Brevet FR2534416A1 — publié le 19840413

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP, DE TYPE PLANAR, A STRUCTURE VERTICALE La présente invention concerne un transistor à effet de champ, de type planar, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, dont la structure verticale permet de réduire la longueur de grille, et dans lequel le contrôle du courant se fait au moyen de deux zones de déplétion. La réalisation de ce transistor à effet de champ est simple, et fiable, et sa géométrie en surface permet d'associer plusieurs transistors en interdigitant leurs électrodes. L'augmentation de la fréquence maximale de fonctionnement des transistors à effet de champ se heurte à deux types de difficultés. Dans les transistors dits horizontaux, dans lesquels les trois - électrodes sont portées par une même face du cristal semiconducteur, le temps de transit des porteurs, qui est lié à la fréquence maximale de fonctionnement, de la source vers le drain est limité par la longueur de grille. A cette longueur, il convient d'ajouter encore les deux longueurs de garde entre les métallisations de source et grille d'une part et grille et drain d'autre part. Le temps de transit est donc limité par des raisons liées à la technologie de dépôt des métallisations, et de tenue en tension. A titre indicatif il est difficile de descendre en dessous d'une longueur de trois microns entre source et drain. Afin de diminuer le temps de transit des porteurs, notamment les électrons dans les matériaux de type n, plus rapides que les trous dans les matériaux de type p, sont apparus des transistors mettant en oeuvre des effets non stationnaires tels que survitesse et transport balistique, qui apportent une amélioration, ou des transistors dits verticaux, dans lesquels la longueur de grille est égale à une épaisseur d'une couche d'un matériau, comprise entre d'autres couches épitaxiales. Il est possible de réaliser des couches d'un matériau donné, soit par évaporation sous vide, soit par épitaxie, beaucoup plus fines que 1 micron, et c'est donc un avantage par rapport aux structures planars citées précédemment, mais la réalisation d'un tel transistor est compliqué puisqutelle nécessite plusieurs opérations épitaxiales. Le transistor à effet de champ selon l'invention apporte une solution simple à ces difficultés de réalisation. Il est de type vertical et ne comporte qu'un substrat très conducteur et une couche active, complétée par une métallisation de source sur la face libre du substrat et une métallisation de drain sur la face libre de la couche active. L'effet de pincement de la grille est obtenu par un dédoublement de la métallisation de grille, déposée sur la face libre de la couche active, de part et d'autre de la métallisation de drain. Chaque élément de la grille crée dans la couche active une zone désertée : les deux zones désertées creees par deux éléments de grille opposés par rapport au drain pincent le courant venant du substrat, de la source vers le drain.L'effet de pincement est variable avec la tension de polarisation de grille car, pour une couche active mince, la zone désertée sous une métallisation de grille se développe davantage en largeur, dans le plan de cette couche, qu'en profondeur, vers le substrat. De façon plus précise, l'invention concerne un transistor à effet de champ, de type planar, à structure verticale, comportant un substrat en matériau semiconducteur, de type de conductivité n+, supportant une couche active en matériau semiconducteur de type de conductivité n, une première métallisation d'électrode d'accès étant déposée sur la face libre du substrat et une seconde métallisation d'électrode d'accès déposée sur la face libre de la couche active, ce transistor étant caractérisé en ce que deux éléments de métallisation Schottky, déposés sur la face libre de la couche active de part et d'autre de la métallisation d'accés, constituent l'électrode de grille du transistor et contrôlent le passage du courant entre les deux électrodes d'accès par pincement entre deux zones désertées de porteurs, les dimensions latérales de ces deux zones désertées étant en relation avec la tension de polarisation de la grille. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation qui suit, s'appuyant sur les figures annexées qui représentent: - figure 1 : schéma fonctionnel d'un transistor à effet de champ horizontal, selon l'art connu; - figure 2 : condition de croissance d'une zône désertée sous un contact Schottky, dans un matériau de type n, selon l'art connu; - figure 3 : schéma de fonctionnement d'un transistor à effet de champ vertical selon l'invention; - figure 4 : structure d'un transistor à effet de champ vertical selon l'invention. Le transistor à effet de champ selon l'invention, peut être réalisé dans de nombreux matériaux tels que le silicium ou les matériaux des familles III-V par exemple, tels que l'arséniure de gallium ou le phosphure d'indium entre autres. Cependant pour simplifier les explications dans le texte, l'invention sera exposée en s'appuyant sur le cas d'un transistor en arséniure de gallium. Une autre caractéristique de l'invention est que ce type de transistor est unipolaire, pratiquement uniquement de type de conductivité n, car les électrons qui sont dans ce cas les porteurs majoritaires sont beaucoup plus rapides que les trous dans les matériaux d'un type de conductivité p : étant donné que l'effet recherché est une augmentation de la fréquence maximale du fonctionnement du transistor, rechercher cette augmentation avec des porteurs lents serait vain. La figure I représente le schéma fonctionnel d'un transistor à effet de champ classique, de type horizontal. Un tel - transistor comporte un substrat semi-isolant 1, sur lequel on a fait croître une couche 2 dite active, par épitaxie ou implantation par exemple. Trois électrodes sont déposés par des métallisations sur la surface libre de la couche active 2 : la source 3, la grille 4 et le drain 5, la grille étant généralement placée entre la source et le drain. Le contrôlé du courant 6 qui se déplace entre la source et le drain,# sous polarisation convenable, est obtenu par un effet de pincement de ce courant entre la grille 4 et le substrat semi-isolant 1. Ce pincement est obtenu par l'effet de zone désertée 7, qui se crée sous la métallisation de grille 4 sous l'effet d'une tension de polarisation convenable. Cette zone désertée, qui a d'ailleurs une géométrie dissymétrique, en fonction du potentiel entre source et drain, se développe selon la tension appliquée sur la grille: la zone désertée est minimale si la tension de grille est nulle et elle croît et peut atteindre le substrat semi-isolant si la tension de grille est suffisamment élevée. Il y a donc bien effet de pincement des lignes de courant 6 entre une zone désertée 7 et un substrat semi-isolant 1. La fréquence maximale d'un tel transistor est bien évidemment liée au temps de transfert des électrons depuis la source vers le drain, c1est-àdire lié à une distance qui est la somme de la longueur de grille 4 et des deux gardes repérées "e", ces gardes représentant la distance minimale que l'on sait réaliser entre la métallisation de source et de grille d'une part et de grille et de drain d'autre part :-actuellement les techniques de photogravure ne permettent guère de descendre en dessous de 1 micron ou 0,5 micron dans certains cas extremes. Par ailleurs la longueur de grille L n'est pas g exactement la longueur de la métallisation de grille 4 mais légèrement plus grande parce que la zone désertée 7 déborde légèrement de la métallisation 4.Etant donné, que dans le domaine des métallisations on descend difficilement en dessous de 1 micron, une limite assez bien représentative de l'art connu est que la distance entre source et drain ne peut guère descendre en dessous de 3 microns, c'est-a-dire L + 2e. g L'invention propose de remplacer la structure horizontale de ce type de transistor, dont on voit bien que cette structure se heurte à des limites technologiques, par une structure verticale dans laquelle la grille est rendue très courte car elle est obtenue par un effet de pincement non plus dans le sens vertical entre la grille et un substrat isolant, mais selon un sens horizontal entre deux zones de désertion, dans l'épaisseur d'une seule couche épitaxiée que l'on sait réaliser beaucoup plus fine que les 3 microns dont il a été question au sujet de la figure 1. La figure 2 explique le développement d'une zone de désertion, telle qu'elle est utilisée dans un transistor selon l'invention. Soit un substrat 8, en arséniure de gallium de type n+, fortement dopé: 1018 électrons par centimètre cube par exemple. Sur ce substrat n+, une couche épitaxiée 9 de type de conductivité n, légèrement dopée, de 1014 à 1016 par exemple, en arséniure de gallium également, supporte un contact Schottky 10. Si par des moyens appropriés qui ne sont pas représentés sur cette figure, on polarise en inverse le contact Schottky 10, il se crée sous la métallisation 10 une zone désertée qui croît avec la valeur de polarisation. Quatre enveloppes de zones désertées, 11, 12, 13, 14 ont été représentees sur la figure 2 et on conviendra, de façon arbitraire, qu'elles correspondent par exemple à des tensions de polarisation de 0 -1 -2 -3 volts. Si la couche épitaxiée est mince, on constate que la zone désertée qui se crée sous le contact Schottky se développe davantage latéralement (L), c'est-à-dire dans le sens du plan de la couche mince 9, plutôt qu'en profondeur (P), c'est-àdire perpendiculairement à cette couche mince 9 vers le substrat 8.C'est-àdire que pour une augmentation t V de la tension de polarisation de la grille Schottky 10, l'accroissement en largeur a 1 de la zone désertée est plus importante que l'accroissement en profondeur t p. Pour une valeur de la tension de polarisation suffisante, la zone désertée sous la métallisation Schottky ne se développe plus en profondeur parce qu'elle a atteint le substrat 10, mais elle s'étale en largeur dans la couche faiblement dopée. On conçoit alors que si deux contacts Schottky sont placés côte à côte et soumis à une tension de polarisation en inverse, on peut faire croître deux zones désertées, dont l'enveloppe est variable et commandable par la tension de polarisation, les deux enveloppes des deux zones désertées créant un effet de pincement entre elles, réglable comme un diaphgrame en optique. C'est ce que représente la figure 3 qui donne le schéma de fonctionnement d'un transistor à effet de champ selon l'invention. Un transistor à effet de champ selon l'invention comporte un substrat 8 en un matériau semiconducteur dopé de type n+, sur lequel est déposé par épitaxie une couche 9 en matériau semiconducteur de type n. Le substrat est très dopé et la couche épitaxiale, qui est la couche active, est légèrement dopée. Il comporte deux métallisations, une première métallisation 15 portée par la face libre du substrat, qui est la métallisation de source, une seconde métallisation 16, portée par la face libre de la couche active, qui est la métallisation de drain. Il comporte également deux métallisations 10 et 20, disposées de part et d'autre de la métallisation de drain sur la surface libre de la couche active. Il est connu qu'il est difficile de déposer de bons contacts ohmiques sur une couche de type n : c'est pourquoi, afin de simplifier la réalisation du transistor à effet de champ selon l'invention, des métallisations 10, 16 et 20, cellesci sont réalisées sous forme de contacts Schottky, c'est-à-dire par métallisation, par exemple, de titane, platine et or. Les métallisations de source 15 et de drain 16 sont polarisées de façon convenable - la polarisation n'en est pas représentée sur la figure 3 dans le seul but de simplifier cette figure - et un courant se crée depuis le substrat vers la surface libre de la couche active 9, ce courant étant recueilli par la métallisation de drain 16. Etant donné que le substrat 8 est très dopé et donc très conducteur, c'est la surface du substrat 8, à la jonction avec la couche active, qui joue le râle de source réelle dans ce transistor, et la longueur de grille n'est donc plus égale qu'à l'épaisseur de la couche active 9. Pour fixer les idées, aux 3 microns de longueur entre source et drain qui étaient nécessaires pour un transistor à effet de champ selon la- figure 1, sont opposées des longueurs telles que 0,05 à 0,5 micron, qui représentent les épaisseurs de couche active 9 que l'on sait réaliser. Les deux métallisations de grilles 10 et 20 sont polarisées convenablement et sous chacune d'elles se développe une zone désertée. Deux cas de figures de zones désertées sont représentés en figure 3. Sous une faible tension de polarisation, les zones désertées 12 sous la métallisation 10 et 22 sous la métallisation 20 laissent entre elles une ouverture qui permet le passage du courant depuis la source 15 vers le drain 16. Pour une tension de polarisation supérieure, les zones désertées 14 sous la métallisation 10 et 24 sous la métallisation 20 se rejoignent entre elles et #bloquent le fonctionnement du transistor. Il est évident que le contrôle du passage du courant depuis la source vers le drain peut être réalisé par le contrôle de la tension de polarisation de grille. Les contacts de drain 16 et de grille 10 et 20 sont des contacts de type Schottky, mais pour l'utilisation normale du transistor à effet de champ selon l'invention, le contact de drain est toujours polarisé en direct, et ne présente donc qu'une faible résistance au courant qui passe de la source vers le drain. Un transistor à effet de champ selon l'invention est donc réalisé au moyen de très peu d'opérations: - épitaxie de type n sur un substrat de type n - une seule opération de déposition de métal de type Schottky, tels que titane, platine ou or, et une seule opération pour réaliser le drain 16 et les grilles 10 et 20 - une opération de métallisation avec un contact ohmique tels que nickel, germanium, or pour réaliser la métallisation de source sur la face libre du substrat 8, - selon le cas, découpage du transistor dans la plaquette de matériau semiconducteur ou entourage du dispositif par isolation, par un caisson implanté sur le bord par exemple. La figure 4 représente la structure réelle d'un transistor à effet de champ selon l'invention. Le# substrat 8, en arséniure de gallium, a une épaisseur comprise entre 100 et 300 microns, et dopé à-1018 électrons par centimètre cube par exemple. La couche épitaxique 9 en arséniure de gallium également a une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 micron et est dopée de l'ordre de 1014 à 1016 électrons par centimètre cube. Ainsi la longueur de grille qui est la distance qui sépare #le drain 16 de la source réelle représentée par le trait pointillé 17 en surface du substrat 8 est donc de l'ordre de 6 à 60 fois plus courte que la longueur de grille selon l'art connu.Les métallisations de drain 16 et de grille 10 et 20 ont chacunes une largeur de l'ordre de 1 micron, et elles sont espacées entre elles de l'ordre de 1 micron également, car, comme il a été dit, cette distance de 1 micron correspond à une limite à ne pas dépasser pour une tension de polarisation de l'ordre de 3 volts entre grille et drain, soit 3000 volts au millimètre. Ceci aboutit à la réalisation d'un dispositif possédant un temps de parcours très diminué par rapport au minimum qu'on espère atteindre avec des transistors planar, tels que ceux de la figure 1. Le courant étant contrôlé entre deux zones de dépletion sous les deux éléments de grille 10 et 20, ce contrôle est beaucoup plus efficace que le contrôle entre une seule zone de déplétion et un substrat semi-isolant comme dans les transistors planar connus. Sur la figure 4, le transistor selon l'invention est représenté avec trois électrodes de drain 16 et de grille 10 et 20 dans un même plan. En fait, il est bien connu que la surface d'un dispositif 1'planar", que ce soit un transistor ou un circuit intégré, n'est pas rigoureusement plane, au sens mathématique du terme. Sous le microscope apparaissent très nettement des inégalités de surface qui correspondent aux diverses régions, matières ou opérations effectuées pour réaliser le dispositif semiconducteur. Un tel dispositif est cependant dénommé "planar", en opposition avec ceux de type "mésa" dans lesquels la ou les couches superficielles ont été partiellement attaquées, parfois jusqu'au substrat, ne laissant qu'un pilot en relief.L'inégalité de surface d'un planar peut être de l'ordré de 2000 , tandis que la profondeur d'un mésa est au moins égale à 1 micron. C'est ainsi que, selon une variante, le transistor selon l'invention peut avoir ses métallisations de grille 10 et 20 dans un plan légèrement inférieur à celui qui porte la métallisation de drain 16. En effet,- selon un perfectionnement à l'invention, il est plus facile de régler le courant source-drain si les métallisations de grille 10 et 20 sont légèrement plus proches du substrat 8 que la métallisation de drain 16. C'est-àdire si la face libre de la couche active 9 présente une inégalité de surface, de l'ordre de 10~)à 2000 A, tout à fait compatible avec la notion de "planar", mais qui fait que la grille voit son action optimisée, et que les métallisations 10 et 20 se trouvent dans un plan intermédiaire entre celui de la source 15 (ou 17) et celui du drain 16. Enfin, les deux éléments de grille 10 et 20 peuvent être polarisés, comme cela est représenté sur les figures 3 et 4 par une même source de polarisation. Mais ils peuvent être également polarisés indépendamment, ce qui permet une action bi-grille très efficace. Enfin, les deux métallisations de grille 10 et 20 peuvent prendre différentes formes: elles peuvent être constituées par deux métallisations qui, vues à la surface de la couche active 9, se présentent comme deux rectangles placés de part et d'autre du rectangle qu'est la métallisation de drain 16. Mais ce peut être également les deux éléments, séparés parce que vus en coupe, d'une unique métal libation carrée ou rectangulaire, qui entoure la métallisation de drain 16. Dans ce dernier cas, il est évident qu'il n'est plus possible de polariser les deux éléments de grille indépendamment puisque ce sont deux éléments prélevés dans une unique métallisation, donc à un même potentiel. En ce qui concerne la résistance passante d'un tel transistor à effet de champ, il a été dit précédemment que la métallisation Schottky de drain 16 étant polarisée en directe, elle ne présente que peu de résistance. Par ailleurs, la métallisation de source est de préférence large et la résistance source-canal du transistor, qui est normalement un effet parasite non négligeable, en est minimisée. Enfin, s'il est nécessaire d'obtenir davantage de puissance, parce que les limites dans les tensions ou dans les résistances passantes sont atteintes, il est facile de construire un transistor à effet de champ en associant plusieurs petits transistors connectés en parallèle, les contacts supérieurs de grille et de drain étant interdigités, sans croisement, ce qui diminue les capacités parasites. En ce qui concerne la réalisation du transistor à effet de champ selon l'invention, la fabrication sur un substrat conducteur apporte une compatibilité du point de vue de l'intégration avec d'autres composants qui jusqu'à présent ont été difficilement intégrés avec les transistors à effet de champ par exemple les diodes Gunn, les lasers, les diodes émettrices de lumière. La simplicité de la structure unipolaire fait que la réalisation d'un tel transistor n'a pas d'exigence sévère sur la pureté de l'épitaxie réalisée et ce dispositif peut se faire par épitaxie en phase vapeur, en phase liquide, organométallique ou par jet moléculaire. En outre, et cela a déjà été dit, l'arséniure de gallium n'est pas le seul matériau envisageable: l'arséniure de gallium aluminium, le phosphure d'indium, ou le silicium entre autres conviennent parfaitement à la réalisation d'un tel transistor. Enfin, la réalisation d'une unique métallisation de contacts ohmiques 15 sur la surface libre du substrat et d'une unique métallisation Schottky 10 + 16 + 20 sur la surface libre de la couche épitaxiale, suivies éventuellement d'une gravure pour délimiter ces métallisations, rendent beaucoup plus facile et fiable la fabrication du dispositif. L'invention a été décrite en s'appuyant sur un exemple de réalisation, mais il est évident pour l'homme de l'art que des variantes peuvent en être facilement obtenues sans pour autant sortir du domaine de l'invention, qui est précisé par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ, de type planar, à structure verticale, comportant un substrat (3) en matériau semiconducteur, de type de conductivité n+, supportant une couche active (9) en matériau semiconducteur de type de conductivité n, une première métallisation (15) d'électrode d'accès étant déposée sur la face libre du substrat (8) et une seconde métallisation (16) d'électrode d'accès déposée sur la face libre de la couche active (9), ce transistor étant caractérisé en ce que deux éléments (10, 20) de métallisation Schottky, déposés sur la face libre de la couche active (9) de part et d'autre de la métallisation d'accès (16) constituent l'électrode de grille du transistor et contrôlent le passage du courant entre les deux électrodes d'accès (15, 16) par pincement entre deux zones désertées (12, 22) de porteurs, les dimensions latérales de ces deux zones désertées étant en relation avec la tension de polarisation de la grille (10, 20). 2. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - la première métallisation (15), déposée sur le substrat (8), constitue l'électrode de source et est un contact ohmique; - la seconde métallisation (16), déposée sur la couche active (9), constitue l'électrode de drain et est un contact Schottky. 3. Transistor à effet de champ selon la revendication 2, caractérisé en ce que: - le substrat (8) est en un matériau semiconducteur de type n+, dopé à environ 2.1018 e . cm~3, choisi parmi silicium ou composés de la famille III- V, d'épaisseur comprise entre 100 et 300 microns; - la couche active (9) est en un matériau semiconducteur de type n, dopé de 1014 à 1016 e . ci~3, choisi parmi silicium ou composés de la famille III-V, d'épaisseur comprise entre 0,05 et 0,5 micron; - le métal du contact ohmique (15) est choisi parmi Ni, Ge, Au; - les métaux des contacts Schottky (10, 16, 20) sont Ti, Pt, Au. 4. Transistor à effet de champ selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de grille est égale à l'épaisseur d'une couche épitaxiée (9), soit la distance séparant la métallisation de drain (16) de l'interface (17) substratîcouche active (8/9), cet interface faisant fonction de source. 5. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments de métallisation (10, 20) constituant l'électrode de grille font partie d'une unique métallisation qui entoure la métallisation de drain (16). 6. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que la métallisation de drain (16) ayant une forme géométrique de ruban, les métallisations de grille (10, 20) ont également une forme de rubans, parallèles à celui du drain. 7. Transistor à effet de champ selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une pluralité de tels transistors, dont les électrodes sont interdigitées, constituent un transistor à effet de champ à moindre résistance passante. 8. Transistor à effet de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que les métallisations de grille (10, 20) sont dans un plan intermédiaire entre le plan de la métallisation de source (15) et celui de la métallisation de drain (16) l'inégalité de surface de la couche active (9) étant comprise o entre 1000 et 2000 A.