Brevet FR2512590A1 — publié le 19830311

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP DU TYPE A JONCTION ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un transistor à effet de champ du type à jonction et un procédé de fabrica- tion de ce transistor L'invention porte plus particulière- ment sur un perfectionnement à un transistor à effet de champ du type à jonction utilisant un semiconducteur compo- sé et un procédé de fabrication de ce transistor. Un exemple de transistor à effet de champ du type à jonction correspondant au domaine de l'invention consiste en un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium du type bloqué en l'absence de polarisation Un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium fonctionne à une vitesse plus élevée qu'un transistor à effet de champ au silicium, dans la mesure o le transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium utilise,en tant que matière de base,de l'arséniure de gallium pour lequel la vitesse de saturation des électrons est plus de deux fois supérieure à celle du silicium et pour lequel la mobilité des électrons est quatre à cinq fois supérieure à celle d'un transistor à effet de champ au silicium On envisage donc que la réalisa- tion d'un circuit intégré avec des transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium permette un fonctionnement de ce circuit à une vitesse plus élevée que celle d'un circuit intégré au silicium existant à l'heure actuelle Les circuits intégrés à l'arséniure de gallium comprennent deux types, l'un employant,en tant que dispositifs actifs de base,des transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium du type conducteur en l'absence de polarisation (type à appauvrisse- ment) et l'autre employant,en tant que dispositifs actifs de base,des transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium du type bloqué en l'absence de polarisation (type à enrichissement) Un circuit intégré employant des transis- tors à effet de champ bloqués en l'absence de polarisation est caractérisé par une configuration de circuit simple et par une faible consommation 'Comme le montre la-figure 1, un transistor à effet de champ emploie dans ce cas de façon caractéristique une structure du type dit MES (Métal- Semiconducteur) ou un transistor à effet de champ MES d*ans lesquels un courant drain-source est commandé par une élec- trode de grille de type Schottky 5, formée à la surface d'une couche active 2 en arséniure de gallium de type N et située dans la zone comprise entre une électrode de source 3 et une électrode de drain 4,formées toutes deux sur la cou- che active 2 en arséniure de gallium de type n Un transis- tor à effet de champ du type bloqué en l'absence de polari- sation comporte une couche d'appauvrissement 6 située immé- diatement sous l'électrode de grille 5 et la partie la plus extérieure de cette couche d'appauvrissement s'étend jusqu'à la frontière entre un substrat 1 en une matière semi-isolan- te,telle que de l'arséniure de gallium, et la couche active de type n, 2, lorsque la polarisation de grille est égale à zéro Dans ces conditions, une coupure complète est établie entre l'électrode de source 3 et l'électrode de drain 4 et aucun courant ne circule entre elles Lorsque l'électrode de grille 5 est polarisée dans le sens positif, l'épaisseur de la couche d'appauvrissement 6 diminue ce qui fait qu'un cou- rant de drain commence à circuler Lorsqu'on augmente la tension de grille, le courant de drain augmente de façon correspondante Cependant, du fait que la tension positive qui est appliquée à l'électrode de grille 5 est limitée, le courant de drain se sature à une valeur prédéterminée Le courant de drain est proportionnel à (a d), en désignant par a la largeur de la couche d'appauvrissement 6 immédiate- 3 - ment au-dessous de la grille lorsque la polarisation est éga- le à zéro et par d la largeur de la couche d'appauvrissement lorsque la tension de grille est appliquée La largeur d est donnée par K (Vbi V)1/2 dans le cas d'une grille à barriè- re de Schottky, et dans cette expression K est une constante proportionnelle à la densité de porteurs et à la constante diélectrique de la couche acbive 2, Vbi représente une ten- sion interne et V représente la tension appliquée (positive). Par conséquent, le courant de drain augmente lorsqu'on aug- mente la tension positive V appliquée à l'électrode de grille , ce qui diminue la largeur d de la couche d'appauvrissement, avec saturation à V = Vbi' D'autre part, la vitesse de commutation d'un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium augmente lorsqu'on augmente le courant de drain On augmente le cou- rant de drain en augmentant Vbi' Dans le cas d'une grille à barrière de Schottky, Vbi est d'environ 0,6 V et il est diffi- cile de l'augmenter davantage Cependant, on peut augmenter Vbi en réalisant l'électrode de grille 5 sous la forme d'une jonction p-n et on peut donc augmenter également le courant de drain. La figure 2 est une coupe montrant un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium à jonction, de type classique, comportant une couche de type p, 7 formée immédiatement sous l'électrode de grille 5, par un procédé de diffusion Dans le cas d'une grille à jonction p-n, la largeur d est donnée par K ( Vbi V)113 Dans un tel cas, Vbi est de 0,9 à 1,0 V et est supérieurede 0,3 à 0,4 V à la tension correspondante dans le cas d'une grille du type à barrière de Schottky La couche de type p, 7, peut être for- mée dans la couche de type n, 2, formée elle-même dans la zone comprise entre les électrodes de source et de drain, 3 et 4, par un procédé de diffusion ou d'implantation ioni- que Du fait que tout procédé de diffusion ou d'implantation ionique nécessite un traitement à haute température, la lon- 12590 gueur de grille est prolongée au-delà de ce qu'on désire, ce qui entraîne la possibilité d'une dégradation des caractéris- tiques en haute fréquence du transistor à effet de champ résultant C'est la fréquence de coupure du gain en courant ft qui détermine si les caractéristiques en haute fréquence d'un transistor à effet de champ sont bonnes ou mauvaises. Le paramètre ft est proportionnel à 4 M/C gs en désignant par gm la transconductance et par Cgs la capacité entre les électrodes de grille et de source Un transistor à effet de champ à grille à jonction p-n formé de la manière décrite ci-dessus a une couche d'appauvrissement dont la largeur d est proportionnelle à la puissance 1/3 de la tension appli- quée, et il a donc un paramètre gm inférieur à celui d'un transistor à effet de champ à grille à barrière de Schottky, et un paramètre Cgs supérieur à celui d'un tel transistor. Ainsi, bien qu'un transistor à effet de champ à grille à jonction p-n ait une vitesse de commutation accrue à fréquen- ce relativement basse, ce même transistor a une vitesse de commutation dégradée dans une région de haute fréquence. En résumé, l'invention consiste en un transistor à effet de champ du type à jonction comprenant: des électro- des de source et de drain formées séparément l'une de l'autre sur une région de semiconducteur d'un premier type de conduc- tivité, une électrode de grille en métal formée dans la zone située entre les électrodes de source et de drain sur la région de semiconducteur du premier type de conductivité et faisant fonction d'impureté pour la région de semiconducteur du premier type de conductivité, et une région de semiconduc- teur d'un second type de conductivité formée immédiatement au-dessous de l'électrode de grille dans la région de semi- conducteur du premier type de conductivité. En résumé, l'invention consiste également en un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction comprenant les opérations suivantes: on forme des électrodes de source et de drain, séparées l'une de l'autre,sur une région de semiconducteur d'un premier type de conductivité, on dépose une électrode de grille sur la région de semiconducteur du premier type de conductivité, dans la zone comprise entre les électrodes de source et de drain, l'électrode de grille consistant en un métal qui fait fonction d'impureté pour la région de semiconducteur du pre- mier type de conductivité, et on chauffe la région de semi- conducteur du premier type de conductivité à une température inférieure au point de fusion du métal, ce qui forme une région de semiconducteur d'un second type de conductivité immédiatement au-dessous de l'électrode de grille. L'invention permet de réaliser un transistor à effet de champ du type à jonction ayant une électrode de grille et une jonction p-n de type allié Il en résulte que la tension de diffusion Vbi du transistor à effet de champ du type à jonction correspondant à l'invention est supérieu- re à celle d'un transistor à effet de champ à grille à barrière de Schottky, de type classique La tiransconductance gm du transistor à effet de champ du type à jonction confor- me à l'invention est également augmentée, du fait que la largeur de la couche d'appauvrissement est proportionnelle à (Vbi V) /2 En outre, il n'est pas nécessaire d'effec- tuer un traitement à température élevée, comme c'est le cas pour la formation d'une couche p par un traitement de diffu- sion, ce qui fait qu'on élimine une diffusion latérale et on peut ainsi former une électrode de grille avec une dimension désirée L'invention permet donc de parvenir simultanément aux caractéristiques d'un transistor à effet de champ à barrière de Schottky de type classique et d'un transistor à effet de champ à jonction p-n diffusée, de type classique. On obtient donc un transistor à effet de champ à jonction ayant une plus grande valeur de gm et une plus faible valeur de Cg et ayant d'excellentes caractéristiques de commuta- tion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe montrant un transistor à effet de champ bloqué en l'absence de polarisation, à grille à barrière de Schottky, de type classique, La figure 2 est une coupe montrant un transistor à effet de champ bloqué en l'absence de polarisation, à grille à jonction p-n diffusée, de type classique; et La figure 3 est une coupe d'un transistor à effet de champ bloqué en l'absence de polarisation, à grille à jonction p-n alliée, conforme à l'invention, dans les con- ditions dans lesquelles la polarisation de grille est égale à zéro. On va maintenant décrire l'invention en se réfé- rant à la figure 3, à titre d'exemple d'un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium du type bloqué en l'absence de polarisation La figure 3 est une coupe d'un transistor à effet de champ du type bloqué en l'absence de polarisation qui correspond à un mode de réalisation de l'invention Le transistor à effet de champ conforme à l'invention qui est représenté comprend un substrat 1 con- sistant en un cristal d'arséniure de gallium semi-isolant, une région de semiconducteur 2 en arséniure de gallium de type n, formée sur le substrat 1 par des procédés d'épita- xie en phase liquide ou vapeur, des électrodes de source et de drain 3 et 4 formées séparément l'une de l'autre sur une surface principale de la région de semiconducteur en arsé- niure de gallium de type n, 2, les électrodes de source et de drain 3 et 4 étant en contact ohmique avec la région de semiconducteur de type n, 2, et une électrode de grille 5 déposée sur la région de semiconducteur de type n, 2 dans la zone comprise entre les électrodes de source et de drain 3 et 4 L'électrode de grille 5 peut Etre constituée par un métal faisant fonction d'impureté-de type accepteur pour la région de semiconducteur en arséniure de gallium de type n, 2, décrite ci-dessus, et cette électrode peut être en zinc ou en cadmium ou en un alliage comprenant un métal tel que le zinc ou le cadmium et un autre métal tel que l'or, l'argent, l'étain, l'indium etc, et ayant un point de fusion relative- ment bas, de l'ordre de 300 à 4000 C Le transistor à effet de champ conforme à l'invention'qui est représenté comprend également une couche d'appauvrissement 6 formée de façon à s'étendre à partir d'une région située immédiatement au- dessous de l'électrode de grille 5, jusqu'à atteindre le substrat 1 lorsqu'aucune tension n'est appliquée à l'électro- de de grille 5, et une région de type p 8 qui est formée immédiatement audessous de l'électrode de grille 5, en coïncidant pratiquement avec la zone de l'électrode de grille 5. On vient de décrire les caractéristiques de struc- ture d'un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium conforme à l'invention, du type bloqué en l'absence de polarisation, et on va maintenant décrire un procédé de fabrication du transistor à effet de champ considéré ci-dessus Le transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium, du type bloqué en l'absence de polarisation, qui est décrit ci-dessus est fabriqué par les opérations suivan- tes: ( 1) on forme la région de semiconducteur de type n, 2 faisant fonction de couche active, sur le substrat en cris- tal d'arséniure de gallium semi-isolant, 1, ( 2) on forme les électrodes de source et de drain 3 et 4, à la manière d'un contact ohmique sur une surface principale de la région de semiconducteur de type N 2, ( 3) on isole les dispositifs respectifs en laissant indépendantes les électrodes de sour- ce et de drain 3 et 4 et la région de semiconducteur 2 entre elles, pour chaque dispositif, ( 4) on forme un motif d'électrode de grille sur une surface principale de la région de semiconducteur de type n, 2, dans la zone située entre les électrodes de source et de drain 3 et 4, par un traitement de photogravure, ( 5) on dépose un métal faisant fonction d'impureté du type accepteur dans un cristal d'arsé- niure de gallium, ou un alliage d'un tel métal et d'ur autre métal, et on forme ensuite l'électrode de grille 5 par une technique de lifting, et ( 6) on soumet la structure com- posite résultante à un traitement thermique à une températu- re légèrement inférieure au point de fusion du métal de l'électrode de grille 5, ce qui forme une très mince couche d'alliage de type p, 8, immédiatement au-dessous de l'élec- trode de grille 5 Le procédé de l'invention pour la fabri- cation d'un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium est plus particulièrement caractérisé par les opéra- tions ( 5) et ( 6) décrites ci-dessus. Le transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium qui est ainsi fabriqué comprend l'électrode de grille 5 formée dans une jonction p-n de type allié Il en résulte que le potentiel de diffusion Vbi du transistor à effet de champ de l'invention est supérieur à celui d'un transistor à effet de champ à grille à barrière de Schottky de type classique En outre, du fait que la largeur d'une zone d'appauvrissement du transistor à effet de champ de l'invention est proportionnelle à (Vbi V)î/2, la transcon- ductance gm de ce transistor est élevée De plus, du fait que le procédé de fabrication de l'invention ne nécessite pas de traitement à haute température, comme c'est le cas pour la formation d'une couche de type p par un traitement de diffusion, toute diffusion latérale est éliminée et on peut former l'électrode de grille 5 avec une dimension dési- rée Ainsi, conformément à l'invention, on obtient un tran- sistor à effet de champ du type à jonction qui comporte à la fois les avantages d'un transistor à effet de champ du type à barrière de Schottky classique et ceux d'un transis- tor à effet de champ à jonction p-n diffusée de type classi- que. L'électrode de grille peut être en un métal tel que le zinc ou le cadmium ou en un alliage comprenant un métal tel que le zinc ou le cadmium et un autre métal tel que l'or, l'argent, l'étain ou l'indium, la matière consti- tutive de la grille contenant un métal qui fait fonction d'impureté de type p dans un cristal d'arséniure de gallium et qui a un point de fusion relativement bas, de l'ordre de 300 à 400 C. On vient de décrire l'invention en considérant un mode de réalisation dans lequel l'électrode de grille, en un métal faisant fonction d'impureté de type p et ayant une température de fusion relativement basse, est formée sur la région en arséniure de gallitu de type n, ce qui permet de former une jonction p-n On peut cependant mettre en oeuvre l'invention de telle manière qu'une électrode de grille,en un métal faisant fonction d'impureté de type N et ayant un point de fusion relativement bas, soit formée sur une région en arséniure de gallium de type p, de manière à pou- voir former une jonction p-n Le métal faisant fonction d'impureté de type N et ayant une température de fusion relativement basse peut consister en étain, en un alliage d'or et d'étain, en un alliage d'or et de silicium ou en un alliage d'or et de germanium. On a fabriqué conformément à l'invention un oscillateur en anneau à 15 étages formé par des transistors à effet de champ à jonction p-n en arséniure de gallium, ayant une longueur de grille de 1 pm et une largeur de gril- le de 20 pm, en utilisant l'alliage Au-Zn comme métal de l'électrode de grille Ces transistors ont d'excellentes caractéristiques consistant en un temps de propagation de 30 ps et un produit puissance-temps de propagation de 2 Of J. Ainsi, l'e transistor à effet de champ du type à jonction conforme à l'invention, tel qu'un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium, est excellent en tant que transistor élémentaire d'un circuit intégré très rapide à l'arséniure de gallium. On vient de décrire l'invention en considérant à titre d'exemple un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium, mais il faut noter que l'invention n'est pas limitée à un transistor à effet de champ réalisé en arséniu- re de gallium et qu'elle peut également être mise en oeuvre avec un transistor à effet de champ constitué par n'importe quel autre semiconducteur composé. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Transistor à effet de champ du type à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend: une région de semiconduc- teur ( 2) d'un premier type de conductivité et ayant une sur- face principale; des électrodes de source et de drain ( 3, 4) formées séparément l'une de l'autre sur la surface principale de la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité; une électrode de grille ( 5) formée sur la surface principale de la région de semiconducteur du premier type de conductivité, dans la zone située entre, les électrodes de source et de drain ( 3, 4) et consistant en un métal qui fait fonction d'impureté par rapport à la région de semiconducteur du premier type de conductivité; et une région supplémentaire de semiconducteur ( 8) d'un second type de conductivité, formée dans la région de semiconduc- teur du premier type de conductivité, immédiatement au-dessous de l'électrode de grille ( 5). 2 Transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de semiconducteur ( 8) du second type de conductivité est formée en fonction de l'impureté du métal appartenant à l'électrode de grille ( 5). 3 Transistor à effet de champ du type à jonction selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce que le métal de l'électrode de grille ( 5) est choisi de façon à avoir un point de fusion bas. 4 Transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point de fusion est choisi de façon à 8 tre compris entre 300 et 4000 C. Transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité con- siste en un semiconducteur composé. 6 Transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 5, caractérisé en ce que le semicon- ducteur composé de la région de semiconducteur ( 2) du pre- mier type de conductivité consiste en arséniure de gallium de type n, et l'électrode de grille ( 5) consiste en zinc ou en cadmium ou en un alliage de l'un au moins des métaux com- prenant le zinc et le cadmium et de l'un au moins des métaux comprenant l'or, l'argent, l'étain et l'indium. 7 Transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 5, caractérisé en ce que le semicon- ducteur composé de la région de semiconducteur ( 2) du pre- mier type de conductivité consiste en arséniure de gallium de type p, et l'électrode de grille ( 5) consiste en étain, en un alliage d'or et d'étain, en un alliage d'or et de silicium ou en un alliage d'or et de germanium. 8 Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction, caractérisé en ce que: on prépare une région de semiconducteur ( 2) d'un premier type de conductivité et ayant une surface principale; on forme des électrodes de source et de drain ( 3, 4) séparées l'une de l'autre sur la surface principale de la région de semi- conducteur du premier type de conductivité; on dépose sur la surface principale de la région de semiconducteur du pre- mier type de conductivité, dans la zone comprise entre les électrodes de source et de drain, une électrode de grille ( 5) consistant en un métal qui fait fonction d'impureté par rapport à la région de semiconducteur du premier type de conductivité; et on chauffe la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité à une température infé- rieure au point de fusion du métal pour former une région de semiconducteur supplémentaire ( 8) d'un second type de conductivité, dans la région de semiconducteur du premier type de conductivité, immédiatement au-dessous de l'élec- trode de grille ( 5). 9 Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 8, carac- 12590 térisé en ce qu'on forme la région de semiconducteur ( 8) du second type de conductivité en fonction de l'impureté cons- tituée par le métal contenu dans l'électrode de grille ( 5). Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction selon-l'un e quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'on choisit le métal de l'électrode de grille ( 5) de façon qu'-il ait un point de fusion bas. 11 Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on choisit le point de fusion de façon qu'il soit compris entre 300 et 4000 C. 12 Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 8, caractérisé en ce que la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité consiste en un semiconducteur composé. 13 Procédé de fabrication d'un tr-ansistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le semiconducteur composé de la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité consiste en arséniure de gallium de type n, et l'électrode de grille ( 5) consiste en zinc ou en cadmium ou en un alliage de l'un au moins des métaux comprenant le zinc et le cadmium et de l'un au moins des métaux comprenant l'or, l'argent, l'étain et d'indium. 14 Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type à jonction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le semiconducteur composé de la région de semiconducteur ( 2) du premier type de conductivité consiste en arséniure de gallium de type p, et l'électrode de grille consiste en étain, en un alliage d'or et d'étain, en un alliage d'or et de silicium ou en un alliage d'or et de germanium.