Brevet FR2465317A2 — publié le 19810320

FR 2465317 A2 19810320 FR 7922301 A 19790906 - La présente invention concerne des perfectionnements aux dispo- sitifs semi-conducteurs de type transistor à effet de champ et plus spécialement ceux dont la fréquence de coupure est élevée. Dans la demande de brevet français n0 79 078 03 déposée par la demanderesse est décrit un dispositif semi-conducteur à effet de champ comportant, supporté par un substrat semi-isolant, d'une part les régions source et drain, d'autre part une couche active et une grille formant avec la couche active une hétérojonction isotype N - N. La grille est constituée de Al Ga As etna couche active 16x l-x de GaAs dont le dopage est inférieur à 10 électrons par centimètres cube. La région proche de l'hétérojonction, du côté GaAs, constitue une couche d'accumulation d'électrons à forte mobilité. Ce dispositif semi-conducteur constitue un progrès par rapport à l'art antérieur et présente encore deux types-de limitation: - en premier lieu, la barrière de potentiel entre la couche GaAs et la couche AlxGal xAs peut ne pas être suffisamment élevée pour éviter une fuite importante de courant dûe par exemple à l'effet tunnel entre la grille et la couche active lorsque l'on appli- que une tension positive sur la grille - en second lieu, par suite de la disposition source et drain par rapport à la région grille, le courant source drain traverse deux zones constituées de GaAs faiblement dopé donc très résistif. Les résistances d'accès équivalentes à ces deux zones appelées Rsentre source et grille et Rd entre grille et drain sont élevées. Elles limitent ainsi les performances des transistors à haute fré- quence. Les structures proposées par le brevet principal permettent déjà de réduire notablemment les résistances Rset Rd e réduisant les dimensions des zones résistives à faible niveau -ie dopage. Mais les résistances R et Rd ainsi obtenues restent cependant plus éle- s d vées que celles que l'on rencontre sur des transistors de l'art connu tels que ceux dénommés MESFET. L'objet de la présente invention est de ?dmpléter l'invention principale par deux perfectionnements dontf, - le premier consiste à réduire le 4urant de fuite entre la grille et la couche active jusqu'à des-valeurs comparables à celles que l'on rencontre sur les transistors à effet de champ selon l'art connu. Ce résultat est obtenu en réduisant l'épaisseur de la couche AlxGalîxAs à quelques centaines d'angstroems et en intercalant un isolant entre cette couche de AlxGal xAs et la métallisation de grille; - et le second, consiste à réduire les résistances d'accès Rset Rd jusqu'à des valeurs comparables à celles qui sont obtenues sur les transistors à effet de champ selon l'art connu. Ce résul- tat est obtenu en amenant les régions de source et de drain jusqu'à proximité de la zone d'accumulation d'électrons laquelle se trou- ve dans la couche active de GaAs et à proximité de la couche AlxGal xAs, sup- primant ainsi le parcours du courant source drain dans les zones ré- sistives à faible niveau de dopage. De façon plus précise, l'invention consiste en un transistor à effet de champ à fréquence de coupure élevée, suivant la première revendication du brevet principal, comportant un substrat semi- isolant, deux régions d'accès dites source et drain et une hétérojonction constituée d'une couche active en GaAs, faiblement dopée de type N et d'une couche en AlxGa As qui remplit la fonction de grille, ce transistor étant x 1-x caractérisé en ce que: - en premier lieu, la couche en AlxGa As est d'épais- seur comprise entre cent et deux mille d'angstroems et recouverte par une couche d'isolant intercalée entre la couche en AlxGa xAs et la métallisation de prise de contact de grille; - en second lieu, les deux régions de source et de drain sont étendues dans la couche active en GaAs jusqu'à la région d'accumulation des électrons, voisine de l'hétérojonction entre GaAs et AlxGa lxAs. L'invention sera mieux comprise grâce aux explications qui suivent lesquelles décrivent des réalisations pratiques et s'ap- puient sur les figures suivantes qui représentent: - figure l:coupeschématique d'un transistor à effet de champ à hétérojonction isotype N-N selon l'art antérieur, mettant en évi- dence la couche d'accumulation d'électrons; - figure 2:diagramme des bandes d'énergie d'une hétérojonction isotype N-N correspondant à l'hétérojonction de la figure 1; - figure 3:diagramme des bandes d'énergie d'une structure se- lon l'invention; - figure 4:un type de transistor à effet de champ à hétéro- jonction comportant une couche d'isolant selon l'invention; - figure 5: coupe d'un transistor à effet de champ à hétéro- jonction isotype N-N selon l'art antérieur mettant en évidence les zones de résistance d'accès - figures 6, 7, 8 -coupe de plusieurs transistors à effet de champ à hétérojonction de faible résistance d'accès Rs et Rd selon l'invention. La figure 1 représente le schéma d'un transistor à effet de champ selon l'art connu, lequel comporte un substrat semiisolant (1),recouvert successivement par une couche active(2)en GaAs peu dopée de type N et par une grille(3)en AlxGa xAs dopée N, deux régions de source (4) et de drain (5) en GaAs N+ fortement do- pés étant réalisées dans le substrat. La région d'accumulation d'électrons (6) se trouve située dans la couche active (2) en GaAs à proximité de la surface de la grille en AlxGal xAs. Ce transistor à effet de champ peut encore présenter des courants de fuites trop importants entre la couche active (2) et la grille (3) en raison de l'effet tunnel à travers la barrière de potentiel de l'hétéro- jonction. L'effet tunnel sera facilement compris en considérant la se- conde figure qui représente le diagramme des bandes d'une hétéro- jonction entre deux couches de GaAs et AlxGal xAs isotype N N, sous polarisation positive du côté de la couche AlxGal xAs. Ce diagramme est séparé en deux parties par une droite verticale qui représente la jonction entre une couche GaAs à gauche du diagramme et une couche AlxGa xAs à droite du diagramme.Pour chacun de ces deux matériaux sont représentées la bande de valence, la bande de con- duction dont la valeur est supérieure à celle de-la bande de valen-- ce et une droite qui fixe les niveaux de Fermi. L'effet tunnel est schématisé par les parcours (7) des électrons à travers la barrière de potentiel (8).L'effet tunnel est d'autant plus important que la barrière est plus faible et que la courbure (9) de la bande-de con- Z5 duction est plus prononcée. On peut donc diminuer l'effet tunnel en relevant la hauteur de barrière par utilisation d'une couche AlxGal xAs à forte teneur d'aluminium. Par ce procédé on accrûit la différence de paramètre de maille cristallines entre GaAs et AlxGalxAs ce qui crée alors des contraintes mécaniques et même des défauts cristallographiques à l'interface de l'hétérojonction lesquelles entraînent des conséquences néfastes sur qualité de l'hétérojonction. La diminution de l'effet tunnel s'obtient également en rédui- sant la courbure (9) de la bande de conduction par un abaissement du taux de dopage de AlxGal xAs mais cette solution n'est pas très efficace. En effet, l'abaissement du taux de dopage AlxGal xAs entraîne une réduction de la concentration de charge dans la cou- che d'accumulation: une plus forte polarisation de AlxGa As O10 crée alors une plus grande accumulation mais a pour conséquence de courber les bandes de conduction et donc de favoriser l'effet tunnel ce qui s'oppose au résultat recherché. La figure 3 représente le diagramme de bande de la structure faisant l'objet de l'invention. Sur une couche (10) de GaAs N peu dopée sont déposés par tout moyen approprié une couche (11) de AlxGal xAs dopée N d'épaisseur de l'ordre de quelques centai- nes d'angstroems puis une couche (12) d'isolant et un dépôt métal- lique (13) constituant la grille du transistor. Une telle structure minimise fortement le courant de fuite entre GaAs et le métal de grille à cause de ra-f-orte barrière-de potentiel, plusieurs électrons voltsprésentée par l'isolant comme cela est montré sur cette figure 3. La structure proposée au titre de l'invention diffère de la structure métal isolant semi-conducteur classique appelée struc- ture MIS ou MOS par l'intercalage entre le semi-conducteur de la couche active (GaAs) et la couche d'isolant d'une couche mince de AlxGalxAs. Elle conserve donc l'avantage de l'hétérojonction isotype N-N, c'est à dire une bonne mobilité des électrons dans la couche d'accumulation, mais également l'avantage d'un transis- tor MIS ou d'un MOS par l'existence d'un faible courant de fui- te entre la couche active et la grille. La couche isolante de la structure proposée peut être cons- tituée d'un isolant classique tel que SiO2, SiN4, Ag203, etc... déposée sur la couche de AlxGal xAs. Elle peut aussi résulter d'une oxydation superficielle de la couche AlxGal xAs. La figure 4 représente un exemple de réalisation d'un tran- sistor à hétérojonction comportant une couche d'isolant. Ce tran- sistor est réalisé sur un substrat (14) en GaAs semi-isolant, deux régions de source (15) et de drain (16) en Ga As dopé N+ sont implantées ou diffusées dans le substrat. Puis sont déposées la couche (17) en GaAs faiblement dopée de type N et la couche (18) en AlxGa xAs de quelques centaines d'angstroems d'épaisseur et enfin la couche (19) d'isolant est formée par l'un des procédés décrits plus haut. Le mésa est ensuite dégagé, c'est à dire la partie proéminante constituée par l'empilement GaAs/AlxGal xAs/isolant. La figure 5 est comparable à la figure 4 mais elle met en évidence les résistances d'accès Rs entre source et grille et Rd entre drain et grille lesquelles résultent en grande partie de l'existence respective des régions 20 et 21 faiblement dopées. La figure 6 montre comment ces régions 20 et 21 faiblement dopées sont éliminées par extension dans la couche (17) de GaAs jusqu'à la région d'accumulation d'électrons à faible résistivité des zo- + nes N 22 de source et 23 de drain. + Cette extension de zones N dans la couche de GaAs faiblement dopée est obtenue par une diffusion d'impuretés, qui peut se faire selon le procédé suivant. Des dopants possédant un grand coefficient de diffusion ther- mique, tel que le souffre, sont d'abord implantés dans le substrat semiisolant (14) à l'emplacement des zones N + (15) et (16). Les couches (17) en GaAs faiblement dopées et (18) en AlxGal xAs dopées N sont ensuite réalisées par épitaxie. L'ensemble de la structure est ensuite recuit de telle façon que les défauts dus à l'implan- tation soient éliminés et que le dopant diffuse vers lesrégions (22) et (23). Après avoir détermine au préalable, les profondeurs des régions (22) et (23), en particulier de la couche (17) en GaAs, l'épaisseur de la couche (17) en GaAs est fixée de manière que les régions (22) et (23) pénètrent dans la région d'accumula- tion d'électrons. Au cours du recuit, des impuretés dopantes con- tenues dans la couche (18) de AlxGal xAs diffusent aussi vers la couche (17) de GaAs si l'on ne prend pas soin de ne doper la cou- che AlxGalxAs qu'à une certaine distance de l'interface avec la couche GaAs, la dite distance correspondant à la longueur de diffusion de l'impureté dopant AlxGal xAs. L'épaisseur de la couche d'accumulation d'électrons étant de quelques dizaines à quelques centaines d'angstroems, le contr8le de la diffusion est délicat pour que les régions (22) et (23) pénètrent juste dans la couche d'accumulation. Dans un cas limite, les régions (22) et (23) peuvent dépasser la couche d'ac- cumulation d'électrons et pénètrent dans la couche (18) en AlxGal xAs, mais cette couchemince complètement dépeuplée d'électrons ne laisse pas passer le courant entre source et drain. La figure 7 représente un autre exemple de réalisation de tran- sistor à effet de champ à hétérojonction à faible résistance d'ac- cès Rs et Rd. Ce transistor comporte un substrat semi-isolant (14) une couche (17) en GaAs,une grille (18) en AlxGal xAs.Cependant les sources et drains sont obtenus directement par des métallisa- tions 24 de source et 25 de drain sur le flanc de la partie proé- minente constituée par l'empilement des couches GaAs et AlxGa xAs que l'on apelle mesa. Ces métallisations recouvrent à la fois les flancs des cou- ches de GaAs et AlxGalxAs. Elles sont du type prise de contact ho- x l-x 17 minique sur GaAs, ayant un taux de dopage de l'ordre de 1017 par cm3. Elles-forment donc un contact- bhmique avec la couche d'accumu- lation d'électrons. Les résistances d'accès Rs et Rd sont par conséquent réduites et strictement limitées à celles des couches d'accumulation. Pour éviter que les métallisations ne créeent un courant de fuite entre source et drain, à travers la couche de AlxGal xAs, on isole cette dernière des contacts source et drain par des cou- ches d'oxyde 26 et 27 d'épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'angstroems. Ces couches s'obtiennent par oxydation superficielle des flancs du mésa. Cette oxydation est beaucoup plus profonde sur la couche AlxGal xAs que sur la couche GaAs parce que AlxGal xAs est plus oxydable que GaAs. Avant le dépôt des contacts ohmicues source et de drain, la couche superficielle d'oxyde de GaAs est enlevée par les méthodes classiques telle que la pulvérisation cathodique. La figure 8 représente un autre mode de réalisation de la structure de la figure précédente, le transistor possédant en outre une couche 19 d'isolant déposé sur la grille 18, celle-ci étant mince. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ à fréquence de coupure élevée, suivant la première revendication du brevet principal, comportant un substrat semiisolant (14), deux régions d'accès dites source (15) et drain (16) et une héférojonction constituée d'une couche active (17) en Ga As, faiblement dopée de type N et d'une couche (18) en AlxGal xAs qui remplit la fonction de grille, ce transis- tor étant caractérisé en ce que: - en premier lieu, la couche (18) en AlxGal xAs est d'épais- seur comprise entre cent et deux mille angstroems et recouverte par une couche (19) d'isolant intercalée entre la couche (18) en AlxGalxAs et la métallisation de prise de contact de grille; - en second lieu, les deux régions de source (15) et de drain (16) sont étendues dans la couche active (17) en GaAs jusqu'à la région d'accumulation des électrons, voisine de l'hétérojonction entre GaAs et AlxGalxAs. 2. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la couche d'isolant (19) est un dérivé du silieium, tel qu'oxy- de SiO2 ou nitrure Si3-4.. 2 3 4- 3. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la couche d'isolant (19) est un dérivé de l'alu- minium, tel qu'oxyde A1203, obtenu par dépôt direct ou par oxyda- tion superficielle de la couche (18) en AlxGa xAs. 4. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caracté- risé en ce que des métallisations 24 de source et 25 de drain sont déposées sur le flanc du mésa constitué par les couches AlxGalxAs et GaAs, de façon à former des contacts ohmiques avec la région d'accumulation d'électrons dans GaAs, les métallisations 24 et 25 étant isolées électriquement de la couche de AlxGalxAS par des couches d'oxyde 26 et 27 d'épaisseur de quelques dizaines à quel- ques centaines d'angstroems. 5. Procédé de réalisation du transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pénétration des zones N de source et de drain dans la couche de GaAs s'obtient par im- plantation ionique des zones N+ avec un dopant à grand coefficient de diffusion thermique, tel que le soufre, puis par dépôt des cou- 8 2465317 ches 17 de GaAs et 18 de AlxGai1xAs, ensuite par recuit de l'en- semble de façon à faire diffuser le dopant de la zone implantée à la région d'accumulation d'électrons se trouvant dans la couche de GaAs. - 6. Procédé de réalisation du transistor à effet de champ selon la revendication 1 caractérisé en ce que, au cours du dép5t de la couche de AlXGa1X As, le dopage de cette couche s'effectue à partir d'une distance de l'interface avec GaAs correspondant à la longueur de diffusion du dopant dans AlXGaî XAs. O 7. Procédé de réalisation du transistor à effet de champ selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que-les couches d'oxyde 26 et 27 s'obtiennent par oxydation superficielle des flancs du mé- sa, cette oxydation étant plus profonde sur la couche de Al xGa As que sur celle de GaAs en raison de leur différence d'oxydabilité, la couche d'oxyde recouvrant GaAs étant ensuite enlevée avant métal- lisation par des techniques connues telles que la pulvérisation io- nique.