Brevet FR2600819A1 — publié le 19871231

252/Q PROCEDE DE DIFFUSION D'UN MATERIAU APPORTANT UNE CONDUCTIVITE DONNEE A UN SEMI-CONDUCTEUR COMPOSE III-V La présente invention concerne les semi-conducteurs. Plus particulièrement, elle a trait aux procédés d'introduction d'un matériau apportant un type de conductivité aux, matériaux semi-conducteurs composés III-V. Il a été difficile de diffuser des éléments donneurs, apportant une conductivité de S05 type N, dans les matériau>x semi-conducteurs composés III-V, particulièrement l'arséniure de gallium. Aux températures élevées nécessaires pour diffuser les éléments donneurs dans l'arséniure de galliurm, il y a une évaporation préférentielle de l'arsenic de l'arséniure de gallium provoquant une forte érosion des surfaces. Ainsi, il est d'usage d'introduire les éléments donneurs, en particulier le silicium, dans les matériaux semi-conducteurs composés III-V par des techniques d'i;,mplantation d'ions pour obtenir un matériau du type N. Les techniques d'implantation des ions provoquent des dégats cristallins et nécessitent une recuisson à haute température, soigneusement contrôlée pour ne pas provoquer de dégradation de la surface. La concentration maximale du matériau implanté sous forme d'ions se situe sous la surface. De ce profil de concentration des porteurs résultent des transistors métal semi-conducteur à effet de champ (MESFET) ayant une transconductance basse. Pour des dispositifs à transconductance élevée, il faut des revêtements de surface très superficiels fortement dopés de type N dans lesquels la concentration des porteurs présente un maximum à la surface et chutte très rapidement dans l'épaisseur du matériau. Pour obtenir un profil de diffusion de type N satisfaisant dans l'arséniure de gallium, on utilise une technique d'am'poule scellée. Une pastille d'arséniure de gallium est scellée sous vide dans une ampoule de quartz avec la source du donneur et de l'arsenic, et est chauffée dans un four à une température comprise entre 800 et 900 C. Après diffusion, on retire l'ampoule du four et on refroidit le côté source de l'ampoule pour 05 éviter le dépôt de vapeur sur la surface de la pastille pendant le refroidissement. Toutefois, ce procédé est très limité et ne convient pas pour une production en grande série de circuits intégrés à l'arséniure de gallium. On obtient des couches superficielles diffusées fortement dopées de type N sur des corps d'un matériau semi-conducteur composé III-V en mettant en oeuvre le procédé 1 0 selon la présente invention. Ce procédé consiste à placer un matériau semi-conducteur composé. III-V à proximité immédiate d'un élément donneur ayant comme premier constituant un élément du groupe III qui soit un composant du semi-conducteur composé III-V et comme deuxième constituant un élément donneur pour le semi-conducteur cormposé III-V. On chauffe l'ensemble pour vaporiser le deuxième constituant, le 15 semi-conducteur composé III-V et l'élément donneur étant en équilibre thermodynamique, de telle manière que le deuxième constituant diffuse dans le semi-conducteur composé III-V sans érosion. Selon un aspect plus spécifique de la présente invention, on place un corps d'arséniure de gallium à proximité immédiate d'une quantité desulfure de gallium. On chauffe 20 l'ensemble pour vaporiser le sulfure, l'arséniure de gallium et le sulfure de gallium étant en équilibre thermodynamique, de telle manière que le sulfure diffuse dans l'arséniure de gallium sans érosion. Sur la planche unique: La Figure 1 est une vue en coupe illustrant la disposition des éléments pendant le 25 procédé de diffusion selon la présente invention; La Figure 2 est une représentation graphique de la concentration et du profil de mobilité des pastilles d'arséniure de gallium diffusées avec le sulfure selon le procédé _3 _ 2 62600819 de la présente invention. On comprendra mieux la présente invention, ainsi que d'autres objets, avantages et possibilités de celle-ci en référence à la description suivante et aux revendications jointes en liaison avec les dessins décrits ci-dessus. La présente invention concerne l'introducticon de matériaux apportant une conductivité de type N, des éléments donneurs, dans les semi-conducteurs composés III-V par diffusion. Les semi-conducteurs composés III-V comprennent des matériaux tels que GaAs, InP, InAs, InGaAs, GaAlAs, et InGaAsP. Ces matériaux peuvent être combinés de façon à obtenir différents types de matériaux d'hétérojonction III-V. Les éléments 10 donneurs qui peuvent être introduits dans les semi-conducteurs composés III-V pour apporter une conductivité de type N comprennent le silicium, le tellurium, le sélénium et le sulfure. On prépare de la manière habituelle bien connue une pastille de semiconducteur composé III-V. La source du donneur qui doit être diffusé dans la pastille est une poudre d'un composé qui a un constituant du rmême groupe III que la pastille, et, comrme deuxième constituant, le donneur. On place la pastille à proximité immédiate, mais non au contact d'une quantité de donneur en poudre et on chauffe l'ensemble pour vaporiser le donneur, le semi-conducteur composé III-V et le donneur étafit en équilibre thermodynamique. Le donneur diffuse dans le semi-conducteur composé III-V, et, en 20 raison de la condition d'équilibre thermodynamique, il n'y a pas d'érosion de la surface de la pastille due à l'évaporation de l'arsenic. La Figure 1 illustre la disposition des différentes parties et matériau>x pour le traitement à chaud. On place la pastille 10 du semi-conducteur composé III-V dans un creuset en graphite 11. On place une quantité d'une source du donneur 12 dans un espace ménagé dans la partie inférieure du creuset en graphite 11, de manière à être à proximité immédiate de, mais non en contact avec la pastille 10. On place un couvercle en graphite 14 sur le creuset en graphite et on dispose l'ensemble dans un four à --4 -quartz conventionnel 15 en forme de tube ouvert. On chauffe l'ensemble dans le four 15 sous un flux de gaz inerte. Pendant le chauffage, le donneur se vaporise à partir du matériau de la source du donneur 12, tandis que les conditions d'équilibre thermodynamique s'établissent entre le semi-conducteur composé III-V de la pastille et 05 le donneur 12. On place une pastille 10 de GaAs seTrmi-iscolant, monocristallin près de, mais pas en contact avec une quantité d'une source de donneur 12 dans un creuset en graphite 11. L'écart entre l'élément donneur 12 et la pastille 10 est approximativement de 1 mm. Le donneur 12 est un mélange de poudres de CGa2sI (sulfure de gallium) et de GaAs. On 10 dispose le creuset en graphite 1 1 dans un four en forme de tube ouvert 15 sous un flux continu d'azote très pur. On chauffe l'ensemble à une température comprise entre 750 et 900' C pendant une durée comprise entre '15 et 30 an. On fait varier la température et la durée réelles de chauffage en fonction du profil particulier de diffusion du sulfure souhaité. On peut diffuser le donneur dans une pastille d'arséniure de gallium sur une surface entière de la pastille. Autrement, on peut diffuser le donneur de manière sélective sur des parties de la surface de la pastille en protegeant les parties de la surface qui ne doivent pas être diffusées avec une fine couche d'un matériau convenable formant écran pendant la diffusion. De manière plus spécifique, on dépose un revètersent de 20 nitrure de silicium sur la surface de la pastille et des parties en sont ôtées de façon sélective en utilisant des techniques connues pour exposer les parties de surface de la pastille o le donneur -doit être diffusé. On place la pastille dans un creuset, la surface revêtue faisant face au matériau donneur. Les parties de la surface recouvertes d'un revêtement diélectrique sont protégées du donneur pendant la diffusion. La Figure 2 illustre le profil de concentration du porteur et de mobilité pour des pastilles d'arséniure de gallium traitées à 850' C pendant 30 mn, le donneur étant un mélange de Ga2%s et de GaAs. La concentration N du porteur -sur la surface est d'environ 7,5x0lQ17 cmi-3 et tombe rapidement à 1017 à une profondeur inférieure à 0,2 jum. La courbe de mobilité de Hall jH donne la mobilité mesurée en fonction de la concentration d'électrons. Ces courbes montrent que le revêtement de type N diffusé 05 est de très haute qualité avec une compensation extrêmement basse. Le procédé tel que décrit détermine la diffusion à tube ouvert du sulfure dans l'arséniure de gallium sans dégradation de la surface par érosion d'arsenic. Les couches de type N obtenues selon ce procédé sont de très grande qualité et de très faible compensation. Par rapport à l'arséniure de gallium au silicium qui est largement 10 utilisé pour la fabrication de circuits intégrés à l'arséniure de gallium, l'arséniure de gallium avec diffusion de sulfure ne nécessite pas de recuisson et il n'y a pas de dommage résiduel qui puisse détériorer la mobilité du porteur. De plus, la concentration du porteur des couches diffusées est maximale à la surface et diminue très rapidement vers l'intérieur. Ainsi, le matériau convient parfaitement pour la fabrication de 15 dispositifs de grande conductance tels que les MESFET. Bien que l'on ait décrit et représenté ce qui est considéré conmmre un mode de réalisation préféré de la présente invention, il sera évident pour l'Homme de l'Art d'apporter différents changements et modifications sans sortir du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications jointes. * * R E V E N O I C A T 1 Q N S -- 6 -REVENDICA-FION$ 1- Procédé de diffusion d'un matériau apportant un type de conductivité à un semi-conducteur composé III-V, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on dispose le semi-conducteur composé III-V à proximité immédiate d'une quantité d'un élément donneur ayant comme premier constituant un élément du groupe III qui est 05 un composant du dit semi-conducteur composé III-V, comme deuxième constituant un élément qui est un élément donneur pour le semi-conducteur composé III-V; et - on chauffe de manière à vaporiser le dit deuxième constituant, le semiconducteur composé III-V et l'élément donneur étant en équilibre thermodynamique, de telle manière que le dit deuxième constituant diffuse dans le semi-conducteur composé III-V. 2- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de chauffage est effectuée avec le dit semi-conducteur et le dit élément donneur sous gaz inerte. 3- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le dit élément donneur est en poudre. 4- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le chauffage est effectué à 15 une température comprise entre 750 et 900 C environ. - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dit deuxième constituant est choisi dans le groupe comprenant le sulfure, le tellurium et le sélénium. 6- Procédé pour introduire du sulfure dans un corps d'arséniure de gallium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on dispose un corps d'arséniure de gallium à proximité immédiate d'une quantité de sulfure de gallium; et - on chauffe de manière à vaporiser le sulfure, l'arséniure de gallium et le sulfure de gallium étant en équilibre thermodynamique, de telle manière que le sulfure diffuse dans 7 - 2 62600819 l'arséniure de gallium. 7- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'étape de chauffage est effectuée avec le dit semi-conducteur et l'arséniure de gallium sous gaz inerte, 8- Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'arséniure de gallium est en 05 poudre. 9- Procédé selon la revendication S caractérisé en ce que le chauffage est effectué à une température comprise entre 750 et 900 C environ pendant un temps compris entre et 30 minutes environ. - Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que la poudre de sulfure de 10 gallium est mélangée avec de la poudre d'arséniure de gallium. 11- Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que, pendant l'étape de chauffage, le dit semi-conducteur et le dit mélange de sulfure de gallium et d'arséniure de gallium sont sous circulation d'azote. 12- Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 15 suivantes: - on dépose une couche de nitrure de silicium selon un schéma particulier sur la surface du dit corps de semi- conducteur avant de disposer le semi-conducteur à pro>ximité immédiate du dit mélange de sulfure de gallium et d'arséniure de gallium; et - on dispose le semi-conducteur de manière à ce que la dite couche soit en regard du 20 dit mélange de sulfure de gallium et d'arséniure de gallium, de telle manière que le sulfure diffuse dans le dit semi-conducteur sur la surface non recouverte de nitrure de silicium. * *