Brevet FR2611313A1 — publié le 19880826

"Semi-conducteur très rapide et procédé de fabrication d'un tel semi-conducteur ". La présente invention concerne un semi-conducteur très rapide et un procédé de fabrication d'un tel semi-conducteur et en particulier un semi-con- ducteur tel qu'un transistor à mobilité électronique élevée (HEMT), un transistor à effet de champ à canal de gaz d'électrons bi-dimensionnel (DET-FET) ou un transistor à effet de champ métal-semi-conducteur (MES- FET) tel qu'un transitor à effet de champ à porte Schottky ou analogue, utilisant un semi-conducteur com- posite de type III/V. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR: Dans les semi-conducteurs très ra- pides du type mentionné ci-dessus, on utilise souvent un semi-conducteur composite du groupe III/V tel que AlxGa1_xAs ou InyGa1_yAs, formules dans lesqueles x et y sont tous deux inférieurs à 1 et même être égaux à O. Ces semi-conducteurs de type composé ou composite sont utilisés de manière très répandue à cause de la mobilité élevée des électrons et ils constituent facilement une couche semi-conductrice possédant d'excellentes caracté- ristiques de cristallographie. La plaque de base ou sup- port sur lequel on dépose le semi-conducteur composite III/V par un dépot à la vapeur chimique peut être un support d'un monocristal GaAs ayant une face de cristal d'orientation (100) comme face principale. Le semi-con- ducteur composite III/V du système AlGaAs ou du système InGaAs est alors développé par une croissance épitaxiale en utilisant par exemple le procédé de dépot à la vapeur chimique métal/matière organique (procédé MOCVD). Pour utiliser le semi-conducteur très rapide ci-dessus, il faut éviter autant que faire se peut que des impuretés résiduelles telles que du car- bone, du silicium-ou analogues ne soient mélangées à la couche semi-conductrice composite III/V. Il faut égale- ment que la couche semi-conductrice composite III/V pré- sente d'excellentes caractéristiques cristallographiques pour augmenter la vitesse de fonctionnement et réduire le bruit. Cependant, lorsqu'on dépose une couche semi- conductrice composite du système AlGaAs sur un support d'orientation cristallographique (100), en utilisant par exemple du triméthylaluminium comme matière première pour le procédé de dépot MOCVD, la contamination par le carbone constitue une difficulté très grave. Cette con- tamination interdit le développement des caractéristi- ques telles que l'augmentation de la vitesse de fonction- nement et la réduction du bruit du semi-conducteur à grande vitesse. Bien que les semi-conducteurs utilisant un support d'orientation (100) et une surface d'orien- tation (111)A aient été décrits dans le document "Journal of Crystal Growth", tome 68 (1984), pages 148-156, ces dispositifs ne sont pas encore satisfaisants sur le plan de leurs caractéristiques cristallographiques. RESUME DE L'INVENTION: La présente invention se propose de créer un semi-conducteur très rapide ayant de faibles caractéristiques de bruit. A cet effet, l'invention concerne un semi-conducteur très rapide avec un support GaAs et une couche semi-conductrice composite III/V formee sur 3. le support par un dépôt à la vapeur chimique métal/ matière organique, le support GaAs ayant une surface principale correspondant à l'orientation cristallogra- phique (311)B, face sur laquelle on fait développer une couche semiconductrice composite III/V. Dans le mode de réalisation préférentiel de la présente invention, le semi-conducteur utilise une couche semiconductrice dans laquelle le rapport des éléments du groupe V sur les éléments du groupe III du semi-conducteur composite est inférieur à 100/1. La couche semi-conductrice se dépose à l'aide du procédé de dépôt à la vapeur chimi- que métal/matière organique (procédé bien connu sous la dénomination MOCVD). DESCRIPTION DESUMEE DES DESSINS: La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un graphique montrant la relation en- tre le rapport V/III et la concentration des porteurs. - les figures 2 et 3 sont des graphiques donnant les spectres de photoluminescence de couches semi-conductri- ces développées sur un support (311)B et un support (100) à l'aide d'un procédé de dépôt à la vapeur chimique métal/matière organique. - la figure 4 est une coupe schématique d'un mode de réalisation d'un semi-conducteur très rapide selon la présente invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERENTIELS: Dans la présente invention, on développe une couche semi-conductrice composite III/V par le procédé MOCVD sur un support GaAs dont la grande surface a une orientation cristallographique (311)B, c'est-à-dire l'orientation (311)As. Le procédé bien connu MOCVD utili- se des éléments Ai, Ca et In du groupe III obtenus à partir d'un composant gazeux métal/matière organique tel que du triméthylaluminium (TMA), du triméthylgal- lium (TMG), du triméthylindium (TMI), du triéthylalu- minium (TEA), du triéthylgallium (TEG), du triéthylin- dium (TEI) ou analogue. Les élémentse du groupe V sont l'arsenic ou le phosphore utilisant un hybride tel que l'arséniure (AsH3) ou le phosphure (PH3). Ces composants O10 sont introduits dans un réacteur suivant un rapport sou- haité entre les matières du groupe V et les matières du groupe III appelé ci-après en abrégé rapport V/III. Dans le réacteur, on met le support mentionné ci-dessus ayant l'orientation (311)B à une température prédéterminée et on développe par croissance épitaxiale une couche semi- conductrice composite III/V à la surface du substrat par décomposition thermique du gaz mentionné ci-dessus. Selon la présente invention, il est possible d'éviter efficacement l'incorporation d'im- puretés en particulier du carbone qui devient un accep- teur dans le champ opérationnel. Il est également possi- ble de diminuer les impuretés du donneur tel que le silicium dans le champ opérationnel en choisissant un rapport V/III faible. On peut ainsi fabriquer un semi- conducteur très rapide ayant une grande mobilité des porteurs et d'excellentes caractéristiques du cristal, et qui possède une vitesse de fonctionnement élevée et un faible niveau de bruit. La figure 1 montre la relation en- tre la concentration des porteurs ou concentration de carbone comme accepteur et la concentration mélangée de silicium comme donneur en liaison avec le rapport V/III. Dans ces conditions, les mesures ont été faites pour une couche semi-conductrice composite Aio,33Cao 67As développée sur un support GaAs à une temperature de sup- port égale à 800 C en utilisant comme gaz pour le pro- cédé MOCVD du triméthylaluminium, du triméthylgallium et de l'arséniure. A la figure 1, les repères triangulai- res pleins désignent les points tracés correspondant à la couche semiconductrice du système AlGaAs ci-dessus déposée par le procédé MOCVD sur un support monocris- tallin de GaAs d'orientation (311)B selon la présente invention; chacune des couches présentait les caracté- ristiques de type n. Dans ces conditions, même si l'on diminue le rapport V/III, la couche semi-conductrice ne présentait pas de caractéristiques de type p. De plus, selon la figure 1, les cercles vides et les cercles pleins désignent des concentrations de porteurs en fonc- tion du rapport V/III obtenu en formant une couche semi- conductrice analogue sur le support classique GaAs d'orientation (100) par le procédé MOCVD. Les cercles ouverts correspondent à une caractéristique de type p et les cercles pleins une caractéristique de type n. De même à la figure 1, les repères en forme de carrés ou- verts et de carrés pleins correspondent aux résultats des concentrations de porteurs par rapport au rapport V/III, avec dépôt d'une couche semi-conductrice analo- gue sur un support GaAs d'orientation (311)A obtenu par le procédé MOCVD. Les repères en forme de carrés ouverts ont des caractéristiques de type p et les répè- res en forme de carrés pleins ont respectivement des caractéristiques de type n. Lorsqu'on développe des couches semi-conductrices III/V sur le support connu d'orientation (100) et le support d'orientation (311)A par le procédé MOCVD, on choisit un rapport V/III faible et la couche semiconductrice commence à présenter des caractéristiques de type p. La raison en est que le carbone se mélange aux sites Ga et fonctionne comme un accepteur. Si par ailleurs on choisit un rapport V/III important, un donneur tel que le silicium ou analogue risque de se mélanger aux sites et augmente ainsi la concentration en porteurs. Comme représenté à la figure 1, dans le cas d'une couche semi-conductrice déposée sur le substrat d'orientation (100) par le procédé MOCVD comme dans l'art antérieur, si le rapport V/III est de l'ordre d'environ 80-120, il y a passage du type p vers le type n. Dans le cas de la présente invention, la couche semi-conductrice ayant été déposée par le procé- dé MOCVD..-sur un support d'orientation (311)B, même pour un rapport V/III suffisamment faible pour rendre la sur- face légèrement opaque, on n'a constaté aucune conver- sion de type p vers le type n et la couche semi'-conduc- trice présentait une résistance élevée. Ainsi pour un rapport V/III rendu suffisamment faible, par exemple inférieur à 100, la quantité des deux impuretés en don- neurs et en accepteurs peut être diminuée et on peut réaliser une couche' semi-conductrice à faible concentra- tion en porteurs et résistance élevée pour la plage de fonctionnement d'un semi-conducteur très rapide. Les graphiques des figures 2 et 3 montrent les spectres de photoluminescence mesurés à une température de 4 K d'une couche semiconductrice non dopée de AlxGa -xAS formule dans laquelle x est égal à 0, 33; cette couche a été réalisée sur un support d'orientation (311)B par le procédé de dépôt MOCVD; on a également réalisé une couche semiconductrice non dopée dans la même matière sur un support d'orientation , classique par le procédé MOCVD. Dans ce cas, le rapport V/III était égal à 135. Aux figures 2 et 3, le maximum b du côté droit a été observé pour les grandes longueurs 7. d'onde, ce qui montre que ce maximum a été engendré par la transition des donneurs résiduels vers le carbone fonctionnant comme accepteur. Le maximum a de la courbe du côté gauche c'est-à-dire du côté des courtes longueurs d'onde correspond à un maximum d'excitation à demi-lon- gueur d'onde égale 6,516 meV provoqué par le fait que les carbones accepteurs sont liés par les donneurs rési- duels. On voit que le semi-conducteur réalisé selon la présente invention est moins influencé par le carbone résiduel et a des caractéristiques cristallographiques meilleures par comparaison a une couche semi-conductri- ce déposée sur un support à orientation cristallographi- que (100) selon l'art antérieur. Selon des études faites par les inventeurs de la présente demande de brevet, il a été confirmé que la contamination par le carbone est la plus faible au niveau de la surface cristallographique (311)B et augmente dans l'ordre suivant: surface d'orientation (111)B, surface d'orientation (100), sur- face d'orientation (111)A et surface d'orientation (311)A. Le semi-conducteur selon la pré- sente invention peut être utilisé dans différents types de semi-conducteurs à grande vitesse et de semi-conduc- teurs tels que les transistors FET par exemple HEMT, 2 DEG-FET et TEG-FET utilisant un canal de gaz à por- teurs bi-dimensionnel (électrons et trous) ou différents types de semiconducteurs très rapides tels que MES-FET ou analogues. Un mode de réalisation de la pré- sente invention appliqué à un transistor FET de type à canal de gaz d'électrons, bi-dimensionnel sera décrit ci-après en référence à la figure 4. Selon la figure 4, on a un support 1 formé d'un monocristal semi-isolant de GaAs avec une surface principale la correspondant à l'orientation (311)B connue sous la dénomination.de surface (311)As. Sur une surface principale la du support, on dépose successivement une première couche semi-conductrice 2 formée d'une couche non dopée de GaAs d'une épaisseur par exemple égale à 5 5 m, d'une seconde couche semi- conductrice 3 de Al xGa xAs non dopée (x est égal à x -8 0,33) par exemple avec une épaisseur de 1-8 m; puis, on dépose une troisième couche semi-conductrice 4 de AlxGa lx As (x étant égal à 0,33) dans laquelle existe une impureté de silicium de type n comme dopant et en- fin une quatrième couche de silicium 5 en un matériau GaAs analogue de type n par le procédé de dépôt MOCVD en continu, en réglant l'alimentation en gaz. Dans ces conditions, les gaz utilisés peuvent être TMA, TMG, et de l'arséniure (AsH3). Une partie de la quatrième couche semi-conductrice 5 est enlevée par attaque chimique pour dégager une partie de la troisième couche semi- conductrice 4. Une électrode de porte par exemple une électrode de porte Schottky est déposée sur la partie dégagée. Puis, on forme une électrode de source 7 et une électrode de drain 8 sur les parties de la quatriè- me couche semi-conductrice 5 restant des deux côtés de l'électrode de porte 6. Selon la disposition ainsi dé- crite, il est possible d'obtenir un transistor FET dans lequel un canal est formé à l'interface de la premiere couche semi-conductrice 2 et de la seconde couche semi- conductrice 3 par une couche de gaz d'électrons à deux dimensions 9. Dans le transistor FET décrit ci- dessus, la première et la seconde couches semi-conduc- trices 2 et 3 entre lesquelles se trouve la région de travail ou couche de gaz d'électrons à deux dimen- sions 9, sont déposées comme les couches semi-conduc- trices par le procédé MOCVD suivant des rapports V/III par exemple d'environ 30-1, de sorte que la premiere et la seconde couche semiconductrices 2 et 3 peuvent être constituées par des couches dans lesquelles la concentration en porteurs est suffisamment faible comme cela a été décrit en liaison avec la figure 1. Cela ré- duit ainsi les impuretés résiduelles et évite que les propriétés cristallographiques ne soient diminuées; cela donne une mobilité électronique élevée et un bruit réduit. On obtient ainsi un semi-conducteur très rapide ayant de bonnes caractéristiques. Dans le mode de réalisation ci-des- sus, le système aluminium gallium arséniure est appelé composé III/V; toutefois, la présente invention peut également s'appliquer à un semiconducteur très rapide utilisant une couche semi-conductrice d'indium-gallium- arséniure réalisée par le procédé MOCVD. La présente invention n'est pas li- mitée au mode de réalisation décrit ci-dessus d'un semi- conducteur très rapide; elle peut s'appliquer à diffé- rents types de dispositifs. Par exemple la présente in- vention peut également s'appliquer à un composant HEMT dit inversé dans lequel la couche GaAs est formée sur la couche AlGaAs. La difficulté des caractéristiques cristallographiques de la couche AlGaAs contenant Al dans la sous-couche peut être résolue en perfectionnant les caractéristiques de la couche GaAs. Il est ainsi possible de former le canal avec la couche de gaz d'élec- trons bi-dimensionnelle ayant une mobilité élevée. En plus du transistor FET réalisé par la couche de gaz d'électrons à deux dimensions, il est possible de perfectionner les caractéristiques du transistor FET formé par la couche de gaz de trous à deux dimensions. Comme indiqué ci-dessus dans le semi-conducteur très rapide selon l'invention, la vitesse de mobilité des porteurs peut être augmentée et le semi- conducteur a une plage de travail correspondant à d'ex- cellentes caractéristiques cristallographiques. Il est ainsi possible de réaliser un semi-conducteur très ra- pide ayant d'excellentes caractéristiques telles qu'une vitesse de fonctionnement élevée et un faible bruit. La description ci-dessus repose sur un seul mode de réalisation préférentiel de l'inven- tion; toutefois, de nombreuses modifications et varian- tes peuvent être réalisées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de la présente invention. Il faut noter, également, que le composé III/V est aussi InyCa AS, dans lequel y est y -y inférieur à 1. il RE V E N D I C A T I O NS ) Semi-conducteur très rapide formé d'un support GaAS et d'une couche semi-conductrice composite III/V de grande résistance, réalisée sur le support, semi-conducteur caractérisé en ce que la couche semi- conductrice est réalisée sur la surface cristallographique (311)B du support. 2 ) Semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composée III/V est un composé AlxGa xAS, dans lequel x est inférieur à 1 (x étant égal à 0,33). 3 ) Semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé III/V est InyGa 1yAS, dans lequel y est inférieur à 1. 4 ) Semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce le rapport des éléments du groupe V sur le rapport des éléments du groupe III dans le composé semi- conducteur est inférieur à 100/1. ) Semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semi-conductrice est réali- sée par un dépôt à la vapeur chimique d'un métal-matière organique. 6 ) Procédé de fabrication d'un semi-conducteur très rapide caractérisé en ce qu'on réalise un support (GaAS) et on dépose une couche semi-conductrice composite III/V de résistance élevée sur une face (311)B du support par un procédé de dépôt à la vapeur chimique/matière organique. 7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compose III/V est AxGal XAS, dans lequel x en e qu lecompse II/ es AGalxAS,dasluex est inférireur à 1 ( x étant égal à 0,33). 8 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compose III/V est InxGa C xAS, dans lequel x est inférieur à 1 (x étant égal à 0,33).