Brevet FR2519473A1 — publié le 19830708

DISPOSITIF UNIPOLAIRE A TRANSFERT D'ELECTRONS DU TYPE DIODE GUNN. 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 et d'étendre la plage de fonctionnement 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. Le fonctionnement d'une diode Gunn dépend d'une manière critique des conditions aux limites à la cathode La nature du contact cathodique et la structure de la région contig Je à ce contact ont des répercussions très sensibles sur le mode de fonctionnement du dispositif ainsi que sur les caractéristiques fonctionnelles de celui-ci en rendement électrique, puis- sance, plage de fréquence, bruit, etc Selon l'essentiel du mécanisme de résistance négative d'une diode Gunn, la bande de conduction des composés III-V tels que le Ga As ou l'In 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 fi 10 cm) 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 popula- tion 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 pour Ga As ( 10 000 V/cm pour l'ln P), ce transfert entre vallées devient suffisamment notable pour que la mobilité différentielle soit négative (/u = d d E tions, il est possible, si les paramètres physiques sont choisis convenable- ment (dopage, longueur, etc) d'obtenir aux bornes du barreau une résistance négative dans un domaine de fréquence plus ou moins étendu englobant la fréquence de transit C'est ce mécanisme qui est mis en oeuvre dans les diodes à transfert d'électrons. Il est remarquable qu'il s'agit d'une effet de volume, c'est-à-dire lo 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 sont associés à des structures composites beaucoup plus élaborées Cependant, malgré la grande simplicité de la structure, l'effet Gunn est un mécanisme très complexe D'autre part, même pour un matériau parfaitement 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, c la constante diélectrique du milieu, le taux de croissance a d /k est lié à la relaxation diélectrique, qui correspond à un amortissement négatif puisque ad d'injection à la cathode. Parmi d'autres solutions connues pour réaliser un contact cathodique qui contrôle les conditions d'injection -contact Schottky, ou mince couche de dopage élevé intercalée dans la couche active de la diode la Société demanderesse a révélé, dans la demande de brevet français N' 81 20 444, une solution qui modifie le rapport de transparence de la cathode, au moyen de zones isolantes amorphisées, situées sous la métallisation de cathode, ces zones isolantes ayant la forme de bandes, d'anneaux ou de plots. La structure de cathode proposée est une solution différente au même problème, auquel l'invention apporte une solution simple dans son fondement et dans sa réalisation Elle permet d'atteindre les caractéristiques d'injec- tion convenables Sa technologie, basée sur l'épitaxie par jets moléculaires par exemple, est particulièrement bien adaptée à des structures exigeant une bonne définition. On prendra pour l'exposer, l'exemple non limitatif d'une diode Ga As - A Ix Ga 1 x As, dopée de type n L'injection de courant est réalisée par effet tunnel à travers une couche mince d Alx Ga i-x As non dopée, comprise entre une première couche très mince de Ga As dopée n+, et une deuxième couche de dopage N et d'épaisseur convenable qui constitue la région de transit. Cette région est séparée du substrat n+ par une couche tampon n+ Les deux surfaces libres du côté cathode et du côté anode sont métallisées et des contacts ohmiques sont formés. De façon plus précise, l'invention consiste en un dispositif unipolaire à transfert d'électrons, du type diode Gunn, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, dont le corps semiconducteur comprend une couche de contact, porteuse d'une première métallisation de prise de contact, cette couche étant constituée en un premier matériau très dopé, de polarité n+ et une couche de transit constituée du même matériau, moins dopé de polarité n, ces deux couches étant supportées par une couche tampon et par un substrat, du même matériau et de même dopage que la couche de contact, le substrat constituant le contact anodique du dispositif et supportant une seconde métallisation de prise de contact, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'injection des électrons depuis la couche de contact vers la couche de transit est réalisée par effet tunnel à travers une double hétérojonction constituée par une couche, d'un second matériau, non dopé, présentant une barrière tunnel dans la bande de conduction, cette couche non dopée étant intercalée entre la couche de contact et la couche de transit. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation, faite en s'appuyant sur les figures jointes en annexes qui représentent: ligure l: caractéristiques cathodiques d'un contact de diode à transfert d'électrons, selon l'art connu; -figure 2: structure de la région cathodique d'une diode selon l'invention; -figures 3 et 4: schémas de bandes de conduction de la structure proposée par l'invention; -figures 5, 6, 7: caractéristiques cathodiques d'un contact de diode Gunn selon l'invention. L'expos 4 de l'invention sera plus facilement compris par le rappel préliminaire des conditions d'injection des électrons dans les diodes Gunn. 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. 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 champ cathodique Il peut être limitant 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. La figure l représente les caractéristiques d'un contact cathodique, et donne les différentes courbes de densité de courant J en fonction du champ cathodique 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 Les propriétés d'une diode Gunn sont améliorées si le contact cathodi- que est limitant, mais aussi si la zone dite "morte" devant la cathode est aussi courte que possible. La zone morte a une épaisseur de l'ordre de grandeur de la distance que doit parcourir un électron depuis la cathode, avant d'être suffisamment "chauffé" par le champ électrique pour que le transfert dans la vallée supérieure se produise La zone morte constitue une résistance d'accès additionnelle Elle doit être aussi mince que possible, notamment pour les fréquences les plus élevées o l'extension de la région de transit devient du même ordre de grandeur Pour réduire la zone morte, le champ électrique au niveau de la cathode doit être aussi grand que possible, ce qui a conduit à expérimenter un contact Schottky à faible barrière ou une cathode compo- site dont le contact ohmique est suivi d'une structure composée d'une couche peu dopée puis d'une fine couche très dopée, formant une barrière. Parmi les solutions proposées jusqu'à présent, la cathode Schottky à faible barrière ne semble pas très industrielle en raison d'une reproductibi- lité médiocre, et la cathode composite a donné d'excellents résultats, mais, sa technologie sophistiquée semble peu industrielle. La figure 2 représente une vue en coupe d'une diode Gunn selon l'invention Cette figure est schématisée en vue de mettre en évidence la structure des couches semiconductrices plutôt que la géométrie réelle de la diode. 6. Afin de simplifier les explications, l'invention sera décrite en s'appuyant sur le cas du couple de matériau Ga As/AI x Ga Ix As -Al Ga As en abrégé-, couple non limitatif de l'invention et qui peut être remplacé par d'autres couples de matériau, qui seront décrits ultérieurement. S Décrite à partir de la cathode, la diode selon l'invention comporte: une couche 5, très mince en Ga As de type n, très dopée Cette couche 5 a une épaisseur inférieure à I micron Elle est nécessaire pour assurer une prise de contact ohmique, sur matériau n+, et constitue une source d'électrons vers les autres couches de la diode. une couche 6, mince, d'épaisseur "a", en A Ix Ga -X As non dopée. C'est à travers cette couche non dopée qu'est réalisée l'injection de courant par effet tunnel. une couche 7, en Ga As de type n C'est cette couche 7 qui 1 S constitue la région de transit ou de glissement (drift région) de la diode, et son épaisseur est suffisante pour englober la zone morte. un substrat 9, en Ga As de type n+, lequel a été, avant les opérations de réalisation de la diode, recouvert d'une couche tampon ou buffer 8, de même type de matériau et de conductivité. Le substrat 9 est en matériau monocristallin qui a subi des opérations préalables de sciage et de polissage: il en résulte des imperfections, à sa surface, dans le réseau cristallographique La fonction de la couche tampon 8, qui est déposée par épitaxie, est de réparer ces imperfections cristallographiques, qui sont atté- nuées au fur et à mesure que se déposent de nouvelles couches d'atomes du matériau. La diode est complétée par deux métallisations qui constituent des contacts ohmiques, la métallisation 10 de contact cathodique et la métalli- sation 11 de contact anodique Ces contacts ohmiques sont réalisés, par exemple, par la chaîne Ge-Au-Ni. Les niveaux de dopage sont de l'ordre de 10 atomes cm 3 pour les couches n+, et de l'ordre de 1 5 à 2 1015 atomes cm 3 pour la couche N à G Hz, bien que pour cette dernière le niveau de dopage atteigne 1016 à G Hz. C'est parce que la diode selon l'invention est composée uniquement de couches de polarité N qu'elle est dite unipolaire Une semblable diode de polarité p uniquement n'est pas possible, car les trous ne présentent pas le même phénomène de vallées et de pente négative que les électrons. Les figures 3 et 4 représentent les schémas de bandes de conduction de la structure selon l'invention L'énergie du bas de la bande de conduction y est représentée en fonction de la distance, c'est-à-dire dans les différentes couches de la diode, pour une tension appliquée Vd nulle sur l'anode en figure 3 et pour une tension Vd positive en figure 4 Le niveau d'énergie de Fermi *EF est pris comme niveau de référence. La figure 3 donne donc les niveaux d'énergie des différentes couches, à l'état statique, hors de toute excitation par un potentiel. Si l'on applique une tension Vd > O (figure 4), sur l'anode de la diode se traduisant par une tension VK > O sur la couche 6 d'Al Galx As, les électrons situés dans la région 5 voient une barrière de hauteur 4, ceux de la région 7 une barrière de hauteur 4 + VK; d'o un courant d'électrons de la région 5 vers la région 7 par effet tunnel à travers la couche isolante 6. Les électrons arrivent dans la région de transit 7 avec une énergie q VK, q étant la charge de l'électron. La caractéristique cathodique, c'est-à-dire le courant tunnel J (VK), a eté déterminée par simulation Celle-ci montre qu'en jouant sur 4, c'est-à- dire sur la stoechiométrie du composé Al I Gaî x As, et sur l'épaisseur l'a" de la couche, il est possible d'obtenir des conditions d'injection de courant convenables, avec des valeurs de 4 et de "a" qui soient compatibles avec les possibilités technologiques, et en tenant compte dé l'effet tunnel assisté par la température ainsi que de l'effet thermoionique pur. Les figures 5, 6 et 7 représentent la caractéristique cathodique, c'est- à-dire la densité de courant en fonction du champ EK à l'entrée de la région de transit pour différentes épaisseurs "a" de la couche 6 non dopée d'Al Ga As: a = 200 A en figure 5, a = 500 A en figure 6 et a = 1000 A en figure 7, et pour trois valeurs de la hauteur de barrière 4 ( 0, 15 V, 0,18 V et 0,20 V) choisies de manière à obtenir les trois régimes d'injection On a représenté sur les mêmes figures la caractéristique neutre qui permet de distinguer les trois régimes d'injection. Ces courbes permettent de tirer des conclusions pour la réalisation de diodes dotées de caractéristiques cathodiques intéressantes. D'abord, il est possible d'imposer un régime d'injection approprié - contact limitant/bloquant ou limitant/injectant avec des valeurs de hauteur de barrière 4 compatibles avec les possibilités technologiques, 4 étant une fonction connue de la valeur de x dans AI Ga As. x l-x Ensuite, l'influence de la hauteur de barrière 4 est très sensible, d'o l'intérêt de l'épitaxie par jets moléculaires permettant un contrôle précis de la stoechiométrie de AI x Ga Ix As. Enfin, l'épaisseur "a" de la couche 6 non dopée a peu d'influence sur la caractéristique JK(EK) ce qui veut dire que le champ à la cathode est à peu près identique pour les trois cas Il n'en est pas de même du potentiel VK appliqué à la couche, c'est-à-dire de l'énergie q VK de l'électron émis par la cathode, VK étant proportionnel à "a" Il est donc préférable, pour réduire la K zone morte, dle choisir "a" grand, de l'ordre de 1000 A ou plus La limite tient d'une part à la valeur maximum acceptable pour VK qui doit rester faible par rapport à la tension Vd sur la diode, d'autre part au fait que. l'influence de 4 sur les caractéristiques d'injection est d'autant plus sensible que "a" est plus grand. L'exemple de réalisation de diode Gunn qui a été exposé en s'appuyant sur le couple de matériau Ga As/AI x Ga i-x As n'est pas limitatif de l'inven- tion, et peut être étendu à d'autres couples de matériaux semiconducteurs, tels que: couches dopées: couche non dopée: ( 5, 7, 8, 9) ( 6) Ga As Gax In x Asy Pî y In P AI x In-X As In P Gax Al I -x Asy Sb -y Gax Inî x As (Aly Gai y)xlnix As Les compositions de ces matériaux sont choisies de telle façon que le paramètre cristallin de chaque couple de matériaux soit égal et que la discontinuité dans leurs bandes de conduction définisse une hauteur de barrière * comme il a été indiqué. 1 947 REVENDICATIONS 1 Dispositif unipolaire à transfert d'électrons, du type diode Gunn, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, dont le corps semicon- ducteur comprend une couche de contact ( 5) porteuse d'une première métallisation ( 10) de prise de contact, cette couche ( 5) étant constituée en un premier matériau très dopé, de polarité n+ et une couche de transit ( 7) constituée du même matériau, moins dopé de polarité n, ces deux couches ( 5 et 7) étant supportées par une couche tampon ( 8) et par un substrat ( 9), du même matériau et de même dopage que la couche de contact ( 5), le substrat ( 9) constituant le contact anodique du dispositif et supportant une seconde métallisation ( 11) de prise de contact, ce dispositif étant caractérisé en ce que l'injection des électrons depuis la couche de contact ( 5) vers la couche de transit ( 7) est réalisée par effet tunnel à travers une double hétérojonc- tion constituée par une couche ( 6), d'un second matériau, non dopé, présentant une barrière tunnel dans la bande de conduction, cette couche non dopée ( 6) étant intercalée entre la couche de contact ( 5) et la couche de transit ( 7). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régime d'injection des électrons à travers la double hétérojonction ( 5/6, 6/7) est déterminé par la composition du second matériau non dopé, cette composi- tion fixant la hauteur de barrière ( 4) de la couche non dopée ( 6). 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caracté- risé en ce que les couches de contact ( 5), de transit ( 7), tampon ( 8) et le substrat ( 9) étant en Ga As, la couche non dopée ( 6) formant la double hétérojonction est choisie parmi Alx Ga x As ou Gax Inl x Asy Pl y. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caracté- risé en ce que les couches de contact ( 5), de transit ( 7), tampon ( 8) et le substrat ( 9) étant en In P, la couche non dopée ( 6) formant la double hétérojonction est choisie parmi Alxlnl x As ou Gax All x Asy Sbly. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caracté- risé en ce que les couches de contact ( 5), de transit ( 7), tampon ( 8) et le substrat ( 9) étant en Gax Inl x As, la couche non dopée ( 6) formant la double hétérojonction est en (Aly Ga y)x Inl x As. 251947 ' 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (a) de la couche non dopée ( 6) formant double hétérojonction est de l'ordre de 1000 A. de 1000 A.