Brevet FR2604573A1 — publié le 19880401

La présente invention concerne les dispositifs électroniques et en particulier des dispositifs élec- troniques mettant en oeuvre l'effet Gunn pour la produc- tion d'oscillations électroniques cohérentes. On connaît déjà des dispositifs de ce type depuis un certain nombre d'années, et ils comprennent habituellement une certaine quantité d'un matériau à effet Gunn, par exemple un matériau tel que GàAs ayant deux bandes de conduction de courbures différentes, ainsi qu'un dispositif d'injection d'électrons dans ce maté- riau. L'application d'un champ électrique d'amplitude suffisante à cette quantité de matériau permet l'excita- tion des électrons injectés dans ce matériau de la bande inférieure de conduction à la bande supérieure. Comme les électrons de la bande supérieure de conduction ont une masse efficace supérieure à celle des électrons de la bande inférieure, ils ont une mobilité inférieure à celle des électrons de la bande inférieure. Ainsi, lorsque ces électrons de plus faible mobilité se dépla- cent dans ladite quantité du matériau, suivant le gradient du champ électrique, ils forment des paquets parmi les électrons de plus grande mobilité, ces paquets étant connus sous le nom de "domaines". Comme un domaine seulement se forme dans ladite quantité à un moment quelconque, le signal de sortie du dispositif comprend une série d'impulsions de courant dont la fréquence dépend de la longueur de la quantité du matériau dans laquelle les domaines se déplacent, c'est-à-dire de la région de transit du dispositif.. Un tel dispositif présente cependant un incon- vénient car la détermination de la longueur exacte de la région de transit est difficile étant donné que le réglage de la région dans laquelle l'excitation des électrons de la bande inférieure à la bande supé- rieure de conduction est réalisée est difficile, cette imprécision créant du bruit dans le signal de sortie du dispositif. En outre, l'"espace mort" formé dans la quantité du matériau à effet Gunn dans laquelle l'énergie des électrons ne suffit pas pour qu'ils puissent être excités dans la bande supérieure de conduction, provoque l'apparition d'une résistance parasite dans le disposi- tif. On a déjà essayé de résoudre ces problèmes par utilisation d'un matériau, pour la formation de la région d'injection de charges, qui possède, par rapport au matériau à effet Gunn, un décalage de l'intervalle entre bandes qui est suffisamment grand pour que les électrons injectés dans ladite quantité du matériau à effet Gunn aient presque tous l'énergie nécessaire à leur excitation dans la bande supérieure de conduction, à l'interface du matériau d'injection et du matériau à effet Gunn. Un tel dispositif pose cependant un problème car il existe une région appauvrie ou de "déplétion" relativement large dans la quantité du matériau à effet Gunn près de la région d'injection. La présente invention a pour objet la réalisa- tion d'un oscillateur électronique mettant en oeuvre l'effet Gunn et dans leque.l les difficultés précédentes sont au moins réduites. Selon l'invention, un dispositif électronique comporte une région d'injection de charges ainsi qu'une première et une seconde région d'un matériau à effet Gunn, la région d'injection de charges, pendant le fonctionnement du dispositif, étant capable d'injecter une charge avec une énergie prédéterminée qui est inférieure à la différence d'énergies entre les minima des bords de la paire de bandes d'énergie donnant l'effet Gunn dans le matériau à effet Gunn dans la première région, la première région ayant une épaisseur qui ne dépasse pas le libreparcours mtyen des électrons dans la première région, et étant dopée d'une manière telle que, lors de l'utilisation du dispositif, la somme de l'énergie de déplétion dans la première région et de l'énergie prédéterminée est de l'ordre de ladite différence d'énergies, la seconde région étant dopée de manière moins importante que la première région afin que le champ électrique aux bornes de la seconde région soit suffisant pour que les domaines se forment et se propagent. Le libre parcours moyen des électrons dans la première région est essentiellement celui qui est dû à la dispersion de la bande inférieure à la bande supérieure de conduction du matériau, et il est par o exemple de l'ordre de 200 A ou 20 nm. La région d'injection de charges comprend avantageusement un injecteur à espace progressif entre bandes, la composition de la région d'injection de charges étant la même que celle de la première et de la seconde région, à son bord distant de la première et de la seconde région, et variant vers la première région afin que l'espacé direct entre bandes augmente linéairement avec la distance au bord distant de la première et de la seconde région, et de manière qu'elle forme une hétérojonction avec la première région. D'autres structures peuvent être utilisées pour la région d'injection de charges. La caractéristique commune à ces structures est que, sous l'action d'une polarisation externe, elles accélèrent les électrons sur une faible distance (inférieure au libre parcours moyen de dispersion dans la bande inférieure de conduc- o tion, par exemple 1000 A ou 100 nm) à une énergie spécifiée h qui est déterminée par des considérations indiquées dans la suite du présent mémoire. Dans une variante à l'injecteur ayant un espace variant progressivement entre bandes de conduc- tion, une barrière plane dopée peut être utilisée pour la formation de la région d'injection de charges. Une telle structure comprend une région sélectivement dopée, formée d'un matériau semi-conducteur qui peut être le même que celui qui est utilisé pour la formation de la région à effet Gunn. Le type et l'importance du dopage, dans une telle structure, sont choisis de manière que, en présence d'une polarisation, un champ électrique convenable soit créé et provoque l'accélération des électrons en fonction des critères décrits précédemment. Un tel matériau à effet Gunn est avantageusement GaAs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: les figures la et lb représentent respectivement une élévation latérale schématique d'un dispositif selon l'invention et les niveaux d'énergie des électrons dans les diverses régions du dispositif; et la figure 2 est un graphique représentant la variation entre le courant continu, porté en ordonnées, et la tension dans le sens direct, portée en abscisses, dans la région d'injection du dispositif de la figure la. On se réfère d'abord aux figures la et lb; le dispositif comporte une couche 1 de AlxGa xAs, x étant égal à 0 à un premier bord de la couche et variant linéairement sur la largeur de la couche jusqu'à une valeur maximale de 0,3 de l'autre côté de la couche, cette couche ayant une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres. L'espace direct compris entre les bandes de conduction de Al1 Ga As varie linéairement avec x. Près de la couche 1, au bord auquel x est égal à 0,3, une mince couche 3 de GaAs d'environ 10 nm d'épaisseur est disposée, cette couche étant dopée par Si en quantité 18 -3 atteignant 108 cm 3 Du côté de la couche 3 qui est distant de la couche 1, une couche supplémentaire GaAs d'environ 1 pm d'épaisseur est disposée, cette couche étant faiblement dopée par Si, à une concentration de 2.1016 cm3. Aux bords libres des couches 1, 5, des couches respectives de recouvrement de GaAs 7, 9 sont toutes deux très dopées par Si, à une valeur égale à 18 -3 5.108 cm 3. Des couches métalliques respectives 11, 13 de contact sont disposées sur les couches 7, 9 de recouvrement. Lors de l'utilisation du dispositif avec application d'une polarisation électrique convenable aux bornes du dispositif à l'aide des couches de contact 11, 13, la couche 1 constitue un injecteur d'électrons qui injecte des électrons dans la couche 3 de GaAs avec une énergie h qui est supérieure à l'énergie de la bande inférieure de conduction de la couche 3. L'espace h entre les bandes d'énergie est choisi afin qu'il soit inférieur à la distance LE séparant les creux entre les deux bandes de conduction, dans chacune des couches 3 et 5 de GaAs, la concentration de dopage de la couche 3 étant réglée de manière que la somme de la tension de déplétion dans la couche 3, près de l'hétérojonction formée à l'interface des couches 1 et 3, et de l'énergie h soit de l'ordre de LE. Ainsi, la région de transfert des électrons entre les creux, de la bande inférieure à la bande supérieure de conduction, dans les régions de GaAs formées dans le dispositif, est inférieure au libre parcours moyen de l'interface des régions 3 et 5, ce parcours étant d'environ 20 nm, la couche 5 ayant la forme d'une région de transit dans laquelle les domaines de mobilité inférieure se déplacent, la longueur de la couche 5 déterminant ainsi la fréquence des impulsions de courant formant le signal de sortie du dispositif. La figure 2 représente la caractéristique courant continu-tension de la région 1 d'injection du dispositif décrit, une région de résistance différentielle négative apparaissant pour.les tensions de polarisation supé- rieures à 5 V, cette résistance différentielle négative, en coopération avec les régions supplémentaires du matériau à effet Gunn, donnant le signal oscillatoire nécessaire de sortie du dispositif tel que décrit précédemment. Sur la figure 2, la caractéristique est obtenue avec des impulsions de 20 ps, ayant une fréquence de répétition de 20 millisecondes, pour une résistance de 77 kQ. Il faut noter que, bien qu'on ait indiqué des valeurs particulières pour les largeurs des couches et les concentrations de dopage, dans le dispositif décrit à titre illustratif, toutes ces valeurs peuvent varier. Cependant, l'épaisseur de la région 1 d'injec- tion est en générale supérieure à 5 nm afin que la barrière de potentiel constituée par la composition variant progressivement dans la couche 1 ne soit pas traversée par effet tunnel. Des effets d'électromigration et d'autres effets sur la durée de vie déterminent l'épaisseur que doit avoir la couche. L'épaisseur de la couche 3 doit être inférieure au libre parcours moyen de dispersion entre les creux des deux bandes de conduction dans GaAs, mais elle doit être supérieure à celle de la région de déplétion formée dans la couche 3, et provoquée par la région adjacente 1 d'injection, lorsqu'une polarisation est appliquée au dispositif pendant le fonctionnement. La concentration de dopage de la couche 3 est évidemment imposée par le fait que la somme de l'énergie acquise par les électrons injectés dans la région de déplétion et de la hauteur d'injection h doit être de l'ordre de LE. La concentration de dopage et la longueur de la région de transit constituée par la couche 5 sont choisies de manière que leur produit dépasse 1012 cm-2 la condition de formation des domaines, le champ électrique, dans la région de transit, devant être juste suffisant pour qu'il maintienne la population des électrons dans la bande supérieure de conduction. Il faut aussi noter que, bien que le système AlxGal xAs/GaAs décrit précédemment soit un système particulièrement commode car AlxGa _xAS peut être formé par croissance épitaxiale sur des couches de GaAs, l'invention s'applique 'aussi à des dispositifs mettant en oeuvre d'autres systèmes de matériaux, par exemple In Al As/In P, les matériaux étant dopés par Si aux concentrations nécessaires. Il faut noter que, bien que, dans le dispositif décrit précédemment, le transfert des charges s'effectue par l'intermédiaire des électrons, l'invention s'applique aussi à des dispositifs dans lesquels le transfert des charges s'effectue par des trous. Les régions convenables à l'intérieur du dispositif sont alors dopées convenablement par des impuretés de type p, l'espace nécessaire entre les bandes AE formées, dans le matériau à effet Gunn étant déterminé par les bandes À10 convenables de valence. REVENDICATIONS 1. Dispositif électronique, caractérisé en ce qu'il comprend une région (1) d'injection de charges, ainsi.qu'une première et une seconde région (3, 5) d'un matériau à effet Gunn, la région d'injection de charges, lors du fonctionnement, étant destinée à injecter une charge d'énergie prédéterminée inférieure à la différence d'énergie entre les minima des deux bords des bandes d'énergie donnant lieu à l'effet Gunn dans le matériau à effet Gunn de la première région, la première région (3) ayant une épaisseur qui n'est pas supérieure au libre parcours moyen des électrons dans la première région et étant dopée d'une manière telle que, pendant l'utilisation du dispositif, la somme de l'énergie de déplétion dans la première région et de l'énergie prédéterminée soit de l'ordre de ladite différence d'énergie, la seconde région (5) étant dopée de façon moins importante que la première région afin que le champ électrique dans la seconde région suffise pour la formation et la propagation des domaines. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'épaisseur est d'environ 10 nm. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la première région (3) est + formée d'un matériau de type n 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la région (1) d'injection de charges comporte un injecteur à espace variant progressivement entre les bandes de conduction, la composition de la région d'injection de charges étant la même que celle de la première et de la seconde région à son bord distant de la première et de la seconde région, et variant vers la première région afin que l'espace direct entrebandesde conduction augmente linéairement avec la distance au bord distant de la première et de la seconde région, et de manière qu'elle forme une hétérojonction avec la première région. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la région d'injection de charges est une barrière plane dopée. 6. Dispositif selon l'une. quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à effet Gunn est GaAs.