Brevet FR2556504A1 — publié le 19850614

La présente invention concerne les dispositifs à semi-conducteur. On a récemment proposé divers dispositifs à semi-conducteur qui mettent en oeuvre des émetteurs d'"'élec- trons chauds" pour la création de porteurs rapides de courant de type semi-balistique, avec formation d'un dispo- sitif pouvant fonctionner très rapidement. La présente invention concerne un dispositif à semi-conducteur qui met en oeuvre des électrons chauds d'une manière originale pour l'obtention d'une opération de commutation à grande vitesse. Plus précisément, l'invention concerne un dispo- sitif de commutation à semi-conducteur qui comporte un corps d'un matériau semi-conducteur sensiblement intrinsèque porté par un substrat ayant une conductivité de type n, un émetteur d'électrons chauds disposé afin qu'il injecte des électrons chauds dans ledit corps, lorsqu'un potentiel de polarisation est appliqué entre l'émetteur et le substrat, avec une énergie suffisante pour que des paires électrons-trous soient formées dans le corps par collision d'électrons injectés avec des électrons de valence, et une région d'un matériau semi-conducteur ayant une conducti- vité de type p, contiguë au corps et vers laquelle les trous créés diffusent, lors d'une polarisation convenable par rapport au substrat. L'émetteur d'électrons chauds est avantageusement une région d'un matériau semi-conducteur de conductivité de type n ayant une bande interdite relativement large entre les bandes de conduction et de valence par rapport au matériau du corps, cette région de type n étant séparée du corps par une couche d'un matériau semi-conducteur de type p. De préférence, une couche d'un matériau semi- conducteur de type n, ayant pratiquement la même bande interdite que le matériau du corps, est placée entre le corps et l'émetteur d'électrons chauds. Dans un mode de réalisation particulier de l'in- vention, le corps, la région de matériau de type p qui en est contiguë et, le cas échéant, ladite couche du matériau de type n est formée d'un matériau à base d'arséniure de gallium et l'émetteur d'électrons chauds est formé d'un matériau à base d'arséniure d'aluminium et de gallium. D'autres caractéristiques et avantages d'un dispositif de commutation à semi-conducteur selon l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'un dispo- sitif selon l'invention; - la figure 2 est un schéma illustrant le fonction- nement du dispositif; et la figure 3 est un graphique représentant la variation de la bande interdite dans une partie du dispo- sitif. Le dispositif représenté sur la figure 1 est formé sur un substrat 1 d'arséniure de gallium ayant une concentration de dopage de type n. Le substrat porte, sur l'une de ses faces principales, une couche 3 d'arséniure de gallium non dopé, c'est-à-dire semi-isolant, et, sur sa face opposée au substrat, la couche 3 porte une mince couche 5 d'arséniure de gallium de type n. En position centrale dans les couches 3 et 5, une région 7 d'arséniure de gallium de type p est formée et elle est munie d'un contact 9 formé d'une couche métallisée. Un émetteur annulaire d'électrons chauds entoure coaxialement la région 7 et son contact 9, à distance, et comporte une mince couche 11 d'arséniure d'aluminium et de gallium de type p, très dopé, adjacente à la couche 5 et recouverte d'une couche relativement épaisse 13 d'arsé- niure d'aluminium et gallium de type n. L'émetteur d'élec- trons chauds a un contact 15 formé d'une couche métallisée, sur la couche 13. Lors du fonctionnement du dispositif, la région 7 est polarisée négativement par rapport au substrat 1 par l'intermédiaire du contact 9, et le potentiel du contact 15 peut être commuté entre le potentiel du substrat et un potentiel négatif par rapport à celui du substrat comme décrit plus en détail dans la suite. Comme l'indique la figure 2, lorsque le contact 15 est polarisé négativement d'une manière suffisante, les électrons ayant une énergie supérieure à la limite Ec de la bande de conduction du matériau de la couche 3 d'une quantité supérieure à la bande interdite Eg du matériau de la couche 3 sont injectés par l'émetteur d'électrons chauds dans la couche 3. Ces électrons ont suffisamment d'énergie pour qu'ils créent des paires électrons-trous dans la couche 3 par collision avec des électrons de valence. La durée de vie des porteurs créés est suffisamment longue pour que les trous créés diffusent vers la région 7 de type p et vers le contact 9, et pour que les électrons créés diffusent vers le substrat 1 de type n, sous l'action du champ électrique créé par le potentiel de polarisation appliqué entre le contact 9 et le substrat. Ainsi, un courant circule entre le contact 9 et le substrat 1 lorsque le contact 15 est polarisé négati- vement de manière convenable, le courant cessant de circuler lorsque la polarisation du contact 15 est supprimée. On se réfère maintenant à la figure 3; la couche 13 est formée d'un matériau ayant une bande interdite relativement grande Egl par rapport à la bande interdite Eg2 du matériau de la couche 3, et le dopage de la couche 11 est suffisamment élevé pour que les électrons passant pardessus la barrière présentée par la couche 11 possèdent l'énergie nécessaire, c'est-à-dire supérieure à Eg2 au- dessus de la limite Ec de la bande de conduction, dans le matériau de la couche 3, afin que des électrons injectés aient une énergie suffisante. La couche 5 de type n assure une chute rapide de potentiel assurant le lancement d'électrons par-dessus la barrière dans la couche 3, et forme aussi une barrière empêchant la pénétration des trous formés dans la couche 11. Sur la figure 3, les courbes en traits pleins et interrompus, portant la référence Ec, indiquent la limite de la bande de conduction avec ou sans polarisation négative du contact 15 d'émetteur, et la courbe Ef en traits inter- rompus représente le niveau de Fermi sans polarisation appliquée au contact 15. La bande interdite Eg2 du matériau de la couche 3 est choisie afin qu'elle soit suffisamment élevée, par exemple supérieure à 1 eV, afin que l'isolement soit bon lorsque le dispositif est à l'état non conducteur. Il faut noter que l'épaisseur de la couche 5 de type n doit être nettement inférieure au libre parcours moyen des électrons chauds injectés par l'émetteur 11, 13. Il faut noter que, bien que, dans le mode de réalisation particulier de l'invention décrit précédemment à titre illustratif, les matériaux utilisés soient à base d'arséniure de gallium, ceci n'est pas obligatoirement le' cas; dans un dispositif selon l'invention. Ainsi, dans une variante, l'émetteur est formé d'un matériau à base de phosphure de gallium et les autres parties semi-conduc- trices du dispositif sont formées d'un matériau à base de silicium. Il faut noter que la fabrication d'un dispositif selon l'invention ne pose pas de problèmes aux spécialistes car le dispositif peut être réalisé par mise en oeuvre des techniques bien connues utilisées pour la fabrication des dispositifs classiques à semi-conducteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (3) d'un matériau semi-conducteur sensiblement intrinsèque porté par un substrat (1) de conductivité de type n, un émetteur (11, 13) d'électrons chauds disposé afin qu'il injecte des électrons chauds dans ledit corps (3) lorsqu'un potentiel de polarisation est appliqué entre- l'émetteur (11, 13) et le substrat (1), avec une énergie qui suffit à la création de paires électrons-trous dans le corps (3) par collision des électrons injectés avec des électrons de valence, et une région (7) d'un matériau semi-conducteur de conductivité de type p, contiguë au corps (3) et vers laquelle les trous créés diffusent lors d'une polarisation convenable par rapport au substrat (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'émetteur d'électrons chauds comporte une région (13) d'un matériau semi-conducteur de type n ayant une bande interdite relativement grande (Eg1) entre les bandes de conduction et de valence, par rapport au matériau du corps (1), la région de type n (13) étant séparée du corps (1) par une couche (11) d'un matériau semi-conducteur de type p. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une couche (5) d'un matériau semi-conducteur de type p, ayant pratiquement la même bande interdite (Eg2) que le matériau du corps (3) est disposée entre le corps (3) et l'émetteur (11, 13) d'élec- trons chauds. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le corps (1), ladite région (7) d'un matériau de type p contiguë au corps et, le cas échéant, la couche (5) d'un matériau de type n sont formés d'un matériau à base d'arséniure de gallium, et l'émetteur d'électrons chauds (11, 13) est formé d'un matériau à base d'arséniure d'aluminium et de gallium. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le corps (3), ladite région (7) d'un matériau de type p contiguë au corps et, le cas échéant, la couche (5) d'un matériau de type n sont formés d'un matériau à base de silicium, et l'émetteur d'électrons chauds (11, 13) est formé d'un matériau à base de phosphure de gallium. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur d'élec- trons chauds (11, 13) a une forme annulaire et entoure ladite région (7) d'un matériau de type p qui est contiguë au corps (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le corps (3) est formé d'un matériau ayant une bande interdite supérieure à un électron-volt.