Brevet FR2514949A1 — publié le 19830422

N 2514949 TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A CANAL VERTICAL L'invention concerne un transistor à effet de champ du type à canal vertical désigné dans la littérature anglo-saxonne par le sigle PBT (Perme- able Base Transistor) ainsi que le procédé de fabrication de ce transistor. Un transistor disposant d'une structure de ce type a déjà été fabriqué. La grille d'un tel transistor comprend dans sa partie active une partie en forme de peigne formé de dents parallèles Un transistor de ce type est formé par la superposition de quatre couches: un substrat en arséniure de gallium (As Ga) de type N+, une couche de type N formant la source, un film de tungstène en forme de peigne et formant la grille, une couche de type N formant le drain Les régions formant la source et le drain sont entourées par une couche d'arséniure de gallium rendue isolante par un bombardement de protons Les électrons provenant de la région formant la source sont contraints par la présence des zones isolantes de traverser la grille pour arriver au drain La couche de tungstène formant la grille du transistor forme un contact Schottky avec l'arséniure de gallium permettant d'assurer le contrôle du passage des électrons entre la source et le drain La concentration en porteurs est ajustée de telle façon que la largeur de la zone de transition pour une tension de polarisation nulle du contact Schottky est environ le double de l'écart entre les dents du peigne formant la grille. Des revêtements métalliques assurent des contacts ohmiques pour les différentes électrodes. Par rapport aux transistors à effet de champ classiques, le tran- sistor PBT procure les avantages suivants: une structure verticale qui permet un meilleur contrôle des phéno- 2, mènes internes au transistor, le flux d'électrons qui transitent de la source au drain est contrôlé par l'épaisseur de la grille qui a une dimension plus petite que la largeur de la grille dans la technologie planar et qui réduit de ce fait le temps de transit des électrons, la possibilité d'une croissance épitaxiale au-dessus de la grille. Des considérations théoriques prévoient une fréquence maximale d'os- cillation d'environ 200 G Hz avec des dispositifs de ce type Cependant, ces transistors sont sujets à quelques inconvénients, notamment une résistance élevée de la grille due à sa forme et un risque élevé de cassure des dents de la grille, ce qui rend alors inutilisables des parties importantes de celle-ci. Afin de pallier à ces inconvénients, la présente invention propose de remplacer les moyens de commande du canal de conduction en forme de peigne selon l'art connu par un arrangement de deux jeux de dents parallèles, se croisant pour former une structure en forme de maille afin de créer des filaments de conduction Cette structure pourra être reliée à une face externe du transistor par n'importe quel côté de sa périphérie. Cette réalisation procure les avantages suivants: une plus faible résistance ohmique de la grille, une plus grande fiabilité d'utilisation quant au risque de cassure des dents, une surface effective de grille plus grande par unité de surface d'arséniure de gallium. L'invention a donc pour objet un transistor à effet de champ du type à grille enterrée et à canal vertical comprenant un substrat semiconducteur monocristallin dopé sur lequel sont épitaxiées successivement plusieurs couches dopées d'un même type de conductivité que ledit substrat; la base du substrat et le sommet de la dernière couche épitaxiée portant respec- tivement des contacts ohmiques de source et de drain; ledit transistor comportant en outre des moyens conducteurs de commande; la conduction entre source et drain étant distribuée au sein desdites couches épitaxiées et empruntant un faisceau de zones collatérales isolées délimitées par lesdits moyens conducteurs de commande, caractérisé en ce que ces zones collaté- rales forment un agencement matriciel dans la section dudit canal. Le procédé de fabrication du transistor selon l'invention comporte les mêmes étapes que pour la fabrication des transistors PBT de l'art connu à l'exception de la réalisation de l'électrode de grille pour laquelle la technique utilisée est à faisceau d'électrons et masque ou à balayage électronique. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaî- tront, au moyens de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent parmi lesquels: la figure 1 représente un transistor selon Pinvention pendant son processus de réalisation, la figure 2 représente une version achevée de ce transistor, la figure 3 représente le procédé de réalisation d'un transistor bigrille s'inspirant de l'invention. L'idée maîtresse de l'invention consiste à morceler davantage le canal de conduction reliant la source et le drain afin que le passage des électrons se fasse suivant des filaments conducteurs A priori cette manière de commander le canal de conduction peut sembler plus complexe que dans l'art connu, cependant des avantages apparaissent qui sont dus à la géométrie du transistor à canal vertical En effet dans ce type de transistor, on exploite la faible distance existant entre le drain et la source ce qui permet à la croissance épitaxiale de se réaliser dans de bonnes conditions Cette croissance ne pose pas de problèmes particuliers même dans le cas d'un nombre important de filaments de conduction. Un fragment de transistor selon l'invention et en cours de réalisation est représenté en perspective cavalière à partir d'une coupe transversale, figure 1, d'un solide semi-conducteur. Le transistor à effet de champ selon l'invention est du type à canal vertical Il est réalisé à partir d'un matériau semi-conducteur, par exemple de l'arséniure de gallium (As Ga) monocristallin Sur un substrat 1 réalisé à partir d'une couche d'arséniure de gallium rendu conducteur de type N+ par l'introduction d'impuretés, on a développé par dépôt épitaxial une couche 2 de type N Ce dépôt épitaxial peut être réalisé à partir d'un système As CI 3 Ga H 2 ou par un procédé organométallique on encore par jet moléculaire. En utilisant une résine sensible à un faisceau d'électrons et par un masque on a ensuite réalisé lélectrode de grille 3 sous la forme d'un film métallique de tungstène par exemple L'avantage que présente le tungstène est d'être suffisamment inerte face à l'arséniure de gallium et aux autres produits utilisés lors de la croissance épitaxiale, L'électrode de grille peut se présenter sous la forme d'une plaque percée de fenêtres carrées ou rectangulaires comme la montre la figure 1. L'épaisseur de cette électrode peut être de quelques centaines d'angstrôms. Les dimensions des fenêtres dépendent de la fonction qu'aura à assumer le transistor Dans la figure 1 on n'a représenté que quelques fenêtres par souci de simplification mais l'électrode de grille peut en comporter beaucoup plus. L'étape suivante reprend la croissance du monocristal d'arséniure de gallium pour former une deuxième couche épitaxiale 4 Cette croissance se fait également par les interstices de l'électrode de grille La croissance de 'arséniure de gallium de type N à travers les mailles de l'électrode en tungstène permet de créer une diode par contact Schottky La transition entre les concentrations de porteurs des deux couches épitaxiales doit être graduelle L'épaisseur de ces couches est de l'ordre de quelques dixièmes de microns. Après la croissance de la deuxième couche épitaxiale, les seuls endroits de l'électrode de grille o l'on a empêché au moyen de caches la croissance de cette couche sont les endroits qui permettent d'assurer la liaison électrique avec un contact de grille dont une partie est située sur l'une des faces du transistor L'une des conséquences de la structure en treillis de l'électrode de grille est qu'elle peut être réunie au contact extérieur par n'importe quel point de sa périphérie La figure 2, qui est une vue partielle d'un transistor selon rinvention, montre à titre non limitatif un exemple de liaison entre la face supérieure du transistor o se trouve une partie du contact 8 et l'électrode de grille noyée dans le cristal. Le contact ohmique de drain 7 est formé sur la surface libre de la seconde couche épitaxiale La surface du contact de drain est déterminée par la puissance et le niveau de bruit minimum demandé au transistor Son épaisseur peut être de quelques microns Il peut être formé par dépôts successifs de nickel, de germanium et d'or afin de constituer un bon contact ohmique. Afin de rendre isolante la zone d'arséniure de gallium entourant la zone active du transistor et de former ainsi un canal bien délimité et faisant face au contact de drain 7, on bombarde par exemple les couches épitaxiales par des protons Le canal formé des zones 2 et 4 masquées par le contact de drain reste de type N. Le contact de grille 8 pénétrant jusqu'à l'intérieur du transistor peut être réalisé par pulvérisation cathodique de nickel, de germanium et d'or De même, on peut réaliser le contact de source 6 qui peut s'étendre sur une surface plus importante que le contact de drain, comme le montre la figure 2. Cette figure révèle la zone isolante 5 et le canal de conduction formé des parties 2 et 4. Il entre également dans le cadre de l'invention de disposer de deux contacts de grille sur une face extérieure du transistor Les deux contacts peuvent alors être disposés symétriquement par rapport au contact de drain et réunis entre eux par un conducteur de même nature Ce dispositif a pour objet de réduire la résistance de grille. Dans les transistors à effet de champ réalisés selon la technologie planar, l'addition d'une seconde grille permet au transistor de réaliser de nouvelles fonctions telles que la commande de tensions en amplitude ou en phase, le mélange de fréquences. Pour un transistor du type à canal vertical, un dispositif bigrille peut être fabriqué en s'inspirant du transistor à grille unique décrit plus haut. Comme il a été dit dans l'introduction de cette présente demande de brevet, l'invention consiste à créer des filaments de conduction par exemple par un arrangement de deux jeux de dents parallèles qui se croisent Dans le cas d'un transistor à grille unique, il a été avantageux de superposer ces deux jeux afin de disposer d'une structure en forme de maille On peut alors réaliser un transistor bigrille en déposant le second jeu de dents parallèles sur la surface d'une mince couche épitaxiale que l'on a fait croître au-dessus du premier jeu. Dans les dispositifs connus de transistors à effet de champ bigrilles, les deux grilles sont de forme indentique et la deuxième est placée dans l'alignement de la première pour les électrons migrant de la source vers le drain Un gros problème qui se pose alors pour les transistors à canal vertical est de réaliser pratiquement cet alignement avec des grilles enterrées De même les connexions depuis les électrodes enterrées jusqu'à la surface du transistor posent de sérieux problèmes En s'inspirant du tran- sistor à grille unique décrit plus haut, on peut éviter les problèmes qui viennent d'être exposés pour le transistor bigrille en croisant les deux jeux d'électrodes de grille, par exemple orthogonalement. La figure 3 représente le procédé de fabrication d'un transistor bigrille utilisant le principe de l'invention Cette figure montre plusieurs étapes de la fabrication répertoriées de (a) à (e). Une grande partie de ce procédé de fabrication reprend les mêmes étapes que pour la fabrication du transistor à grille unique A titre d'exemple non limitatif la description portera sur un transistor à canal de type N Au stade (a), la technologie employée ne diffère pas de celle utilisée plus haut: croissance épitaxiale de la couche semi-conductrice 10 de type N sur un substrat 9 d'arséniure de gallium dopé N+ et dépôt d'un premier peigne 11 sous la forme d'un film de tungstène en utilisant par exemple la technique de masquage d'une résine et son attaque par un faisceau d'élec- trons. Ce peigne comporte des dents (ou barreaux) parallèles reliées entre elles par une barre transversale qui peut être plus large et plus épaisse que les dents On peut aussi relier les dents par une autre barre située à l'opposé de la première par rapport aux dents afin de former un cadre de liaison. Au stade (b), on a fait croître une autre couche épitaxiale 12 de type N de même dopage que la couche 10 sur laquelle un autre peigne 13 de tungstène a été déposé par la même technique que le premier et orthogo- nalement à celui-ci Les peignes Il et 13 formeront les deux grilles du transistor. Au stade (c), on retrouve une couche épitaxiale 14 de type N sur laquelle on a déposé un contact 15 de drain, par exemple par des dépôts successifs de nickel, de germanium et d'or. Au stade (d), un bombardement de protons a rendu isolantes les parties des couches 10, 12 et 14 laissées découvertes par le contact 15 pour former la zone isolante 16 et un canal 17 allant de la couche 9 au contact de drain et délimité par la surface de ce contact. Au stade (e), on a déposé des contacts de grilles 20 et 18 à la surface de la couche 16 Ces contacts pénètrent dans la couche 16 pour assurer une liaison électrique respectivement avec les grilles Il et 13 à des endroits de ces grilles o un masquage avait évité le recouvrement épitaxial Ces contacts peuvent être réalisés par pulvérisation cathodique de nickel et germanium et d'or De la même façon, on a déposé un contact 19 de source. Comme pour le transistor à simple grille, on peut doubler les contacts de grilles afin de diminuer leur résistance ohmique Les sorties de chaque grille se faisant par exemple symétriquement par rapport au contact de drain. Les électrodes de grille peuvent également se présenter sous la forme de plaques perforées Dans ce cas on retrouve bien les filaments de conduction mais le problème du positionnement relatif des électrodes de S grille se pose à nouveau. La description précédente n'a porté que sur la réalisation d'un seul transistor à partir d'un substrat par souci de simplification mais il entre dans le cadre de linvention de réaliser une pluralité de transistors à partir d'un même substrat selon l'art connu. La réalisation d'un transistor à effet de champ selon, l'invention permet d'obtenir un produit plus fiable et possédant une électrode de grille dont la résistance ohmique est plus faible que les transistors connus qui utilisent la même structure de canal. En se basant sur le principe de fabrication du transistor monogrille, on a pu réaliser un transistor bigrille à structure verticale et disposer ainsi des avantages inhérents à ce type de transistor: haute fréquence d'utilisation, faible niveau de bruit. REVENDICATIONS 1 Transistor à effet de champ du type à grille enterrée et à canal vertical comprenant un substrat semi-conducteur monocristallin dopé ( 1) sur lequel sont épitaxiées successivement plusieurs couches dopées d'un même type de conductivité que ledit substrat; la base du substrat et le sommet de la dernière couche épitaxiée -portant respectivement des contacts ohmiques de source ( 6) et de drain ( 7); ledit transistor comportant en outre -des moyens conducteurs de commande; la conduction entre source et drain étant distribuée au sein desdites couches épitaxiées et empruntant un faisceau de zones collatérales isolées délimitées par lesdits moyens conduc- teurs de commande, caractérisé en ce que ces zones collatérales forment un agencement matriciel dans la section dudit canal. 2 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens conducteurs de commande sont constitués par une électrode de grille ( 3) dont la surface est perforée à l'emplacement desdits canaux de conduction et qui est réunie à un contact d'accès ( 8). 3 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens conducteurs de commande sont constitués par deux systèmes de barreaux croisés ( 11 et 13), chaque système étant réuni à un contact d'accès ( 17 et 18). 4 Transistor selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont constitués par deux électrodes trouées. Transistor selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de commande sont formés de barreaux possédant un cadre de liaison, les connexions aux contacts d'accès se faisant par au moins un côté du cadre. 6 Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'on a rendu isolantes des parties du transistor situées en dehors du canal de conduction.