Brevet FR2517888A1 — publié le 19830610

i La présente invention concerne des dispositifs ayant des structures de grille associées à des jonctions de faible profondeur. Bien qu'on ait envisagé de nombreuses matières pour l'utilisation dans les dispositifs à semiconducteur modernes, le silicium est actuellement utilisé dans l'écra- sante majorité de ces dispositifs Ceci est vrai bien que d'autres matières, comme les semiconducteurs composés du groupe III-V, soient potentiellement plus prometteurs que le silicium pour certaines applications telles que les transistors à effet de champ rapides Une matière du groupe III-V, le Ga As, a fait l'objet de recherches assez étendues pour les applications aux transistors à effet de champ, du fait que de tels dispositifs fabriqués à partir de cette matière sont potentiellement plus rapides que les disposi- tifs au silicium, du fait de la mobilité de diffusion plus élevée pour les électrons dans le Ga As. D'autres matières, par exemple le Ga 47 In 53 As, sont potentiellement plus intéressantes que le Ga As pour les applications aux transistors à effet de champ, du fait qu'ils ont des mobilités encore plus élevées en présence d'un champ électrique faible Cette composition, ainsi que d'autres contenant du phosphore, présente également de l'intérêt du fait qu'on peut la faire croître par épitaxie avec adaptation des réseaux cristallins vis-à-vis de substrats en In P Cependant, le développement de transis- tors à effet de champ au In Ga As n'a pas progressé jusqu'au stade de développement des transistors à effet de champ au Ga As et de dispositifs commerciaux, au moins en partie du fait de l'absence d'une structure de grille appropriée Il est indiqué, par exemple dans la revue Applied Physics Letters, 23, pages 458-459, 15 octobre 1973, qu'un contact ordinaire de type Au/Ga 47 In 53 As a une hauteur de barriè- re d'environ 0,2 volt et cette hauteur est trop basse pour des applications utiles concernant les transistors à effet de champ. Diverses procédures ont été adoptées pour tenter de surmonter l'absence d'une structure de grille appropriée. Leheny et col ont décrit dans IEEE Electron Device Letters, 1, pages 110111, juin 1980,un transistor à effet de champ à jonction de type In Ga As ayant une grille à jonction p-n fabriquée par diffusion de Zn Bien que ce dispositif ait eu effectivement l'avantage d'un courant de fuite de grille réduit, à cause de la jonction p-n polarisée en inverse, on n'a pas pu le fabriquer aisément avec de courtes longueurs de canal Morgan et col ont décrit dans Electronics Letters, 14, pages 737-738, 9 novembre 1978, une diode Schottky de type In Ga As avec une hauteur de barrière d'environ 0,5 volt, l'augmentation étant due à la présence d'une couche mince de Si Ox Bien que la présence de la couche de Si Ox ait augmen- tée effectivement la hauteur apparente de barrière cette couche était indésirable à cause de la présence d'un grand nombre de niveaux de pièges susceptibles de conduire à des effets de stockage de charge De plus, des transistors à effet de champ de type Ga In As utilisant une couche semi- isolante de A 10,48 Ino 0,58 As pour élever la hauteur de la barrière de Schottky ont été décrits par Ohno et col dans IEEE Électron Device Letters, 1, pages 154-155, août 1980. Il a été indiqué que l'épaisseur minimale de la couche de Al In As nécessaire pour éviter un courant d'effet tunnel notable était de 20 nm Ceci conduit à une chute de tension appréciable de part et d'autre de la couche isolante. D'autres tentatives visant à élever les hauteurs de barrière de Schottky dans des matières autres que Ga In As sont signalées dans la littérature technique Par exemple, Bucher et col ont indiqué dans Applied Physics Letters, 23, pages 617-619, ler décembre 1973,que des jonctions Au/Cd S, avec diffusion de Cu, présentent une hauteur de barrière de Schottky'accrue Shannon a indiqué dans Applied Physics Letters, 25, pages 75-77, ler juillet 1974, que la-hauteur de barrière de Schottky de diodes Ni-Si était augmentée par l'utilisation de l'implantation ionique pour créer une cou- che de type N de faible épaisseur sur une couche de type p sous-jacente. Conformément à l'invention; une couche de In Ga As mince et fortement dopée, ayant un premier type de conducti- vité et disposée sur une autre couche de In Ga As ayant un type de conductivité différent, élève la hauteur de barrière de Schottky effective de la couche de In Ga As mentionnée en dernier Dans un mode de réalisation préféré, la couche men- tionnée en premier est totalement appauvrie et consiste en Ga 47 In 53 As de type p disposé sur une couche de Ga In As de type n, formée par croissance sur un 0,47 0,53 substrat de In P Dans un autre mode de réalisation préféré, la structure résultante est utilisée dans des dispositifs consistant en transistors à effet de champ. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma d'une diode conforme à l'invention qui comporte une hauteur de barrière de Schottky accrue; La figure 2 est le diagramme de bande d'énergie à l'équilibre thermique pour une diode à barrière de Schottky conforme à l'invention; La figure 3 représente la caractéristique courant- tension d'une diode à barrière de Schottky caractéristique conforme à l'invention; et La figure 4 est un schéma d'un transistor à effet de champ conforme à l'invention. La figure 1 montre en coupe une diode de type In Ga As ayant une hauteur de barrière de Schottky accrue, conformément à l'invention Pour des raisons de clarté, les éléments du dispositif ne sont pas dessinés à l'échelle, dans cette figure comme dans les autres Le dispositif, désigné de façon générale par la référence 1, comprend un substrat en In P, 11, ayant un premier type de conductivité, une première couche épitaxiale en In Ga As, 13, ayant un pre- mier type de conductivité, une seconde couche épitaxiale en In Ga As, 15, ayant un premier type de conductivité, et une troisième couche épitaxiale en In Ga As, 17, ayant un second type de conductivité Bien qu'on indique que les couches sont des couches de In Ga As, il faut noter que ces couches peuvent contenir d'autres éléments, comme du phosphore, à condition que la couche résultante ait un réseau cristallin adapté à celui du substrat en In P Le dispositif comprend en outre un contact ohmique 19 et un contact de Schottky 21 qui sont formés respectivement avec les couches 11 et 17 Dans un mode de réalisation préféré, le second type de conductivi- té est le type p et la couche 17 a une épaisseur et une con- centration de dopage telles qu'elle est complètement appau- vrie à l'équilibre thermique, et elle élève la hauteur de barrière de Schottky effective de la couche 15 Des couches trop minces sont indésirables à cause du courant d'effet tunnel de valeur accrue. Dans un mode de réalisation, le substrat est un substrat en In P de type ni et d'orientation ( 100) La couche 13 est une couche de Ga In As de type ni ayant une 0,47 053 A épaisseur de 0,5 pum et une concentration de dopage de 2 x 1018 cm 3 qu'on fait croître de façon à éviter la possi- bilité de formation d'une jonction produisant un blocage à l'interface avec le substrat On peut supprimer cette couche si on le désire La couche 15 consiste en Ga 47 In 53 As de type n, avec une épaisseur de 3 Pm et une concentration de 17 -3 dopage de 1,1 x 10 cm 3 La couche 17 est en Ga 47 In 53 As de type p+ et a une épaisseur d'environ 8 nm et une concen- tration de dopage de 8 x 1018 cm 3 L'agent de dopage de type n peut gtre Sn ou Si et l'agent de dopage de type p peut être Be ou Mg Le contact ohmique 19 est formé par électro- déposition de Sn-Au sur le substrat et traitement thermique à 4500 C pendant environ 20 secondes Le contact de Schottky 21 consiste en un point circulaire en Au qui est déposé sur la surface. Le dispositif représenté est commodément fabriqué par des techniques classiques d'épitaxie par jet moléculaire, comme celles décrites dans l'article paru dans la revue Progress in Solid State Chemistry, 10, page 157, 1975, par A Y Cho et J R Arthur Les épaisseurs et les concentra- tions de dopage des couches sont données à titre d'exemple et peuvent être modifiées Il est souhaitable que la couche 17 ait une épaisseur comprise environ entre 7 et 100 nm On envisage d'autres modifications Par exemple, on peut utili- -5 ser Ai au lieu de Au pour former un contact de Schottky. Pour obtenir l'augmentation maximale de la hauteur de barrière, on choisit les paramètres du dispositif de manière que la couche p+ soit totalement appauvrie à l'équi- libre thermique La figure 2 montre le diagramme de bandes d'énergie pour cette diode à quasi-barrière de Schottky ayant une couche mince et totalement appauvrie La région 41 est la couche de type n, la région 43 est la couche de type p+ et la région 45 est le métal Ec, Ef, et Ev désignent respectivement la bande de conduction, le niveau de Fermi et la bande de valence On peut obtenir le diagramme en résol- vant l'équation de Poisson L'élévation de la hauteur de barrière, indiquée par A 01, pour les électrons majoritaires, B' est évidente Il faut noter que l'appauvrissement de la cou- che p est dû en partie à la jonction p -n et en partie au contact Au/p On peut effectuer une analyse détai 1 leioxflaitgue le contact Au/p+ apporte une plus grande contribution que la jonction p -n Par conséquent, le pic de l'énergie poten- tielle se trouve à l'intérieur de la couche p mais est pro- che de la jonction métallurgique p -n Le point d'inflexion dans le diagramme de bandes d'énergie, indiqué en A, est l'emplacement précis de la jonction p -n. La figure 3 montre une courbe courant-tension caractéristique pour une diode à barrière de Schottky con- forme à l'invention, ayant une épaisseur de couche pi d'environ 8 nm, avec la tension portée horizontalement en fonction du courant porté verticalement Le dispositif avait un diamètre de 300 pm et le courant de fuite inverse était d'environ 30 PA à 1 volt et de 115 p A à 1,5 volt. Ceci correspond respectivement à des courants de fuite inverses de 85 n A et de 0,33 p A, à un volt et à 1,5 volt, pour une grille de 1 x 200 pm Des courants de fuite de ce niveau sont comparables à celui de la diode Schottky amé- liorée par une couche d'oxyde On a trouvé que le courant de fuite inverse augmente exponentiellement en fonction de la tension appliquée, et on a montré que ceci résultait de l'effet tunnel. On peut calculer la hauteur de barrière effective d'une diode à barrière de Schottky par l'équation ( 1): B = k T In (A*T 2/Js) dans laquelle A* est la constante de Richardson et J est s la densité de courant de fuite inverse Si on suppose que la masse effective de l'électron est 0,041 m, A* 2 2 4,92 A/cm 2/k 2, et la hauteur de barrière effective est de 0,47 volt Théoriquement, l'augmentation de la hauteur de barrière de Schottky t B sous l'effet de la couche de sur- face p+ est donnée approximativement par l'équation ( 2): 1, q N Ad 2 A OB 2 E s dans laquelle E S est la permittivité de la couche de S Ga O 47 In 53 As, N Aest le niveau de dopage dans la couche p et d est l'épaisseur de la couche p Bien qu'on puisse montrer que l'équation ( 2) n'est valide que lorsque la rela- tion ( 3): A, B Vbi ND Nd > bi D ( 2) A dans laquelle ND est le niveau de dopage de la couche de type N et Vbi est le potentiel établi de la jonction p -n, bi est elle-même valide, l'épaisseur et le niveau de dopage dans la structure décrite satisfont cette condition Par conséquent, on calcule une valeur de 0,3 volt pour l'éléva- tion de la barrière de Schottky, ce qui donne une hauteur de barrière effective totale de 0,5 volt, ce qui-concorde raisonnablement bien avec le résultat calculé par l'équa- tion ( 1). La caractéristique I-V directe représentée sur la figure 3 correspond raisonnablement bien à l'équation de courant classique pour une diode à barrière de Schottky avec un facteur d'idéalité de 1,3 Ce facteur d'idéalité différent de l'unité indique que la hauteur de barrière effective dépend fortement de la tension Ceci n'est pas surprenant si on considère que la tension appliquée donne lieu à une chute de part et d'autre de la couche p+ appau- vrie et de la région d'appauvrissement dans la couche de type n Bien qu'un facteur d'idéalité différent de l'unité pour une barrière de Schottky puisse générer un bruit de grenaille excessif pour une application de diode mélangeuse, il n'est pas excessivement important pour une application consistant en un transistor à effet de champ de type MES (métal-semiconducteur) D'autres applications consistent par exemple en diodes IMPATT ainsi qu'en d'autres dispositifs à barrière de Schottky Si on suppose que la tension de cou- pure, par exemple, est la tension de polarisation en sens direct qui est nécessaire pour atteindre un courant de, par exemple, 10 p A, la diode à barrière de Schottky a une ten- sion de coupure de 0,005 volt. On a estimé que la concentration de trous libres était'environ 14 -3 dans la couche p+ était d'environ 1,6 x 10 cm, en se basant sur la séparation entre le niveau de Fermi et le maximum de la bande de valence Ce nombre est négligeable comparé à N et satisfait la condition d'appauvrissement, A c'est-à-dire que p est très inférieur à NA, lorsqu'on dési- gne par p la concentration de trous libres. On a fabriqué un dispositif conforme à la figure 1 avec les mêmes concentrations de dopage et les mêmes épais- seurs de couche, à l'exception du fait que la couche 17 avait une épaisseur de 70 nm Une diode à jonction p-n en Ga 47 In 53 As ayant la même aire que le dispositif décrit précédemment a présenté une tension de coupure de 0,14 volt et un courant de fuite inverse de lm A pour une polarisation de 2 volts. On a également déterminé la caractéristique capa- cité-tension de la diode Les mesures de la caractéristique C-V à 1 M Hz n'ont montré aucune hystérésis Un graphique de C 2 en fonction de la tension (non représenté) a suggéré l'existence d'une concentration de porteurs uniforme de 1,2 x 1017 cm 3 dans la couche de type n, et une hauteur de barrière d'environ 0,51 volt Ces mesures présentaient res- pectivement une bonne concordance avec la mesure de Hall et la mesure I-V. Le dispositif représenté sur la figure 1 et ses versions modifiées peuvent être utilisés directement ou peuvent faire l'objet de modifications supplémentaires ou être incorporés dans d'autres dispositifs tel que le transis- tor à effet de champ qui est représenté en coupe sur la figu- re 4 Ce dispositif comprend de façon générale le dispositif représenté sur la figure 1, à l'exception du fait que la cou- che 13 a été supprimée et du fait que le substrat 31 est maintenant semi-isolant Le contact 21 est désigné par G et le contact ohmique 19, c'est-à-dire le contact de substrat, est supprimé La couche 35 consiste en In 53 Ga 47 As de type N et la couche 37 consiste en In 53 Ga 47 As de type p Le dispositif comprend en outre des électrodes de source (première électrode) et de drain (seconde électrode) qui sont respectivement désignées par S et D On fabrique commodément le dispositif par des techniques classiques d'épitaxie par jet moléculaire On fabrique commodément les électrodes par dépôt de l'alliage Au-Ge-Au classique sur la surface de In Ga As de type p, en procédant à l'alliage pen- dant une durée d'environ 30 secondes à une température d'environ 4400 C L'alliage pénètre dans la couche pi et s'arrête dans la couche de type n Des mesures ont montré que les électrodes de source et de drain deviennent ohmiques après traitement thermique. La couche p, formée initialement, a une épaisseur inférieure à environ 100 nm et elle est suffisamment épaisse pour empêcher l'existence d'un courant d'effet tunnel nota- ble Des couches plus épaisses ne sont pas souhaitables du fait de la difficulté d'établir un contact électrique avec la couche 35 Le couche 37 est attaquée après que des con- tacts ohmiques ont été formés, pour obtenir une épaisseur de moins d'environ 15 nm entre les électrodes de grille et les électrodes de source et de drain Les contacts en métal font ainsi fonction de masques pour le traitement d'attaque. L'attaque peut être effectuée avec des techniques d'attaque classiques Il n'est pas nécessaire d'enlever complètement la couche pi du fait qu'une partie de la couche 37 située sous l'électrode de grille est complètement appauvrie On peut supprimer l'attaque si l'épaisseur de la couche p+ formée initialement, est inférieure à 15 nm. Bien qu'on ait représenté des dispositifs conduc- teurs en l'absence de polarisation, on peut également fabri- quer un dispositif bloqué en l'absence de polarisation, en faisant varier d'une manière connue l'épaisseur de la couche 37 De plus, bien qu'on ait décrit un transistor à effet de champ à canal n, on peut fabriquer des transistors à effet de champ à canal p en donnant le type N à la couche 37 et le type p à la couche 35. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif à semiconducteur comprenant un substrat, au moins un ensemble de couches épitaxiales et au moins un contact électrique, caractérisé en ce que le substrat ( 11, 31) consiste en In P, le ou les ensembles de couches épitaxiales comprennent, successivement à partir du substrat, une première couche épitaxiale ( 15, 35) consistant en In Ga As ayant un premier type de conductivité et une seconde couche épitaxiale ( 17, 37) consistant en In Ga As ayant un second type de conductivité, la seconde couche épitaxiale ayant une épaisseur allant de 7 à 100 nm, et le ou les contacts électriques comprennent un contact électri- que ( 21, G) avec la seconde couche épitaxiale, tandis que le ou les ensembles de couches épitaxiales peuvent comprendre en outre, facultativement, une autre couche épitaxiale en In Ga As (par exemple 13) ayant le premier type de conductivi- té et se trouvant entre le substrat en In P ( 11) et la pre- mière couche épitaxiale (par exemple 15). 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le premier type de conductivité est le type n et le second type de conductivité est le type p. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce que la seconde couche épitaxiale ( 17, 37) a une épaisseur inférieure à 15 nm. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les contacts électriques comprennent un contact ohmique ( 19) avec le substrat ( 11), et la seconde couche épitaxiale ( 17) est pratiquement complètement appauvrie à l'équilibre thermi- que. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que les contacts électri- ques comprennent un contact électrique (G) avec la seconde couche épitaxiale ( 37) et deux contacts électriques supplé- mentaires (D et S) avec la première couche épitaxiale ( 35), et le premier contact électrique est placé entre-les con- tacts électriques supplémentaires. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la seconde couche épitaxiale ( 37) qui se trouve entre les contacts électriques supplémen- taires (S et D) a une épaisseur inférieure à 15 nm.