Brevet FR2566185A1 — publié le 19851220

La présente invention concerne de façon générale les structures logiques complémentaires, et elle porte en particulier sur de telles structures réalisées en utilisant des hétérojonctions à dopage modulé. Bien qu'on ait envisagé et fabriqué de nombreux types de circuits logiques utilisant des semiconducteurs, un type présentant un intérêt particulier pour la technologie actuelle repose sur une symétrie complémentaire et, lorsqu'il est mis en oeuvre dans du silicium, constitue ce qu'on appelle un dispositif CMOS. Un dispositif CMOS a pour caractéristiques essentielles d'être constitué par deux transistors à effet de champ dont l'un est un transistor à canal p et l'autre est un transistor à canal n. Pour le fonctionnement le plus simple du circuit, les transistors doivent avoir des caractéristiques de fonctionnement similaires. Le terme "complémentaire" est donc approprié. On fabrique de façon caractéristique les deux transistors dans des positions mutuellement adjacentes sur un substrat commun.On peut réaliser les connexions du dispositif CMOS de façon qu'il fonctionne en porte logique, par exemple en inverseur. Bien entendu, on peut également fabriquer des portes logiques autres que des inverseurs. La technologie CMOS présente la caractéristique avantageuse d'avoir une dissipation de puissance relativement faible, en comparaison d'autres technologies de circuits logiques. Ceci vient du fait que l'un des transistors à effet de champ est de façon caractéristique bloqué et le courant nominal absorbé par ce transistor est égal à zéro. Parmi des avantages supplémentaires par rapport à d'autres circuits logiques figurent de façon caractéristique des retards de propagation plus courts ainsi que de meilleures caractéristiques de temps de montée et de descente. Bien que la réalisation de structures CMOS dans du silicium soit maintenant de façon générale une chose courante pour l'homme de l'art, la réalisation d'une structure à symétrie complémentaire dans des matières autres que le silicium, comme des semiconducteurs composés du Groupe III-V, serait souhaitable dans de nombreux cas, du fait que les mobilités des porteurs dans de tels semiconducteurs sont souvent notablement plus élevées que dans le silicium. Les mobilités de porteurs plus élevées laissent entrevoir des caractéristiques de dispositifs souhaitables, telles qu'un fonctionnement plus rapide. Le GaAs est un tel semiconducteur#du Groupe III-V. La fabrication de structures à symétrie complémentaire dans le GaAs s'est cependant avérée difficile pour plusieurs raisons. Bien que la mobilité des électrons soit notablement plus élevée dans le Si que dans le GaAs, les mobilités des trous dans les deux semiconducteurs sont approximativement comparables. Il en résulte que le transistor à canal p est beaucoup plus lent et présente de beaucoup plus mauvaises caractéristiques courant-tension que le transistor à canal n. Par conséquent, un grand nombre des avantages potentiels de la structure complémentaire ne sont pas atteints. De plus, la structure de porte pour le dispositif à canal p est formée de façon caractéristique par une barrière de Schottky, ce qui forme un transistor dit MESBET (transistor à effet de champ métalsemiconducteur). Malheureusement, la barrière est relativement basse. Une autre technique pour améliorer les performances de dispositifs repose sur un choix judicieux de structures plutôt que de matières. Une telle technique constitue ce qu'on appelle le dopage modulé. Dans une hétérostructure a dopage modulé, on sépare les porteurs par rapport à des impuretés parentes ionisées en dopant un semiconducteur à bande interdite large, et en laissant avec une conductivité intrinsèque le semiconducteur à bande interdite étroite adjacent. On crée ainsi un système de porteurs bidimensionnel qui, en fonction du do pant, est formé par des électrons ou par des trous. On n'a pas encore utilisé avec succès des hétérostructures à dopage modulé dans des structures CMOS. Une structure complémentaire conforme à llinven- tion qui comprend un substrat et un transistor à effet de champ à canal n et un transistor à effet de champ à dopage modulé (MODFET) à canal p, peut être fabriquée en utilisant des semiconducteurs composés du Groupe III-V. En outre, on peut utiliser des semiconducteurs du Groupe IV ou du Groupe II-VI. Chaque transistor comporte des électrodes de source, de grille et de drain, et au moins une électrode du transistor à canal n est connectée à au moins une électrode du transistor à canal p. Dans un mode de réalisation, le transistor à canal p comprend une couche de GaAs de conductivité intrinsèque, adjacente à une couche de AlGaAs de type p.Le transistor à canal n est un MISSET qui comprend en outre une couche de GaAs de type n adjacente à la couche de AlGaAs de type p. Les électrodes viennent en contact avec les couches de type n et de type p, respectivement dans le #E5FET et dans le MODFET. Dans un mode de réalisation préféré, la couche de AlGaAs de type p dans le MESFE~ est dans un état de déplétion complète à l'équilibre, tandis que la couche de AlGaAs de type p dans le MODFET à canal p n'est pas dans cet état.Dans encore un autre mode de réalisation, le transistor à canal n est un MODFET. On peut également utiliser des semiconducteurs composés du Groupe III-V autres que AlxGaî#xAs. On forme commodément les structures en faisant croître toutes les couches épitaxiales, en masquant et en enlevant sélectivement des parties d'une ou de plusieurs couches et en déposant les électrodes. Du fait des différences dans les compositions des couches, on peut utiliser des techniques d'attaque sélective pour définir avec précision l'enlèvement des couches. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue de face d'une structure complémentaire conforme à l'invention La figure 2 est un schéma de circuit d'un inverseur CMES conforme à l'invention qui utilise la structure de la figure 1 ; la figure 3 est une vue de face d'un autre mode de réalisation d'une structure complémentaire conforme à l'invention La figure 4 est un schéma de circuit de la structure de la figure 3 ; et La figure 5 est une vue de face d'un autre mode de réalisation d'une structure complémentaire conforme à l'invention. Un mode de réalisation d'une structure complémentaire conforme à l'invention est représenté en vue de face sur la figure 1. On envisagera également plusieurs autres modes de réalisation et d'autres encore apparaîtront aisément à l'homme de l'art. Dans un but de clarté, les éléments de la structure ne sont pas dessinés à l'échelle. La structure comprend un transistor MESSES à canal n, désigné de façon générale par la référence 1, et un transistor HODFET à canal p, désigné de façon générale par la référence 3, et tous deux sont formés sur un substrat commun 5. Le NESFET à canal n comprend une couche à conductivité intrinsèque 7, une couche de type p 9 et une couche de type n 11. La couche 9 est placée entre les couches 7 et 11. On utilise le terme "conductivité intrinsèque" pour qualifier une couche qui est nominalement non dopée. Le MODFET a canal p comprend une couche à conductivité intrinsèque 13 et une couche de type p 15. Les couches à conductivité in trinsèque sont les plus proches du substrat. te MESFET comme le HODFET comprennent en outre des électrodes de source, de grille et de drain, portant les références 21, 23 et 25 sur la couche 11, et les références 31, 33 et 35 sur la couche 15, respectivement pour le MS l et le MODFET. Au moins une électrode du MESSE'D est connectée à au moins une électrode du MODFET. De façon caractéristique, les électrodes de drain sont connectées ensemble. Un gaz de trous bidimensionnel, désigné par la ligne en pointillés 101, se forme dans la couche i (intrinsèque) à l'hétérojonction qui est formée par les couches de type p et de type i. Il faut noter qu'une partie de la couche i a été enlevée de façon que le gaz de trous qui se forme ne soit pas commun aux deux transistors. Les valeurs suivantes constituent des exemples des épaisseurs de couche et des concentrations de dopage couches 7 et 13 : 1 ym et non dopées ; couches 9 et 15 45 nm et 2 x 1018 cm#3 ; couche Il : 300 nm et 1 x 10 7 cm~3. Dans ce mode de réalisation, et dans d'autres, les couches sont constituées par des semiconducteurs composés du Groupe III-V. On notera qu'on peut également utiliser des semiconducteurs du Groupe IV et du Groupe Il-Vi. Dans un exemple de réalisation, les couches à conductivité intrinsèque consistent en GaAs, les couches de type p consistent en AlGaAs et les couches de type n consistent en GaAs. te substrat est constitué par un substrat en GaAs dopé au chrome, ou par un substrat en GaAs non dopé produit par la technique "Czochralski sous encapsulant liquide" (LEC) et est semi-isolant. Les couches et le substrat ont des réseaux cristallins qui sont mutuellement adaptés ou approximativement adaptés.Comme il est bien connu, la bande interdite de la couche de type p doit être supérieure à la bande interdite de la couche de type i de façon qu'un gaz de trous bidimensionnel se forme dans la couche de type i. De plus, les concentrations de dopage et les épaisseurs des couches de type p et de type n sont avantageusement telles que la couche de type p soit en état de déplétion complète à l'équilibre thermique dans le NESFET à canal n. L'homme de l'art pourra aisément sélectionner de telles concentrations et de telles épaisseurs. Les électrodes de source et de drain sont classiques et on peut utiliser des contacts bien connus tels que AuGe et AuBe pour former les contacts avec les régions respectives de type n et de type p. On forme les électrodes de grille au moyen de métallisations bien connues telles que Ti/Au.Bien que la description faite ici mentionne explicitement une couche de type i, il faut noter que dans certains modes de réalisation, cette couche peut ne pas être formée par une opération de croissance séparée, mais faire partie du substrat. On notera que la couche de type p dans le MESSES fait fonction de couche de barrière assurant le confinement des électrons qui se déplacent dans le canal de type n, tout en faisant fonction également de couche de type p pour le MODFET. Si les concentrations de dopage pour les couches de type n et de type p, ainsi que leurs épaisseurs, sont correctement sélectionnées, ce qui est à la portée de l'hom- me de l'art, la jonction p-n produit une déplétion de la couche p, ainsi que du gaz de trous qui est formé à 1 'hété- rojonction entre les couches de type p et de type i dans le NESEET. Cette situation survient du fait de la différence de barrière de potentiel qui apparaît sur les jonctions n/p et vide/p.La déplétion du gaz de trous bidimensionnel dans le NESFET est souhaitable du fait que ces porteurs sont susceptibles de conduire à une capacité accrue du dispositif qui ralentira le dispositif sans empêcher cependant son fonctionnement. On envisage également des modes de réalisation dans lesquels les couches de conductivité de type p sont placées au-dessus des couches de conductivité de type n. Dans ce cas, la couche de conductivité de type i est intercalée entre les couches de type p et de type n, et le gaz de trous qui se forme ainsi à l'interface p-i constitue le canal p du MODEET à canal p. Il faut également noter qu'il n'est pas nécessaire que le HESFET ait une jonction p-n, c'est-à-dire que le MESFET peut être un simple dispositif à canal n. La fabrication du dispositif fait appel à des techniques bien connues de l'homme de l'art. On fait croître les couches épitaxiales sur le substrat semi-isolant par des techniques de croissance cristalline classiques et bien connues, comme l'épitaxie par jets moléculaires. Celles ci apparaît être la technique de croissance préférée, tout au moins à l'heure actuelle, du fait qu'elle procure une maitrise précise des compositions, des concentrations de dopage et des épaisseurs des couches. Après croissance des couches épitaxiales, on enlève la couche de type n par des techniques d'attaque bien connues. L'utilisation d'une attaque chimique sélective, comme par un système peroxyde d'hydrogène-hydroxyde d ammonium ou d'une technique d'attaque sélective par voie sèche apparaît être préférable du fait que ces techniques permettent de définir avec précision les couches désirées.Ensuite, on définit et on isole les régions des dispositifs actifs, par des techniques classiques telles que l'attaque chimique pour former des mésas, ou l'implantation ionique pour former des régions isolantes Oh forme ensuite les électrodes désirées par des techniques de métallisation classiques. Des séquences de fabrication appropriées pour d'autres modes de réalisation apparaitront aisément à l'homme de l'art. On utilise. avantageusement. la séquence décrite du fait qu'elle ne nécessite aucune étape de recroissance. On peut former des portes logiques utiles en connectant de façon appropriée des électrodes sur les deux transistors à effet de champ. A titre d'exemple, si on connecte électriquement les contacts de drain des deux transistors à effet de champ, on obtient un inverseur CIMES (métal-semiconducteur complémentaire) qui est représenté schématiquement sur la figure 2. On peut connecter électriquement les contacts de drain par une métallisation de drain qui est commune aux deux transistors à effet de champ représentés sur la figure 1. Les électrodes de grille sont également connectées électriquement ensemble. On envisage également des modifications supplémentaires du mode de réalisation représenté sur la figure 1. La figure 3 montre une telle modification. Les références numériques identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments identiques. Dans ce cas, la couche de type p est commune aux deux transistors à effet de champ, c'est-à-dire que l'attaque n'enlève pas une partie de la couche de type p 9 pour isoler physiquement les deux transistors à effet de champ, et des électrodes viennent en contact avec les couches de type n et p, respectivement pour le MESSES et NODFET. Le dispositif résultant est représenté schématiquement sur la figure 4 et ces deux électrodes de drain sont séparées par une diode. La diode peut remplir plusieurs fonctions utiles. Elle peut par exemple fonctionner en photodétecteur. On pourrait également l'utiliser en tant que diode de décalage de niveau ou de référence de tension. L'homme de l'art pourra imaginer aisément d'autres modifications. On peut par exemple intercaler une couche de GaAs de type p+ entre les couches 9 et Il du MESFET sur la figure 1. Ceci conduit à l'obtention du confinement des électrons dans le canal au moyen d'une homojonction, au lieu de l'hétérojonction de la figure 1. Il existe encore d'autres modifications possibles. L'une d'elles est représentée sur la figure 1 et utilise des transistors MODFET pour le dispositif à canal n aussi bien que pour le dispositif à canal p. On voit sur la figure un MODBET à canal p, 300, et des MODFED à canal n, 310 et 320. En pratique, un seul des MODFED à canal n sera normalement présent. Cependant, la description de cette structure facilitera l'explication de divers modes de réalisation possibles.La structure comprend un substrat 400, une première couche épitaxiale 402 ayant une conductivité intrinsèque, une seconde couche épitaxiale 404 ayant une conductivité de type n, une troisième couche épitaxiale 406 ayant llne conductivité intrinsèque et une quatrième~ couche rpitaxiale 408 ayant une conductivité de type. p. Les couches de type n et de type p ont des bandes interdites plus larges que les bandes interdites de la couche à conductivité intrinsèque adjacente.Des électrodes de source de grille et de drain 421, 423, et 425 ; 451, 453 et 455 ; et 451, 453 et 435 sont respectivement formées srir les couches supérieures des transistors 300, 310 et 520. Un gaz bidimensionnel indiqué par la ligne en pointil lés 410 se forme ô l'interface entre les couches 406 et 408 du NODFET à canal p, 300.Un gaz d'électrons bidimensionnel indiqué par la ligne en pointillés 412 se forme à l'interface des couches 404 et 406 du MODFET la canal n 310. Un gaz d'électrons bidimensionnel indiqué par la ligne en pointillés 414 se forme à l'interface entre les couches 402 et 404 du MODFET à canal n, 320. Ici encore, au moins une électrode du transistor ô canai p est connectée à au moins une électrode du transistor q canal n. Il faut noter que dans le transistor 310, la couche de type n est la plus proche du substrat, tandis que dans le transistor 320, la couche intrinsèque est la plus proche dii substrat.Il n'est pas obligatoire que toutes les couches soient présentes dans tous les modes de réalisation. Par exemple, si on doit former les transistors 300 et 310, on peut supprimer la couche 402. Dans un but de clarté, on n'a pas représenté l'étendue complète des deux gaz bidimensionnels 412 et 414. t'homme de l'art pourra aisément imaginer d'au tiers modes de réalisation utilisant à la fois des HODFET à canal n et àcanal p. A titre d'exemple, on notera aisément qu'un choix approprié des bandes interdites pour les couches de la figure 5 permet de former un MESFET à canal n. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Structure logique complémentaire comprenant un substrat, un transistor à effet de champ à canal n formé sur ce substrat, et des électrodes de source, de grille et de drain connectées au transistor à canal n, caractérisée en ce qu'elle comprend également un transistor HODFET à canal p formé sur le substrat, et des électrodes de source, de grille et de drain connectées à ce transistor à canal p, avec l'une au moins des électrodes du transistor à canal n connectée à l'une au moins des électrodes du transistor à canal p. 2. Structure complémentaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le transistor à canal n consiste en un NESFET qui comprend, successivement, à partir du substrat : (a) une première couche ayant une conductivité intrinsèque, une seconde couche ayant une con ductivité de type p et une troisième couche ayant une conductivité de type n, ou (b) une première couche ayant une conductivité de type p, une seconde couche ayant une conductivité intrinsèque et une troisième couche ayant une conductivité de type n. 3. Structure complémentaire selon l'une quelcon que des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le MODFET à canal p comprend une couche ayant une conductivité intrinsèque et une première bande interdite, et une autre couche adjacente à la couche à conductivité intrinsèque et ayant une conductivité de type p et une seconde bande interdite, la première bande interdite étant inférieure à la seconde bande interdite. 4. Structure complémentaire selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une partie de la couche à conductivité intrinsèque comporte une région en retrait, grâce à quoi le transistor à canal n et le NODFET à canal p sont mutuellement espacés. 5. Structure complémentaire selon la revendica tion 4, caractérisée en ce que la seconde couche du NESFET est en état de déplétion à l'équilibre thermique. 6. Structure complémentaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les électrodes de drain sont connectées électriquement ensemble. 7. Structure complémentaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que le transistor à canal n consiste en un HODFET qui comprend une première couche ayant une conductivité intrinsèque et une première bande interdite, et une seconde couche formée au-dessus et ayant une conductivité de type n et une seconde bande interdite, la première bande interdite étant inférieure à la seconde bande interdite. 8. Structure complémentaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que la première couche est la plus proche du substrat, ou bien la seconde couche est la plus proche du substrat. 9. Structure complémentaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que le MODFE? à canal n comprend une troisième couche ayant une conductivité intrinsèque et une quatrième couche ayant une conductivité de type p. 10. Structure complémentaire selon la revendication 9, caractérisée en ce que la troisième couche est adjacente à la seconde couche, ou bien la quatrième couche est adjacente à la première couche. 11. Structure -complémentaire selon-la revendication 3, caractérisée en ce que le MODES? à canal p comprend en outre une couche de type n et cette couche de type n est la plus -proche du substrat. 12. Structure complémentaire selon la revendication 11, caractérisée en ce que le substrat et les,couches sont constitués par des semiconducteurs sélectionnés parmi les semiconducteurs du Groupe IV, du Groupe Il-Vi et du Groupe III-V, 13. Structure complémentaire selon la revendication 12, caractérisée en ce que le semiconducteur composé du Groupe III-V consiste en AlxGaî#xAs, x étant supérieur ou égal à 0,0 et inférieur ou égal à 1,0.