Brevet FR2515866A1 — publié le 19830506

DISPOSITIF A TRANSFERT D'ELECTRONS FONCTIONNANT DANS LE DOMAINE DES HYPERFREQUENCES L'invention concerne une diode à transfert d'électrons, et plus exacte- ment une nouvelle structure de cathode pour ce type de diode, appelée plus couramment diode Gunn L'objet de cette nouvelle cathode est d'augmenter la puissance utile de la diode, dans le domaine des hyperfréquences. Les diodes Gunn sont des composants hyperfréquences de génération ou d'amplification dont le fonctionnement repose sur un mécanisme de résistance négative de volume, inhérent à certains composés de la famille III-V, en particulier Ga As et In P, entre autres. Selon l'essentiel de ce mécanisme de résistance négative, la bande de conduction des composés 111-V tels que le Ga As ou -l'ln P-comporte deux vallées, parfois trois, mais on se limitera au modèle plus simple de deux vallées: la vallée principale dans laquelle les électrons sont très mobiles (/u > 5000 cm 2/V/s pour une concentration de dopage Nd % 1015 cm3) et la vallée secondaire dans laquelle la mobilité est environ 20 fois plus faible. Le minimum secondaire est situé, dans l'échelle des énergies, à quelques dixièmes d'électrons-volts ( 0,35 e V pour le Ga As, 0,5 e V pour l'In P) au-dessus du minimum principal Il en résulte que si l'on applique un champ électrique à un barreau de Ga As muni de deux contacts ohmiques, la mobilité apparente sera fonction de la valeur de ce champ électrique Pour un champ faible, les électrons sont presque tous dans la vallée principale et la mobilité moyenne est grande Si l'on augmente le champ, l'énergie cinétique moyenne des électrons augmente, donc la population de la vallée secondaire augmente au détriment de la vallée principale, d'o une diminution de la mobilité moyenne Lorsque le champ atteint une valeur dite critique EC de l'ordre de 3500 V/cm ( 10 000 V/cm pour l'Inp), ce transfert entre vallées devient suffisamment notable pour que la mobilité différentielle soit négative (,ud dd E qui est mis en oeuvre dans les diodes à transfert d'électrons. Il est remarquable qu'il s'agit d'un effet de volume, c'est-à-dire associé à un certain type de matériau de composition homogène, par opposition à d'autres effets de résistance négative -diode Tunnel, diode à avalanche qui sonts associés à des structures composites beaucoup plus élaborées Cepen- dant, malgré la grande simplicité de la structure, l'effet Gunn est un mécanisme très complexe D'autre part, même pour un matériau parfai- tement homogène, la densité statique des électrons n'est pas uniforme dans la direction du champ électrique, l'allure particulière de ce profil de densité étant fonction des conditions aux limites à la cathode et de la valeur du champ appliqué D'autre part, si le champ est supérieur au champ critique EC une inhomogénéité de charge électronique tend à croître dans le temps. a d étant la conductivité différentielle, ú la constante diélectrique du milieu, le taux de croissance I a dl / ú est lié-à la relaxation diélectrique, qui correspond à un amortissement négatif puisque a d d'injection à la cathode. On a proposé jusqu'à présent deux structures de cathode pour réaliser un contact qui contrôle les conditions d'injection La première solution paraît simple, puisqu'il s'agit d'un contact Schottky, mais en fait, pour que ce contact Schottky limite convenablement le courant, il est nécessaire que ce soit un contact à faible barrière, sur matériau N+, et la reproductibilité de tels contacts est mauvaise La seconde solution consiste à intercaler dans là couche active de la diode une mince couche de dopage élevé, qui permet d'accentuer la valeur du champ électrique dans la région cathodique par rapport au champ dans la région de transit, favorisant ainsi l'injection d'électrons chauds Il s'agit là d'une structure assez élaborée, puisque la couche active de la diode est composée de trois régions, et la réalisation en est plus difficile et moins reproductible qu'une structure simple. La solution apportée par la cathode selon l'invention est au contraire à la fois simple de réalisation, et efficace dans ses effets Elle constitue une modification d'une diode Gunn classique, comportant, sur un substrat N+ monocristallin recouvert d'une couche tampon N+ épitaxiée destinée à lisser la surface du substrat, une couche active N et une couche N+ destinée à favoriser la formation d'un contact ohmique métallique de cathode Le contact d'anode est pris par une métallisation sur le substrat Selon l'invention, le rapport de transparence de la cathode est modifié par amorphisation d'une partie de la couche N+, sur toute son épaisseur avec un léger empiètement sur la couche N sous-jacente Le rapport de transparence est modifié en fonction du rapport de la surface cristalline à la surface totale, et la partie amorphisée se présente sous forme de bandes ou de plots disposés selon une grille, obtenus par bombardement de protons. De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif à transfert d'électrons, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences dont le corps semiconducteur comprend, déposées sur un substrat monocristallin ( 16) recouvert d'une couche tampon épitaxiée ( 15), une première couche active ( 13) et une deuxième couche ( 12) déposée sur la couche active ( 13), le substrat ( 16) et les trois couches susjacentes ( 15, 13, 12) étant de même type de conductivité, ce dispositif comprenant en outre deux métallisations, la première ( 17) pour le contact anodique sur le substrat ( 16) et la seconde ( 11) pour le contact cathodique sur la deuxième couche ( 12), et étant-caractérisé en ce que, en vue de limiter le courant et de renforcer le champ électrique dans la région du contact cathodique, des zones isolantes amorphisées ( 14), sous la métallisation ( 11) de cathode, sont réalisées dans la deuxième couche ( 12) afin de modifier le rapport de transparence de la cathode, celui-ci étant le rapport entre la surface cristalline conductrice et la surface totale, au niveau de la métallisation ( 11) de cathode. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit, laquelle s'appuie sur les figures jointes qui représentent: figure 1: courbe représentant la vitesse des électrons en fonction du champ, dans une diode à transfert d'électrons selon l'art connu; figure 2: les caractéristiques d'un contact cathodique, selon l'art connu; figure 3: profil de concentration, dans une diode à plusieurs zones, selon l'art connu; figure 4: mécanisme de fonctionnement de la cathode selon l'inven- tion; figure 5: vue en coupe d'une diode à transfert d'électrons, munie d'une cathode selon l'invention; figure 6: caractéristiques du contact cathodique selon l'invention; figure 7: caractéristiques du contact cathodique selon l'invention, pour différents rapports de transparence. L'exposé de l'invention sera plus facilement compris par le rappel préliminaire des conditions d'injection des électrons dans les diodes Gunn. La figure 1 donne la courbe de la vitesse des électrons en fonction du champ électrique, conformément à ce qui a été exposé précédemment, pour une diode en Ga As dopé à Nd = 1015 e/cm 3 et munie de contacts ohmiques. Le champ étant exprimé en kilovolts par centimètreon voit sur cette courbe que la vitesse des électrons, en centimètres par seconde, passe par un maximum situé vers 3500 V/cm pour Ga As Pour des valeurs du champ inférieures à ce maximum, les électrons se trouvent dans la vallée principale de la bande de conduction, ils sont très mobiles Pour des valeurs supérieures, les électrons se trouvent dans la vallée secondaire de la bande de conduction et ils sont moins mobiles La région de la courbe dans laquelle la vitesse décroît lorsque le champ croit présente une résistance négative en volume: c'est le domaine de fonctionnement des diodes à transfert d'élec- trons. La figure 1 est relative à un type de contact ohmique, qui est dit injectant Il existe d'autres types de contacts cathodiques. Lorsqu'une diode Gunn est couplée à un circuit pour constituer un oscillateur, plusieurs modes de fonctionnement plus ou moins performants sont possibles suivant la nature du contact cathodique et les paramètres physiques de la diode Une amélioration très notable de la puissance HF et du rendement d'un oscillateur a été obtenue dans le cas de l'In P par une conception appropriée de la région cathodique. On connaît deux classes de contacts cathodiques: les contacts injec- tants et les contacts limitants. Le contact injectant apporte un excès de densité électronique par rapport à la densité de donneurs Le contact ohmique ou la jonction N+N en sont des exemples typiques Leurs propriétés sont les suivantes: a) La densité électronique N " Nd au niveau de la cathode et N > Nd dans toute la couche, Nd étant la concentration de dopage Il y a environ mille fois plus d'électrons, à proximité de la cathode que dans la couche active de la diode. b) Il en résulte que le champ E % O à la cathode et croit dans toute la couche pour différentes valeurs du courant La croissance de E(x), c'est-à-dire le champ au point d'abscisse x à partir de la cathode, est modérée si le champ moyen appliqué E = est inférieur au I champ critique EC; elle devient forte pour E = > EC en particulier au voisinage de l'anode Ce profil de champ est défavorable parce qu'il implique l'existence au voisinage de la cathode d'une zone "morte" il existe devant la cathode une région cle longueur non négli- geable dans laquelle E f EC Cette régioa est donc dissipative. Le poids de ces pertes à haute fréquence est d'autant plus lourd que la longueur totale de la couche active est plus petite, c'est-à-dire que la fréquence est plus élevée A G Hz, la longueur de cette région dissipative est compara- ble à la longueur de la région utle. de plus, le champ moyen daris la région cathodique étaent faible par rapport au champ critique EC, les électrons abordent la région utile o E > EC avec une ene'r 7-:e irap paile pour que le transfert dans la vallée secondaire puisse être considéré comme instantané par rapport au emps de transit ce qui allonge encore l'étendue de la zone morte. le champ dans la région anodique peut atteindre le seuil d'ionisation d'o un risque de destruction de la diode Maême si ce seuil n'est pas atteint, la forte valeur du champ se traduit par un surcroît inutile de puissance appliquée. c) les conditions aux limites associées au champ électrique à un contact ohmique conduisent à des instabilités caractérisées par la propagation et la croissance de couches d'accumulation Le profil de champ associé à ce mode d'oscillation est défavorable: par rapport à la couche d'accumulation, le champ est plus grand du côté aval -donc du côté anode que du côté amont, et cet écart s'accentue au fur et à mesure que la couche d'accumulation progresse vers l'anode Ainsi se trouve aggravé le risque de destruction de la diode par claquage au niveau de l'anode. Le contact limitant conduit à un défaut de densité électronique par rapport à la densité de donneurs Ses caractéristiques sont les suivantes: a) La densité électronique n est assez longue. b) Il en résulte que le champ E décroît de la cathode vers l'anode. c) Un contact limitant peut être bloquant, c'est-à-dire qu'il reste limitant pour toute valeur de cham 1 l-peut-et Iêélimitant-à bas champ et injectant à haut champ en croisant la caractéristique neutre Au point de croisement, le champ devient constant dans toute la couche. d) Un contact limitant évite la formation de couches d'accumulation avec les inconvénients mentionnés précédemment. e) Le champ étant maximum à la cathode, la zone morte est très étroite, ce qui a permis d'obtenir d'excellentes performances de puissance et rendement dans le cas d'oscillateurs Gunn en In P. La figure 2 représente les caractéristiques d'un contact cathodique, et donne les différentes courbes de densité de courant 3 en fonction du champ E, pour les contacts injectants, et les contacts limitants. Le champ E étant donné en abscisses, et la densité J = Ndqv(E) en ordonnées, la courbe repérée l correspond à une caractéristique neutre La courbe 2, telle qu'elle ne recoupe pas la courbe l de caractéristique neutre pour toute valeur du champ, et lui est inférieure, conduit à un contact limitant bloquant Au contraire, la courbe 3 est d'ordonnée toujours supé- rieure à la courbe 1; quel que soit le champ: elle correspond à un contact injectant Enfin, la courbe 4 recoupe la courbe l en un point X correspon- dant à un champ EX: si le champ E > Ex, le contact est injectant et si E 15866 On a proposé jusqu'à présent deux conceptions technologiques pour réaliser un contact limitant. Le contact Schottky utilise une barrière très faible de 0,15 à 0,25 e V. L'inconvénient de ce contact est que si l'injection se fait par émission thermo-ionique, elle est très sensible à la température, ce qui est gênant pour des composants utilisés dans des équipements militaires et spatiaux On peut remédier à cette situation en utilisant un contact Schottky sur matériau N+, ce qui donne une injection tunnel peu sensible à la tempéra- ture, mais risque par contre de conduire à une limitation insuffisante du courant En outre, la reproductibilité des contacts Schottky de faible barrière est médiocre. La cathode à une ou deux zones: il s'agit d'un contact ohmique ou Schottky faible barrière, sur une région dopée N, suivie par une seconde région, peu épaisse mais très dopée. La première région conduit à une limitation de courant, le pic de dopage de la seconde région permet d'accentuer la valeur du champ dans la région cathodique par rapport au champ dans la région de transit, favorisant ainsi l'injection d'électrons chauds Ce type de cathode a été expérimenté sur In P, o la zone morte est plus étendue que dans le cas du Ga As Il permet des conditions de fonctionnement beaucoup moins sensibles à la température que le contact Schottky tout en offrant une limitation en courant Cependant, il s'agit d'une structure très élaborée dont la réalisation est difficile et probablement peu reproductible. La figure 3 représente le profil de concentration d'une telle diode connue, à plusieurs zones. La concentration de dopage Nd étant portée en ordonnées, les abscisses représentent des distances: on a ainsi une coupe d'une diode, la cathode étant la région 5, l'anode la région 6 et les différentes couches de la diode dans la partie centrale 7 Dans celle-ci, la région 8 est celle qui, dopée N, conduit à une limitation de courant, et la région 9, par son pic de dopage, accentue le champ dans la région 8, supprime le fonctionnement dissipatif, et injecte des électrons chauds dans la couche active 10 de la diode. La représentation des niveaux de dopage dans les régions 5 et 6 correspond aux couches N+ situées sous les métallisations de prises de contact, cathode et anode. La figure 4 représente un fragment de la cathode selon l'invention, et permettra d'en expliquer le mécanisme de l'invention Cette figure 4 est limitée aux deux premières couches de la diode: celles qui ne sont pas nécessaires à la compréhension ne sont pas représentées. La structure cathodique comprend, à partir de la métallisation 11 de prise de contact, une couche 12 de dopage N+ et une couche 13 de dopage N. Des zones isolantes 14 amorphisées, réalisées par des techniques qui seront décrites ultérieurement, sont délimitées en surface de la cathode, de manière à diminuer la section offerte au courant: on appelle 'rapport de transparence le rapport de la surface cristalline restante de la couche 12 sur la surface totale du contact cathodique Sur la figure 4, l'épaisseur des zones isolantes 14 dépasse légèrement celle de la couche N+ 12, qui est de l'ordre de 0,51 uà 1 u. Cependant, appartiennent au domaine de l'invention les cas o l'épais- seur des zones isolantes est égale ou inférieure à l'épaisseur de la couche N+ 12. On divise ainsi l'espace de la diode en deux régions, la région I dans laquelle la section offerte du courant est SI,_ et la région Il de section 52 plus grande Soient C 1 et C 2 deux plans proches et situés de part et d'autre du plan de séparation des régions I et Il: ils ont donc des sections 51 et 52 respectivement Cette structure possède des caractéristiques d'injection comparables à celles de la cathode à deux zones Soient E 1, Il et E 2, 12 les champs et les courants dans les plans C 1 et C 2 La continuité de courant impose: I 1 12 D'autre part, si les plans C 1 et C 2 sont suffisamment rapprochés, le théorème de Gauss donne: E 151 5 E 252 En effet, le plan C 1 étant placé légèrement au-dl ela cuh e le contact N+ étant injectant, on a en C 1: n> N d D'autre part, le rapport des sections S 2151 est choisi suffisamment grand pour qu'au niveau du plan C 2 ily ait limitation de courant, donc ri pratiquement fixe. La figure 5 représente unre -iu en cckupe:adie 0 d'électrons munie d'une cathode La strucïtu e de basre esd Ut en G As ou Inf-' cu t(,C Durt 1 utr L est déposée une co:îro' 'Af ct materkn uc le substra d'a 1 rrles Jëf;-: u m-*r c YC Puis -Jcoud i" d et enfin uine ti- Ce qui ait 'n des orîIu ncri arique- avant de dépcisei a rnétai V' W 2 a euche U superfile 12 est amcru V lié L J r de la couche superficielle *-i 7 amnorphisées 14 S lfornëmcs i é aniorph isees Y 4 peuvent Le Ai ou non, des atwneaux, concentrîqu -a yute 2 en damier:17 important est de no I 0-J,le dN C cathode, afin de limiter le çar -iett e C, -d de renforcer le champ pour produire,es -3 iet V 2 rons chauds A irpueln indicatif, pour une largeur de maille de 2,5 /u d la Oreil e amorphisée, une bande ou plot 14 a une largeur de 0,7,u Les zones isolantes 14 peuvent être réalisées par différentes techni- ques dont l'implantation ionique ou la croissance épitaxiale par jets molécu- laires sur des surfaces amorphes. La technique d'implantation ionique consiste à amnorphiser le matériau semiconducteur, par implantation de protons ou d'ions tels que H+, O+, etc sous 80 ke V et 4 1014 coulombs/cm 2 La délimitation des zones implan- tées se fait par photolithographie. Pour délimiter les zones isolantes 14 par épitaxie par jets moléculaires, on réalise d'abord la structure substrat N+ tampon N+ - couche active N Puis on dépose sur les parties appropriées une couche mince de matériau amrrphe tel que Si O 2, ou on oxyde légrement la surface du semiconducteur On dépose ensuite par épitaxie pat let moléculaires les couches N+ 13 et N+ 12 nécessaires à la constikution cormn 7-p Ie de la structure de la diode Sur les parties o exst-e le ma A iau amor-he: le dépôt est irrégulier et isolant, tandis qu'aiileurs lers couches ont les proeiétès N ou N désirées. La figure 6 donne un exe dpie des -zctéristique d'_ne diode slelon i 5 l'invention, pour un rapport d'Th 7 N notie r /S 0,6 les lautres variables de la diode étant Nd 2: elcm a ?cnsfeur crit que t = Ec/q'd 0, /1, et i *,u a 1 ir:-d-:r leux plans de mesure Ci et C En absci c se -do e:a 9;" i'E t en ordonnee la densite normalisée = / 3 La courbe 18 représente 'a a courbe 19 la caractéristique cath-'diue ' 'éet la c b rr 1 iact'stique catho- dique Jc 2 (e). On voit qu'il y a imitai o e c ura- po de -hamos inférieurs à environ 2 E et injection au-de' M ette structure offre oc les possibilités suivantes: fonctionnement en iimitamln de courait oulr E l'intersection de la caractéristique neutre. injection d'électrons chauds dan la région utile puisque E 1 = E 2/0,6. Si l'on diminue le rapport 51/52, l'énergie des électrons injectés augmente, mais le point d'intersection avec la caractéristique neutre se déplace vers les champs élevés dans lesquels la mobilité différentielle devient faible, d'o la nécessité d'un compromis. 15866 La figure 7 montre l'influence du rapport S /S 2 ' pour une géométrie légèrement différente puisque ài = 0,3 /u On voit qu'un rapport 51/52 de l'ordre de 0,5 constitue un ordre de grandeur raisonnable Pour 5152 = 0,2, le contact est pratiquement bloquant La valeur optimum de 51/52 doit être ajustée dans chaque cas Ce résultat peut être obtenu empiriquement au niveau de la réalisation des zones isolantes par les techniques de masquage, un même masque pouvant comporter plusieurs motifs C'est là un avantage de cette structure sur la cathode composite à une ou deux zones dont la réalisation relève de l'épitaxie. REVENDICATIONS 1 Dispositif à transfert d'électrons, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, dont le corps semiconducteur comprend, déposées sur un substrat monocristallin ( 16) recouvert d'une couche tampon épitaxiée ( 15), une première couche active ( 13) et une deuxième couche ( 12) déposée sur la couche active ( 13), le substrat ( 16) et les trois couches susjacentes ( 15, 13, 12) étant de même type de conductivité, ce dispositif comprenant en outre deux métallisations, la première ( 17) pour le contact anodique sur le substrat ( 16) et la seconde ( 11) pour le contact cathodique sur la deuxième couche ( 12), et étant caractérisé en ce que, en vue de limiter le courant et de renforcer le champ électrique dans la région du contact cathodique, des zones isolantes amorphisées ( 14), sous la métallisation ( 11) de cathode sont réalisées dans la deuxième couche ( 12) afin de modifier le rapport de transparence de la cathode, celui-ci étant le rapport entre la surface cristalline conductrice et la surface totale, au niveau de la métallisation ( 11) de cathode. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes amorphisées ( 14) ont une épaisseur inférieure à celle de la deuxième couche ( 12) dans laquelle elles sont réalisées. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes amorphisées ( 14) ont une épaisseur-égale à celle de la deuxième couche ( 12) dans laquelle elles sont réalisées, de sorte qu'elles sont en contact avec la première couche active ( 13). 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes amorphisées ( 14) ont une épaisseur supérieure à celle de la deuxième couche ( 12) dans laquelle elles sont réalisées, de sorte qu'une partie de la première couche active ( 13) est également rendue isolante. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue une diode dont le corps est en matériau semiconducteur du groupe HI-V, parmi Ga As ou In P, de type de conductivité N, le substrat ( 16) la couche tampon ( 15) et la deuxième couche ( 12) étant dopés N+, et la première couche active ( 13) étant dopée N. 15866 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes ( 14) sont réalisées sous forme de bandes. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes ( 14) sont réalisées sous forme d'anneaux. 8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones isolantes ( 14) sont réalisées sous forme de plots disposés en grille. 9 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mode de fonctionnement de la région cathodique, en limitation de courant ou en injection d'électrons chauds vers l'anode, est réglé par le rapport entre la surface cristalline de la deuxième couche ( 12) et la surface des zones isolantes ( 14), le rapport surface cristalline sur surface totale de la cathode étant compris entre 0,2 et 0,6. Dispositif selon la revendication 15 caractérisé en -ce sque, les première ( 13) et deuxième ( 12) couches de la région cathodique étant épitaxiées, les zones isolantes ( 14) y sont créées par implantation ionique, telle que bombardement de protons. 11 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche ( 13) étant épitaxiée, les zones isolantes ( 14) sont réalisées par dépôt, localisé sur la première couche ( 13) et à l'endroit desdites zones isolantes ( 14), d'un matériau amorphe en couche mince, puis épitaxie en jet moléculaire: la couche épitaxiée est isolante ( 14) sur le matériau amorphe, et dotée de propriétés N ou Ne ( 12 et 13) en dehors des dépôts de matériau amorphe.