Brevet FR2522442A1 — publié le 19830902

La présente invention concerne un transistor à effet de champ comprenant des régions semiconductrices de source de drain et de canal ayant toutes le même type de conductivité, la région de canal consistant en InGaAs, des électrodes de source et de drain venant en contact avec les régions de source et de drain, et une électrode de grille recouvrant la région de canal. De nombreuses applications technologiques modernes, comme les mémoires ou le traitement des signaux utilisant des circuits intégrés et la transmission micro-onde utilisant des dispositifs discrets tels que des transistors à effet de champ, nécessitent un fonctionnement à une vitesse plus élevée que celle qui est possible actuellement. De nombreuses tentatives ont été faites pour parvenir à un tel fonctionnement plus rapide. Par exemple, une technique utilise des dispositifs supraconducteurs à jonction Josephson pour obtenir un fonctionnement rapide. Une autre technique utilise des matières semiconductrices autres que le silicium couramment utilisé, pour obtenir un fonctionnement plus rapide.La première matière semiconductrice de ce type qui ait fait l'objet de recherches approfondies a été incontestablement le Gals, qui présente de l'intérêt du fait de la valeur élevée de sa mobilité des électrons à la température ambiante, qui est supérieure à la mobilité du Si. Une autre matière semiconductrice qui présente actuellement un intérêt, bien que n'ayant pas fait l'objet de recherches aussi approfondies que le GaAs, est le 1n0,53Ga0,47 As, qu'on peut faire croître avec coincidence des réseaux cristallins sur des substrats semi-isolants en InP.Cette matière semiconductrice présente de l'intéret pour les dispositifs, en particulier pour les applications concernant les transistors à effet de champ (TEC), à cause de paramètres tels que sa mobilité élevée des électrons, qui est supérieure d'environ 50 % à celle du GaAs. Elle présente également un intérêt pour les dispositifs à cause de sa faible masse électronique effective et de la grande séparation d'énergie entre les minimums central et satellite de la bande de conduction. Ces caractéristique suggèrent que les électrons se déplacent plus rapidement dans le InGaAs que dans le GaAs ou le Si. Bien que ces paramètres fassent apparaîtrent le InGaAs comme une matière très intéressante pour la réalisation de dispositifs, la fabrication de transistors à effet de champ dont les performances bénéficient réellement de ces paramètres favorables s'est avérée difficile à cause de la faible hauteur de barrière de Schottky pour les métaux sur des matières de type n. La hauteur de barrière de Schottky n'est que de 0,2 eV et on ne peut pas fabriquer des grilles de transistors à effet de champ métal-semiconducteur classiques (TEC MES), à cause du courant de fuite grille-canal de valeur élevée. De ce fait, les chercheurs travaillant dans ce domaine ont étudié divers moyens pour obtenir une structure de grille à faible fuite effective qui pourrait moduler la circulation des électrons dans la région de canal en InGaAs.Une technique a utilisé des TEC à jonction diffusée et est décrite dans la revue Electronics Setters, 16, pages 353-355, 8 mai 1980. Une seconde technique utilise la croissance de transistors à effet de champ à grille assitée par barrière de Schottky et est décrite dans la revue Electron Device Letters, Eue1, pages 154-155, août 1980. Ces deux techniques souffrent actuellement d'exiger des techniques de croissance et de traitement spécialement conçues, pour obtenir un dispositif qui fonctionne, et les perspectives d'obtention de l'uniformité sur une zone étendue dans les caractéristiques des dispositifs sont relativement réduites. Une autre technique encore utilise des structures métal-isolantsemiconducteur (MIS) en mode d'inversion. De telles structures sont avantageuses du fait qu'elles offrent une plus grande facilité dans la fabrication de TEC.Une structure qui utilise cette technique est décrite dans la revue Electron Device Setters, ED1-2, pages 73-74, mars 1981. Bien que cette technique atténue quelque peu les difficultés de fabrication, les performances obtenuespour les dispositifs, mesurées par la transconductance, ont été jusqu'à présent décevantes. les problèmes sont résolus conformément à l'invention dans un transistor à effet de champ en InGaAs dans lequel l'electrode de grille est séparée de la région de canal par un isolant mince en SiN. D'autres caractéristiques de structure s'associent pour donner de meilleures caractéristiques de dis positif, comme on le décrira ci-après. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels : ra figure 1 est une coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention la figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention La figure 3 montre les caractéristiques de drain en mode d'appauvrissement d'un dispositif conforme à l'invention et la figure 4 est une représentation graphique de la racine carrée de la tension de grille effective, portée horizontalement, en fonction du courant de drain, porté verticalement. On a trouvé que des transistors à effet de champ fabriqué sur du InGaAs de type n et ayant une électrode de grille assistée par un isolant, avec une couche isolante dtin- terface entre le métal et les couches de canal, ont des caractéristiques de dispositif souhaitables telles qutun courant de fuite de grille réduit et une transconductance élevée. La matière semiconductrice de la couche de canal consiste en InGaAs et une électrode de grille qui comporte un métal et une couche de nitrure de silicium entre le métal et la couche en In#,53Ga0,4#s. Des dispositifs ayant une longueur de grille de 1,2 pm et une concentration de dopage nette de type donneur dans le canal d'environ 5 x 1016 cm 3 ont présenté une transconductance en continu de 130 k##1/mm. On a observé un fonctionnement en mode d'appauvrissement comme en mode d'enrichis sement. On fait commodément crolatre les couches par épitaxie par jet moléculaire (caractérisée par uneoeincidence des réseaux cristallins) sur des substrats semi-isolants en InP. On fait commodément croître la couche de nitrure de silicium par dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plasma. La technologie de grille assistée par isolant de l'invention présente des avantages importants en ce qui concerne la souplesse et la maîtrise de la fabrication, par rapport à d'autres techniques. Dans un but de clarté, les figures ne sont pas dessinées à l'échelle. Un dispositif conforme à l'invention, désigné de façon générale par la référence 1, est représenté en coupe sur la figure 1. le dispositif comprend un substrat 10, une couche tampon 13, une couche de canal 16, une couche de contact source-drain 19, des électrodes respectives de source et de drain 22 et 25, une couche d'isolant 28 et un contact 31. Le substrat est de façon caractéristique du InP semi-isolant, dopé avec Fe. la couche de canal consiste en Ga1In1 As P de -x y 1-y type n ayant une concentration résultante de type donneur dans la plage de 2 x 1016 à 8 x 1016 cm 3 et une épaisseur qui est comprise de façon caractéristique entre 0,35 et 1,8 FIL. L'épaisseur électrique du canal, qui dépend du dopage du canal, doit entre égale à la largeur d'appauvrissement calculée maximale.Des concentrations plus faibles en donneur ne sont généralement pas souhaitables du fait que le canal ne conduit pas un courant suffisant et des concentrations supérieures ne sont pas souhaitables du fait que la mobilité des électrons commence à diminuer. la concentration de dopage et llépaisseur sont déterminées par l'exigence, pour le mode de fonctionnement d'appauvrissement, qui consiste en ce que le canal doit Qtre appauvri à la tension de fonctionnement de grille prévue. Cette conditions dépend également de llépaisseur de la couche isolante 28 ainsi que des constantes diélectriques de l'isolant et du semiconducteur. Ia couche tampon, qui doit également avoir une résistivité élevée, consiste de façon caractéristique en A#,48In0,5#s nominalement non dopé, bien qu'on puisse uti liser d'autres compositions ayant des résistivités élevées et un réseau cristallin qui coincide avec celui de InP.La résistivité de cette couche doit de façon générale être supérieure à 106 a.cm. La couche tampon a de façon caractéristique une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,5 lun, et bien que nominalement non dopée, elle consiste généralement en Al0,481n0,52As de type n avec une concentration en donneur d'environ 2 X 1015 cm 3. Si on peut obtenir des surfaces de substrat de qualité suffisamment élevée, on peut faire croire directement la couche de canal sur le substrat semi-isolant, c'est-à-dire qu'on peut supprimer la couche tampon à résistivité élevée. La couche de contact destinée à former la région de source et de drain 19 est fortement dopée, de façon caractéristique avec le type n et une concentration en donneur d'environ 8 x 1018 cl 3, et elle réduit les résistances parasites de source et de drain. les électrodes de source et de drain 22, 25 sont de façon caractéristique des contacts ohmiques qui sont formés par exemple par une métallisation et un alliage avec Ge/Au. L'isolant 28 est une couche mince de nitrure de silicium (d'une épaisseur qui est généralement comprise entre 15 et 100 nm environ). la couche d'isolant doit être aussi mince que possible et l'épaisseur minimale est déterminée par le courant de fuite maximal acceptable en polarisation inverse. Ia couche d'isolant doit également entre suffisamlent mince pour donner lieu à une région d'appauvrissement étendue sans inversion. Pour le fonctionnement en mode d'appauvrissement, les trous pénètrent dans le métal par effet tunnel et il n'y a pas d'accumulation de trous près de l'interface isolant-semiconducteur.Il n'y a aucune limite supérieure absolue à l'épaisseur de la couche d'isolant, mais des épaisseurs supérieures à environ 25 nm peuvent dégrader les caractéristiques du dispositif. On peut utiliser d'autres matières pour l'isolant mais le nitrure de silicium a les propriétés de pouvoir être aisément mattrisé et de réduire apparamment les états de surface. Pour le fonctionnement en mode d'enrichissement, on désire un courant de fuite très faible. Le nitrure de silicium ne subit apparamment pas de réactions chimiques nuisibles avec la matière semiconductrice, et il crée un minimum d'états d'énergie de surface à l'interface avec le semiconducteur. Ia matière de l'isolant doit avoir une constante diélectrique aussi élevée que possible et etre thermiquement compatible avec la matière semiconductrice.Le contact 31 consiste en un métal tel que l'aluminium et forme l'élec- trode de grille. C'est dans le fonctionnement en mode d'appauvris~ sement qu'on peut bénéficier au maximum des avantages du dispositif, et ce dernier n'est pas conçu pour le fonctionnement en mode d'inversion. Dans un mode de réalisation préféré, y est approximativement égal à 1,0 et x est approximativement égal à 0,47, du fait que cette combinaison de paramètres définit la combinaison ayant la mobilité d'électrons la plus élevée possible avec coïncidence des réseaux cristallins vis-à-vis de InP. La fabrication d'un dispositif commence commodément par la croissance de couches épitaxiales comprenant, pour le mode de réalisation décrit, Al0,48In0,5#s, Ga0,47In0,5#s et GaO,47InO,53As fortement dopé, la croissance de ces couches s'effectuant sur le substrat semi-i#solant en InP. On fait commodément croître ces couches par épitaxie par jet moléculaire, bien qu'on puisse employer d'autres procédés. On a trouvé que le fait de recouvrir la surface arrière du substrat, c'est-àdire de la tranche, avec du nitrure de silicium, empêche une décomposition du substrat qui est produite par réaction de la tranche avec l'indium qu'on utilise pour le montage de la tranche pour le traitement de croissance. La fabrication du dispositif se poursuit ensuite avec l'isolation par mésa qui commence par la formation d'un motif qui définit les mésas, sur une tranche revêtue de matière de réserve. On accomplit commodément l'isolation par érosion ionique sous un angle de 450. L'érosion ioni#que se poursuit jusqu'# ce que le substrat soit atteint. Un angle d'environ 450 est préférable du fait que la forme de la paroi des mésas facilite la formation de bons contacts de source, de drain et de grille. Be substrat peut alors être conducteur et, dans ce cas, on peut enlever la partie conductrice par un agent d'attaque tel que 10 % de HCl dans H20, ou un mélange dans les proportions 5:1:1 de H2S04, H202 et H20.Dans certains modes de réalisation, les contacts de source et de drain peuvent ne pas venir en contact avec le substrat. Dans ces modes de réalisation, il n'est pas nécessaire d'enlever la partie conductrice de la tranche. Selon une variante, on pourrait définir la structure mésa par attaque chimique. On forme ensuite des électrodes de source et de drain par l'ouverture de fengtres pour les contacts et par évaporation d'une métallisation AuGe/Ag/Au. Ceci est suivi par des opérations de décollement et d'alliage à une température comprise entre 4000C et 4600C pendant une durée d'environ 10 à 20 secondes. Cette procédure donne de très faibles résistances de contacts sur du Ino 53Ga0,47As ayant des couches de contact dopées de type n . En utilisant le procédé de la ligne de transmission, on a estimé la résistance de contact spécifique à environ 5X 10 8SL -cm2, ce qui correspond à 0,01 ohm - millimètre de largeur deç lergeurj Xbl- dispositif .On appelle lar- geur la dim#ension perpendiculaire à la circulation du courant, et longueur la dimension parallèle à la circulation du courant. la longueur doit Qtre aussi courte que possible pour avoir un fonctionnement rapide. On peut évidemment utiliser d'autres métallisations et pour certaines, aucun alliage avec la couche de contact n+ peut nitre nécessaire. On définit ensuite un motif correspondant à la région de canal et on procède à une attaque en utilisant une solution d'attaque telle qu'un mélange acide citrique/H202 dans la proportion 5:1, et un masque de matière de réserve photographique. On contrôle commodément l'attaque en mesurant le courant entre les électrodes de source et de drain 22 et 25 et en arrêtant l'attaque lorsque le courant de canal saturé atteint une valeur prédéterminée, habituellement 80 à 120 mA par millimètre de largeur de dispositif. L'attaque traverse la couche n et pénètre dans la couche de canal. Cette procédure d'attaque permet de fabriquer un canal ayant l'épaisseur désirée. On enlève ensuite la matière de réserve photographique et on nettoie la matière semiconductrice.On dépose ensuite une couche mince de nitrure de silicium, en procédant par dép8t chimique en phase vapeur assisté par plasma, à partir de silane (SiH4) et d'ammoniac (NH3), à une température de substrat qui est de façon caractéristique d'environ 30000. Ce procédé permet de réaliser un traitement de dépôt à basse température ayant un pouvoir de nettoyage à l'endroit même du dé plot. On forme ensuite la métallisation de grille, ayant de façon caractéristique des longueurs comprises entre 1,2 et 1,8 m, en procédant par évaporation d'aluminium et décollement.Ia métallisation de grille semble venir en contact avec la couche de canal, mais ceci n'a pas d'effet défavorable sur les performances du dispositif dans la mesure où le diélectrique a été déposé partout et. où le recouvrement de la couche active ne correspond qu'à une aire très faible. On peut utiliser n'importe quel métal mais l'aluminium convient bien à l'utilisation avec le décollement. Des dispositifs effective ment testés ont fait apparaître des largeurs de grille d'environ 250 )un. Ia référence 11 sur la figure 2 désigne de façon générale une vue de dessus d'un dispositif fabriqué conformément à cette séquence de traitement. On voit un substrat 100, une structure mésa 110, une électrode de source 220, une électrode de drain 250 et une électrode de grille 311. Ia figure 3 montre les caractéristiques courant de drain-tension d'un dispositif ayant une longueur de grille d'environ 1,2 FIL et un dopage de canal d'environ 6 x 1016 cm 3.cm#3. On a estimé le dopage de canal à partir de mesures de capacité de grille en fonction de la tension et de la caractérisation par effet Hall d'échantillons qu'on a fait croître dans des conditions similaires. Te transconductance en continu pour une polarisation de drain de 4,5 volts était de 130 mm. L'unité utilisée est le (kilo-ohm) 1 par millimètre de largeur de grille. On a observé à la fois le mode d'appauvrissement, c'est-à-dire VGS inférieur à zéro, et le mode d'enrichissement, c'est-à-dire VGS supérieur à zéro, avec un courant de grille négligeable.Avec ce dispositif, la transconductance intrinsèque, g##, était d'environ 150 à 170 k Q 1/mm. La capacité grille-source était de 4,2 pF/mm pour une polarisation égale à zéro et de 1,3 pF/mm pour VGS = O et VDS = 4 volts. On a déterminé la vitesse effective calculée des électrons dans le canal en employant la relation dans laquelle Vs est la vitesse des électrons, a est l'épais- seur du canal, ND est la concentration en donneurs en volume, s est la constante diélectrique du semiconducteur, ~ est le potentiel de diffusion dû à la courbure de bandes à l'interface, et VG est la tension de canal de grille effective, comprenant les effets d'auto-polarisation. En différentiant par rapport à VG, on obtient 1DSS est tracé en fonction de vu112 sur la figure 4, en utilisant une résistance de source de 4L.mm et un champ critique de 3 x 103V/cm.Comme on peut le voir, cette courbe s'écarte de la relation linéaire prévue par l'équation (2) et ceci est probablement dû aux effets négligés du potentiel interne ~ et des réductions de la tension de l'isolant aux tensions de grille faibles, ainsi qu'à la dégradation de la vitesse près de l'interface avec la couche tampon, pour des valeurs absolues élevées de VG. En utilisant la partie centrale de la figure 4, on a trouvé une vitesse effective des électrons de(2,0 i 107 cm/s. Cette valeur est supérieure d'environ 60 à 70 fio aux valeurs couramment observées dans des TEC MES au GaAs à la température ambiante, et elle est un peu inférieure à la vite sa se maximale des électrons que prévoit la théorie pour cette composition particulière. Dans les dispositifs considérés, les électrons sont à moins de quelques centaines de nanomètres d'une hétéro-interface, et ceci peut entralner une diminution de la vitesse par rapport à celle dans le volume de la matière. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation particulier décrit et représenté, sans sortir du cadre de ltinvention. Par exemple, on peut fabriquer des dispositifs avec une électrode de grille comportant deux doigts pour augmenter la capacité d'acheminement de courant. On peut en outre construire le dispositif avec des modes de réalisation plans. Dans ces modes de réali sation, l'isolation électrique entre dispositifs est obtenue par exemple par une implantation ionique rendant non conducteur le volume situé entre des dispositifs individuels. On peut évidemment utiliser d'autres procédés. On envisage également la présence de plusieurs dispositifs sur un seul substrat. les dispositifs de l'invention peuvent également être intégrés sur un seul substrat avec des sources lumineuses ou des photodétecteurs. Une détection de lumière peut également avoir lieu dans les dispositifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ comprenant des régions semiconductrices de source (19), de drain (19) et de canal (16) toutes du même type de conductivité, la région de canal consistant en InGaAs, des électrodes de source et de drain (22, 25) venant en contact avec les régions de source et de drain, et une électrode de grille (31) recouvrant la région de canal, caractérisé en ce que l'électrode de grille est séparée de la région de canal par un couche mince (28) de SiN. 2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les régions de source et de drain sont plus fortement dopées que la région de canal. 3. Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la région semiconductrice de canal a un réseau cristallin qui coïncide avec celui d'une couche semiconductrice (13) ayant une résistivité notablement plus élevée que celle de la région de canal. 4. Transistor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de résistivité élevée a un réseau cristallin qui coincide avec celui d'un substrat semi-isolant. 5. Transistor selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'isolant consistant en SiN est de 150 à 1000 po. 6. Transistor selon la revendication 5, caractérisé en ce que les paramètres de structure du dispositif sont conçus de façon à donner lieu à un fonctionnement dans un mode autre qu'un mode de fonctionnement d'inversion. 7. Transistor selon la-revendication 6, caractérisé en ce que les couches de source, de drain et de canal consistent en In1~xGaxAsyP1~y dop 8. Transistor selon la revendication 7, caractérisé en ce que y est approximativement égal à 1,0 et x est approximativement égal à 0,47. 9. Transistor selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche de résistivité élevée (13) consiste en B10,48In0.cPs. 10. Transistor selon la revendication 8, caractérisé en ce que la région de canal a une concentration de dopage 16 3 comprise entre 2 x 1016/cm3 et8 x 1016 /cm . 11. Transistor selon la revendication 10, caractérisé en ce que la région de canal a une épaisseur comprise entre 0,35 m et 1,8 ;nn.