Brevet FR2488047A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne une diode à capacité variable, constituée par un substrat semiconducteur à faible résistance, une couche épitaxiale, disposée sur le substrat et dont la concentration en impuretés décroît vers ce dernier, et une couche d'arrêt disposée dans ou sur la couche épitaxiale, du côté opposé au substrat. Des diodes à capacité variable sont utilisées par exemple en UHF, pour l'accord de circuits oscillants en fréquence. Elles doivent pré- senter une faible résistance série et une variation C(U) définie, et produire une pente d'accord constante dans le circuit oscillant. La variation de la capacité en fonction de la tension continue appliquée et de la résistance série de la diode à capacité variable dépend forte- ment du profil de dopage de la partie de la diode dans laquelle la zone à charge d'espace se développe quand une tension appliquée sollicite la couche d'arrêt dans le sens inverse. L'invention a pour objet une diode à capacité variable, présentant une variation rigoureusement définie de la capacité en fonction de la tension continue inverse appliquée. La diode doit en outre présenter une tension de claquage aussi élevée que possible et une faible résis- tance série. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la couche épitaxiale contient, directement sous la couche d'arrêt, une région superficielle semiconductrice relativement mince, moins dopée que la région intermédiaire très mince qui lui fait suite; et la région semiconductrice dont la concentration en impuretés décroît vers le substrat semiconducteur fait suite à la région intermédiaire mince. La région semiconductrice intermédiaire, fortement dopée et située à l'intérieur du substrat semiconducteur, permet de stabiliser la capa- cité à une valeur prédéterminée et définie, sous une tension prédéter- minée donnée. Il est ainsi possible de fixer de façon reproductible la caractéristique C(U) à partir de la valeur définie. La capacité de la diode varicap, fixée par l'épaisseur de la région superficielle et stabilisée sur une plage de tension prédéterminée par la région intermédiaire, dépend de l'application considérée. Dans un circuit oscillant UHF par exemple, dont la plage d'accord est comprise entre 3 et 28 V, il est possible de stabiliser la capacité correspondant à une tension de 3 V appliquée à la varicap. Ce point est important car, dans les varicaps classiques, la caractéristique C(U) est très abrupte sur la plage de tension située au-dessous de la limite d'accord et il est par suite difficile d'ajuster une valeur initiale définie de la capacité à la limite d'accord inférieure. La présence de la région intermédiaire réduit aussi le champ superficiel. Il est ainsi possible d'obtenir des tensions de claquage plus élevées avec des propriétés de la diode par ailleurs comparables. La couche d'arrêt de la diode à capacité variable est avantageuse- ment constituée par une jonction redresseuse métal-semiconducteur, souvent appelée contact de Schottky. L'arséniure de gallium convient particulièrement bien comme matériau semiconducteur, car la mobilité des porteurs de charge est très élevée dans ce matériau. La concen- tration nette en impuretés dans la couche épitaxiale décroît continû- ment de la région intermédiaire vers le substrat semiconducteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la concentration nette en impuretés dans la couche épitaxiale décroît jusqu'à une valeur déterminée, à partir de la région intermédiaire, puis demeure cons- tante jusqu'au substrat semiconducteur. La partie de la couche épita- xiàle adjacente au substrat semiconducteur présente par suite une résistance plus faible, de sorte que la résistance série de la diode à capacité variable est réduite au total. Le profil de dopage est choisi de façon à donner l'accord requis du circuit oscillant, le facteur important étant une linéarité aussi bonne que possible de la variation de fréquence en fonction de la tension appliquée à la varicap. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente la structure multicouche de la diode à capacité variable selon l'invention; et la figure 2 représente la variation de la concentration nette en impu- retés dans une section du substrat selon figure 1. Le substrat semiconducteur 1 est par exemple constitué par de l'arséniure de gallium à dopage n, d'une épaisseur de 200-400 im par exemple. La concentration en impuretés du substrat 1 est d'environ 18 3 10 atomes/cm Plusieurs couches 2-4 sont déposées successivement par épitaxie sur ce substrat 1 fortement dopé; la variation des paramètres de dépôt permet de produire ces couches en une seule opération, par épitaxie en phase gazeuse ou à jet moléculaire. Il est recommandé d'insérer le cas échéant, entre le substrat 1 fortement dopé et la couche semiconductrice 2 déposée par épitaxie, une couche tampon la dont la concentration en impuretés est comprise entre celle du substrat et celle de la couche épitaxiale 2. On interdit ainsi la diffusion d'un excès d'impuretés du substrat 1 dans les couches épitaxiales, pendant le dépôt de ces dernières. La couche tampon la, d'une épaisseur de quelques pm par exemple, présente une concentration en impuretés comprise entre 10 et 10 atomes/cm3. La couche épitaxiale 2 déposée sur la couche tampon la présente une épaisseur d'environ 3 pm par exemple et une concentration en impu- retés croissant à partir du substrat 1 ou de la couche tampon la. L'allure de la concentration en impuretés dans la couche 2 est illus- trée sur la figure 2, qui ne tient pas compte de la concentration en impuretés de la couche tampon la. Le dopage minimal se trouve alors dans la couche épitaxiale 2, directement sur la jonction avec le subs- trat 1 fortement dopé. Dans un exemple de réalisation, la concentration en impuretés a cet endroit est d'environ 10 atomes/cm et croit con- tinûment jusqu'à une valeur d'environ 10 atomes/cm sur la couche intermédiaire 3, comme l'indique la courbe de la figure 2. Dans une autre exemple de réalisation préférentielle, la concentration en impu- retés dans la couche 2 est d'abord constante à partir du substrat semiconducteur 1 ou de la couche tampon la, et par exemple égale.à 2.10 atomes/cm dans une épaisseur de couche d'environ 1 lim. La concentration en impuretés dans la couche 2 croit ensuite continûment jusqu'à la valeur précitée, à la limite de la région intermédiaire 3. Sur la figure 2, la variation continue de la concentration en impure- tés est désignée par a et la variation avec un dopage d'abord constant par b. La variation de dopage selon la courbe b-présente l'avantage suivant: la résistance série est réduite par le dopage sensiblement plus élevé à proximité du substrat semiconducteur. La variation de la concentration en impuretés dans la couche 2 248804? détermine dans une large mesure la caractéristique capacité-tension de la diode varicap, car la capacité de la diode résulte de l'étendue de la zone à charge d'espace en fonction de la tension inverse appliquée. La région semiconductrice 2 est toutefois suivie d'une mince région intermédiaire 3, dont la concentration moyenne en impu- retés est supérieure à celle de la région intermédiaire 2 et à celle de la région superficielle 4 venant ensuite. La région semiconduc- trice intermédiaire 3, également produite par épitaxie, a par exemple une épaisseur de 0,05-0,2 pm seulement. La concentration en impuretés 16 3 est d'environ. 2 à 5.10 atomes/cm. Le dopage dans la région intermé- diaire 3 présente de préférence la forme d'une pointe aciculaire ou d'une fonction de Dirac. Pour une valeur intégrale définie du dopage et de l'épaisseur, la région doit être aussi étroite que possible et le dopage aussi élevé que possible, afin d'obtenir une relation opti- male entre une tension définie et une capacité stable. Une région superficielle 4 s'étend de la région intermédiaire 3 jusqu'à la surface du semiconducteur; elle présente une épaisseur d'environ 0,5-1 pm et une concentration en impuretés sensiblement cons- 16 3 tante ou décroissant jusqu'à la surface, d'environ 10 atomes/cm ou moins. La liaison entre la région superficielle et la région intermé- diaire assure une stabilisation de la capacité à une valeur définie et réduit en outre le champ superficiel. Sous une faible tension inverse, la zone à charge d'espace rencontre la région intermédiaire 3, puis ne s'étend que lentement au-delà de cette région 3 fortement dopée et mince. La capacité dans cette région est pratiquement indé- pendante de la tension inverse et peut ainsi être ajustée avec préci- sion. La structure multicouche de la diode varicap selon l'invention permet un réglage très précis de la caractéristique capacité-tension résultante. Toutes les couches du substrat semiconducteur en arséniure de gallium n selon figure 1 sont de préférence dopées avec du soufre. La région superficielle 4 porte encore une couche métallique 5, avec laquelle elle forme une jonction redresseuse semiconducteur-métal ou jonction de Schottky. Les métaux utilisables sont par exemple l'alu- minium, le platine ou des alliages titane-tungstène. La surface du semiconducteur peut en outre être recouverte par une couche de passi- vation 6 en dioxyde de silicium par exemple. Il est évidemment possible aussi de remplacer le contact de Schottky 5 par une couche p, la diode variacap obtenue présentant alors une jonction pn. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 24880 47 Revendications 1. Diode à capacité variable, constituée par un substrat semiconduc- teur à faible résistance, une couche épitaxiale, disposée sur le substrat et dont la concentration en impuretés décroît vers ce der- nier, et une couche d'arrêt disposée dans ou sur la couche épitaxiale, du côté opposé au substrat, ladite diode étant caractérisée'en ce que la couche épitaxiale contient, directement sous la couche d'arrêt, une région semiconductrice superficielle (4) relativement mince, moins dopée que la région intermédiaire (3) très mince qui lui fait suite; et la région semiconductrice (2) dont la concentration en impuretés décroît vers le substrat semiconducteur (1) fait suite à la région intermédiaire (3) mince. 2. Diode à capacité variable selon revendication 1, caractérisée en ce que la concentration en impuretés dans la couche épitaxiale (2) décroît continûment de la région intermédiaire (3) vers le substrat semiconducteur (1). 3. Diode à capacité variable selon revendication 1, caractérisée en ce que la concentration en impuretés dans la couche épitaxiale (2) demeure constante et égale à une valeur déterminée entre la région intermédiaire (3) et le substrat semiconducteur (1). 4. Diode à capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche d'arrêt est une jonction redresseuse semiconducteur-métal (contact de Schottky). 5. Diode à capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la région superficielle -(4) est d'environ 0,5-1 jim. 6. Diode à capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'épaisseur de la région intermédiaire (3) est d'environ 0,05-0,2 pm. 7. Diode à capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par la réalisation du substrat semiconducteur (1- 4) en GaAs de type n. 8. Diode à capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la région superficielle (4) présente une 16 3 concentration en impuretés inférieure à 10 atomes/cm tandis que la Z488047 région intermédiaire (3) présente une concentration en impuretés d'environ 2-5.10 6 atomes/cm3. 9. Diode à capacité variable selon une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la couche épitaxiale (2) déposée sur le subs- trat semiconducteur (1) présente une concentration en impuretés d'environ 10 5- 5.1015 atomes/cm 10. Procédé pour la production d'une diode a capacité variable selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que toutes les régions semiconductrices sont déposées sur le substrat semiconducteur par épitaxie en phase gazeuse ou à jet moléculaire.