la structure est lié à la résistivité nécessairement forte de la couche active faiblement dopée conduisant à des résistances d'accès R5 entre source et grille et RD entre drain et grille à priori très élevées dans cette géométrie, selon laquelle les gardes 22, entre source et grille, et 233 entre drain et grille, sont de l'ordre du micron. Les deux exemples de réalisations montrés en figures 5 et 6, en modifiant la géométrie, tendent à la minimisation de ces résistances d'accès Rs et RD. L.- premier exemple de réalisation d'un transistor PET à hétéro-jonction, de la figure 5, comporte, comme celui de la figure 4, un substrat 28 en GaAs semi-isolant, une région active 25 en GaAs, faiblement dopé et une région de grille 26 en AlxGal~xAs dopé N. Cependant, les régions 27 de source et 28 de drain, toutes deux en GaAs de conductivité N+, sont réalisées par implantation, avant les régions 25 et 26 qui les recouvrent partiellement. Les couches de source 27 et de drain 28 sont réalisées par diffusion ou implantation, et la couche active 25, épaisse de 1000 seulement, ainsi que la couche de grille 26 sont réalisées de préférence par épitaxie par jet moléculaire. Le fait que la couche active 25 recouvre partiellement la source et le drain entraîne que les résistances d'accès RS entre source et grille et RD entre drain et grille sont réparties, et de plus ne concernent plus qu'une distance d'environ 1000 A, en comparaison des distances 22 et 23 égales à 1 micron, dans la réalisation de la figure h. Les résistances d'accès R5 et RD sont donc très faibles, ce qui permet au transistor d'avoir une fréquence de coupure plus élevée. Les contacts sont pris sur la grille 26 au moyen d'une métallisation 29, et sur les faces libres de la source 27 et du drain 28 au moyen de deux métallisations non représentées sur la figure 5. La figure 6 représente une autre réalisation de transistor PET à hétéro-jonction, selon laquelle les résistances d'accès R5 et RD sont encore réparties à travers l'épaisseur de la couche active, le recouvrement ne se faisant plus par les faces principales des couches, mais par les faces d'extrémités, une couche étant considérée comme un parallélépipède. Ce transistor est ainsi réalisé : sur un substrat 30 en GaAs semi-isolant sont réalisés la source 31 et le drain 32, tous deux en GaAs dopés N+, puis une couche d'isolement 33 en silice. Un puits étant réservé dans la région désignée 34, entre source et drain, la couche active 35 de GaAs est déposée dans le puits, par épitaxie par jet moléculaire de préférence. En fait, lorsque la couche 35 de GaAs est déposée dans le puits, une couche 36 recouvre également la couche 33 de Si 02 : seule la partie 35 de cette couche est conductrice, la couche 36 étant très résistante. La grille 37 en AlxGal xAs est alors- déposée sur la précédente, dans le seul périmètre du puits, dopée fortement X, avant d'être recouverte par une métallisation 38 de prise de contact. Les dopages sont réalisés selon des techniques classiques avec de tels matériaux : le silicium, le soufre, le sélénium, l'étain par exemple peuvent être utilisés comme agents dopants. Seule la partie centrale active de ce transistor est représentée sur la figure 6 : les régions 31 de source et 32 de drain ont, comme sur la figure 5, une surface libre permettant de prendre les contacts. Dans cette forme de réalisation, les épaisseurs sont de l'ordre de 2 à 3000 pour les couches 31 et 32, ainsi que pour la couche de silice 33, inférieure à 1000 A pour la couche active 35, et 2 à 3000 X pour la grille 37. Ainsi, les résistances d'accès R5 entre source et grille et RD entre drain et grille sont réparties sur 2 à 3000 A - l'épaisseur de la couche de source et de drain - et, compte tenu de l'amincissement de la couche active 35 dans la partie verticale du puits, ont une longueur inférieure à 1000 A, ce qui favorise les fréquences élevées. REVEND ICAToeS 1. Transistor à effet de champ à fréquence de courure élevée comportant, supportées par un substrat semi-isolant 16, d'une part deux régions d'accès dites source 21 et drain 20, d'autre part une région de cc:rmande composée c'e couche active 17 et d'une grille 18 dont l'interface constitue une jonction, ce transistor étant caractérisé en ce que le jonction est une hétérojonction entre deux matériaux différents, GaAs pour la couche active, Al x Ga 4s pour la grille, GaAs étant de type N avec une concentration électronique inférieure à 1015 é/cm3 et Al Ga As de type N avec x compris entre 0,2 et 1. 2. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région située à proximité de lthétéro- jonction, du côté de la couche active 17, constitue une couche d'accumulation 21 des porteurs de charges majoritaires (électrons). 3. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions de source 27 et de drain 28 sont diffusées dans le substrat semi-isolant 24, la couche active 25 de GaAs puis la région de grille 26 de AlxGal xAs, toutes deux de type de conductivité N, étant ensuite déposées sur le substrat de façon que la couche active 25 recouvre partiellement les régions de source 27 et de drain 28, les résistances d'accès R5 entre source et grille, d'une part, et RD entre drain et grille d'autre part, étant ainsi diminuées, ce qui augmente la fréquence de coupure du transistor hyperfréquence. 4. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions de source 31 et de drain 32 sont épitaxiées sur le substrat semi-isolant 30, ces régions étant recouvertes par une couche de silice 33, la couche active 35 de GaAs étant ensuite déposée dans le puits 34 qui, à la surface du substrat 30, sépare les régions de source 31 et de drain 32, dopée de type N, et la région de grille 37 de AlxGal xAs déposée sur la précédente dans le seul périmètre du puits, dopée de type N, l1hétéro-jonction entre GaAs et Alx Ga As étant ainsi limitée dans le puits entre les régions de source 31 et de drain 32, ce qui a pour effet de diminuer les résistances d'accès Rs entre source et grille, d'une part, et RD entre drain et grille, d'autre part, et d'augmenter la fréquence de coupure du transistor.