Brevet FR2582151A1 — publié le 19861121

La présente invention concerne un dispositif à semiconduc- teur et, plus particulièrement, un dispositif à semiconducteur mis en fonctionnement dans un mode de fonctionnement de transistor bi- polaire. Un transistor bipolaire latéral à GaAs classique est décrit, par exemple, dans la publication faite dans Proceedings of the 45th Meeting on Japan Society of Applied Physics, Lecture N 15a-H-9(1984). Dans ce transistor bipolaire latéral à GaAs, une région d'émetteur 2 de type n et une région de collecteur 3 de type n sont ensevelies dans un substrat 1 de GaAs semi-isolant à une distance prédéterminée comme le montre la Figure 1 des dessins annexés. Une région 4 de type p (injecteur de trous) est formée dans le substrat 1 de GaAs entre la région d'émetteur 2 et la région de collecteur 3. Un film de Si3N4 servant de film de passivation est formé sur le substrat 1 de GaAs. Une électrode d'émetteur 6, une électrode de base 7, et une électrode de collecteur 8 sont formées respectivement dans des trous 5a à 5c du film 5 de Si3N4. Dans le transistor bipolaire latéral à GaAs représenté sur la Figure 1, quand on applique une tension de polarisation directe entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, une région de base virtuelle 9 est formée par l'injection de trous (porteurs majoritaires) de la région 4 de type p dans le substrat 1 de GaAs. La région de base virtuelle 9 accélère l'injection d'électrons de la région d'émetteur 2 dans le substrat 1 de GaAs. Ainsi, le fonc- tionnement du transistor bipolaire est validé, de sorte que les élec- trons injectés atteignent la région de collecteur 3 à travers la région de base virtuelle 9, comme on l'a indiqué par une flèche A. Le transistor bipolaire latéral à GaAs classique représenté sur la Figure 1 a les inconvénients suivants. Premièrement, il est difficile d'augmenter suffisamment le gain en courant continu hFE à cause d'un grand courant de recombinaison dû à la recombinaison se produisant o sont présents les défauts sur une surface la du substrat 1 de GaAs entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p. Deuxièmement, puisqu'on adopte une structure latérale, la distance entre la région de base virtuelle 9 et la région de 82151 collecteur 3 est grande. Pour cette raison, puisque la vitesse de recombinaison des électrons dans une masse (le substrat 1 de GaAs) est élevée, le courant de recombinaison passe également dans la mas- se. Troisièmement, les caractéristiques du transistor varient lar- gement en raison des variations de distance entre la région d'émet- teur 2 et la région 4 de type p. Quatrièmement, si on utilise un substrat i de GaAs différent, puisque l'influence du piégeage dif- fère, les caractéristiques du transistor peuvent varier largement selon le substrat de GaAs utilisé. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif à semiconducteur qui soit exempt des inconvénients mentionnés ci- dessus de l'art antérieur. Un dispositif à semiconducteur selon la présente invention comprend: une première couche semiconductrice de faible concentra- tion en impuretés formée sur un substrat semiconducteur; une secon- de couche semiconductrice d'un premier type de conductivité formée sur la première couche semiconductrice et formant une hétérojonction avec celleci; une région d'émetteur et une région de collecteur formées dans les première et seconde couches semiconductrices; et une région semiconductrice d'un second type de conductivité formée au moins dans la seconde couche semiconductrice, entre la région d'émetteur et la région de collecteur, dans lequel des couches bi- dimensionnelles de gaz d'électrons, induites dans une partie de la première couche semiconductrice voisine de l'hétérojonction et entre la région d'émetteur et la région semiconductrice et entre la région de collecteur et la région semiconductrice, sont utilisées comme des chemins de courant, et dans lequel une région de base virtuelle est formée dans la première couche semiconductrice au-dessous de la ré- gion semiconductrice par l'injection de porteurs majoritaires de la région semiconductrice dans la première couche semiconductrice en polarisant en direct la région d'émetteur et la région semicon- ductrice, ce qui permet un fonctionnement de transistor bipolaire. Avec la structure ci-dessus, les couches bidimensionnelles de gaz d'électrons sont présentes dans des parties de la première couche semiconductrice voisines de l'hétérojonction, et elles ser- vent de chemins de courant entre l'émetteur et la base et entre la 82151 base et le collecteur. Avec cette structure, on peut obtenir un dispositif à semiconducteur rapide, et on peut régler le gain en courant pour qu'il soit supérieur à celui d'un dispositif classique car il ne se produit presque pas de courant de recombinaison à la surface de la seconde couche semiconductrice ou dans le substrat semiconducteur. De plus, les caractéristiques du dispositif à semi- conducteur ne changent pas en raison de variations de distance entre l'émetteur et la base. En outre, on peut faire en sorte que la ré- sistance parasite entre l'émetteur et la base et entre la base et le collecteur soit réglée pour qu'elle soit très faible en comparai- son du dispositif classique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven- tion seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue en coupe d'un transistor bipolaire latéral à GaAs classique; et les Figures 2A à 2F sont des vues en coupe représentant en séquence un procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteur selon un exemple de réalisation de la présente invention. On va décrire un dispositif à semiconducteur selon un exem- ple de réalisation de la présente invention en se référant aux des- sins annexés. On va maintenant décrire un procédé de fabrication du dispo- sitif à semiconducteur selon cet exemple de réalisation. Comme le montre la Figure 2A, une couche 11 de AlxGal xAs (x = 0,3) non dopé, une cduche 12 de GaAs non dopé, et une couche 13 de AlxGal xAs (x = 0,3) de type n, dans laquelle on fait un do- page avec une quantité prédéterminée d'impuretés de type n, sont formées séquentiellement par croissance épitaxiale sur un substrat 1 de GaAs semi-isolant, par exemple, par épitaxie par jets molécu- laires (MBE) ou par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (MOCVD). On dépose ensuite un film 14 de Si3N4 sur la couche 13 de AlxGal xAs (x =0,3) de type n, par exemple, par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), comme le montre la Figure 2B. 82151 Ensuite, on forme un trou 14a dans le film 14 de Si3N4 et on dif- fuse ensuite thermiquement des impuretés de type p (par exemple,Zn) dans le trou 14a, en formant une région 4 de type p qui atteint la couche 12 de GaAs. Après avoir retiré le film 14 de Si3N4, on dépose un autre film 15 de Si3N4 sur la couche 13 de AlxGal xAS de type n, comme le montre la Figure 2C. On forme ensuite une couche photorésistante 16 d'un dessin prédéterminé sur le film 15 de Si3N4. Le film 15 de Si3N4 est attaqué sélectivement en utilisant la couche photorésistante 16 comme masque de manière à former des trous 15a et 15b, comme le montre la Figure 2D. Ensuite, on dépose Au-Ge/Ni sur toute la surface de la structure sous la forme d'un film 17 de Au-Ge/Ni, en formant ainsi une électrode d'émetteur 6 et une électrode de collecteur 8 de Au-Ge/Ni. Le film 17 de Au-Ge/Ni formé sur la couche photorésistante 16 est retiré avec celle-ci par un procédé de décollage. La structure résultante est soumise à un traitement thermi- que (alliage) prédéterminé, de sorte que le film de Au-Ge/Ni consti- tuant l'électrode d'émetteur 6 et l'électrode de collecteur 8, est formé en alliage avec la couche 13 de AlxCal xAs de type-n et la couche 12 de GaAs, ce qui permet de former une région d'émetteur 2 et une région de collecteur 3, qui sont constituées des couches d'alliages, comme le montre la Figure 2E. Comme le montre la Figure 2F, après avoir formé un trou 15c dans le film 15 de Si3N4, on dépose une électrode de base 7 de Ti/ Pt/Au sur la région 4 de type p dans le trou 15c de la même manière que pour l'électrode d'émetteur 6 et l'électrode de collecteur 8, ce qui termine le dispositif à semiconducteur de cet exemple de réalisation. Dans le dispositif à semiconducteur de la Figure 2F selon cet exemple de réalisation, des couches bidimensionnelles de gaz d'électrons 19a et 19b sont induites entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p et entre la région de collecteur 3 et la région 4 de type p de la couche 12 de GaAs voisine d'une hétérojonc- tion 18 située entre la couche 12 de GaAs et la couche 13 de AlxGal xAs de type n. Les couches bidimensionnelles de gaz d'élec- 82151 trons 19a et 19b servent de chemins de courant entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, et entre la région 4 de type p et la région de collecteur 3. Plus spécifiquement, quand on applique une tension de polarisation di- recte entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, c'est- àdire, entre la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons l9a et la région 4 de type p, des trous sont injectés de la région 4 de type p dans la couche 12 de GaAs, et une région de base virtuelle 9 est ainsi formée dans la couche 12 de GaAs au-dessous de la région 4 de type p. Les électrons envoyés de la région d'émetteur 2 dans la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19a migrent jusqu'à la région 4 de type p à travers la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19a, et ils migrent ensuite jusqu'à la couche bidimen- sionnelle de gaz d'électrons 19b à travers la région de base vir- tuelle 9. On applique d'une manière continue une tension de polari- sation inverse entre la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19b et la région de collecteur 3 et les électrons ayant migré dans la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19b atteignent ensuite la région de collecteur 3 à travers la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19b, ce qui permet un fonctionnement de transistor bipolaire. Selon l'exemple de réalisation mentionné plus haut, on forme séquentiellement la couche 12 de GaAs et la couche 13 de A lxGa lxAs de type n sur la couche 11 de AlxGal xAs, et on forme la région 4 de type p, la région d'émetteur 2, et la région de collecteur 3 dans la couche 13 de AlxGal xAs de type n et la couche 12 de GaAs, ce qui donne les avantages suivants. Puisque les couches bidimensionnel- les de gaz d'électrons 19a et 19b sont présentes dans la couche 12 de GaAs, voisine de l'hétérojonction 18, entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, et entre la région 4 de type p et la région de collecteur 3, ces couches 19a et 19b servent de chemins de courant entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, et entre la région de collecteur 3 et la région 4 de type p. Puisque la mobilité électronique dans les couches bidimensionnelles de gaz d'électrons 19a et 19b est extrêmement élevée, on peut obte- nir un dispositif à semiconducteur mis en fonctionnement dans un 82151 mode de fonctionnement de transistor bipolaire avec une vitesse de fonctionnement supérieure à celle du dispositif classique. En outre, puisqu'une région de mobilité électronique est limitée à la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19a située entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p, les électrons envoyés de la région d'émetteur 2 n'ont pas la possibilité de se recombiner sur une surface 13a de la couche 13 de AlxGal xAs de type n, ce qui améliore le gain hFE en comparaison du dispositif classique. Comme on l'a décrit plus haut, puisque la région de mobili- té électronique est limitée à la couche bidimensionnelle de gaz d'électrons 19a, si la distance entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p varie, les caractéristiques du transistor ne changent pas. De plus, puisque la barrière de potentielAEc/q=0,3 V (&Ec: différence entre les limites de bande de conduction E de la c C couche 13 de AlxGai xAs de type n et la couche 12 de GaAs à l'hété- rojonction 18) est présente à l'hétérojonction 18, les électrons provenant de la région d'émetteur 2 n'ont pas la possibilité de mi- grer dans le substrat 1 de GaAs. Par conséquent, on peut réduire le courant de recombinaison dans la masse à pratiquement 0. En outre, puisqu'on empêche la migration des électrons dans le substrat 1 de GaAs comme on l'a décrit plus haut, si la distance entre la région de base virtuelle 9 et la région de collecteur 3 est grande, le courant de recombinaison ne passe pas dans la masse, et les carac- téristiques du dispositif à semiconducteur ne sont pas influencées par l'utilisation de substrats 1 de GaAs différents. En outre, puisque les couches bidimensionnelles de gaz d'électrons 19a et 19b sont présentes entre la région d'émetteur 2 et la région 4 de type p et entre la région 4 de type p et la région de collecteur 3, la résistance parasite est très faible en comparai- son du dispositif classique. On a décrit ci-dessus l'exemple de réalisation de la présen- te invention. Cependant, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus, et différents changements et modifications peuvent être faits dans l'esprit et le cadre de l'in- vention. Par exemple, le rapport de composition de la couche 11 de AlxGal xAs et de la couche 13 de AlxGal xAs de type n, x, est égal 82151 à 0,3. Cependant, ce rapport n'est pas limité à la valeur 0,3, mais il peut avoir une valeur autre que 0,3. En outre, on peut utiliser un substrat de InP, une couche de GaInAs, et une couche de AlxInl xAs respectivement à la place du substrat 1 de GaAs, de la couche 2 de GaAs et de la couche 13 de AlxGa xAs de type n, comme il faut. Dans l'exemple de réalisation ci-dessus, la couche 2 de GaAs et la couche il de AlxGal xAs ne sont pas dopées avec des im- puretés. Cependant, elles peuvent avoir une faible concentration en impuretés, comme il faut. On peut omettre la couche ll de AlxGal xAs lO si on le souhaite. Dans l'exemple de réalisation ci-dessus, on for- me la région 4 de type p par un procédé de diffusion thermique, mais on peut la former par un procédé d'implantation ionique. 82151 REVENDICATIONS 1. Dispositif à semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend: une première couche semiconductrice (12) de faible con- centration en impuretés formée sur un substrat semiconducteur (1); une seconde couche semiconductrice (13) d'un premier type de conduc- tivité formée sur la première couche semiconductrice (12) et cons- tituant une hétérojonction (18) avec celle-ci; une région d'émet- teur (2) et une région de collecteur (3) formées dans les première et seconde couches semiconductrices (12,13); et une région semicon- ductrice (4) d'un second type de conductivité formée dans au moins la seconde couche semiconductrice (13) entre la région d'émetteur (2) et la région de collecteur (3), dans lequel des couches bidimen- sionnelles de gaz d'électrons (19a, 19b), induites dans les parties de la première couche semiconductrice (12) voisines de l'hétérojonc- tion (18) et entre la région d'émetteur (2) et la région semiconduc- trice (4) et entre la région de collecteur (3) et la région semicon- ductrice (4), sont utilisées comme chemins de courant, et dans le- quel une région de base virtuelle (9) est formée dans la première couche semiconductrice (12) au-dessous de la région semiconductrice (4) par l'injection de porteurs majoritaires de la région semicon- ductrice (4) dans la première couche semiconductrice (12) en pola- risant en directe la région d'émetteur (2) et la région semiconduc- trice (4), ce qui permet un fonctionnement de transistor bipolaire. 2. Dispositif à semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche semiconductrice (12) est une couche de GaAs non dopé et en ce que la seconde couche semicon- ductrice (13) est une couche de AlxGal xAs de type n. 3. Dispositif à semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de composition x de la couche de AlxGal xAs de type n est égal à 0,3. 4. Dispositif à semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la région d'émetteur(2) et la région de collecteur (3) sont constituées de couches d'al- liages. 5. Dispositif à semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'une couche ll de AlxGal xAs est prévue entre le substrat semiconducteur (1) et la couche de GaAs. 6. Dispositif à semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat semiconduc- teur (1) est un substrat de GaAs.