Brevet FR2629592A1 — publié le 19891006

CAPTEUR DE PRESSION ADAPTATIF. La présente invention concerne un dispositif sensible à une pression hydrostatique à laquelle il est soumis, comprenant au moins une première couche d'arseniure de gallium-aluminium AlxGal,xAs dont la teneur relative (x) en aluminium est inférieure & 0.25, et une seconde couche d'arseniure de gallium-aluminium A1,Gal,yAs dont la teneur relative (y) en aluminium est supérieure à (x) et comprise entre 0.15 et 1, et dans lequel se forme, à l'interface de ces deux couches, un canal de conduction dont la résistance électrique varie en fonction de la pression subie par ce dispositif. La sensibilité à la pression de structures composées d'éléments semi-conducteurs des colonnes III et V du tableau de Xendeleiev est aujourd'hui connue. En particulier, des structures d'arseniure de gallium aluminium sur un substrat d'arseniure de gallium ont déjà fait l'objet de plusieurs publications, et leur comportement en pression ou en température a notamment été décrit dans les articles suivants: - "Pressure and compositional dependences of the Hall coefficient in AlyGal,yAs and their significance", N.Lifshitz, A.Jayaraman, R.A.Logan, Physical Review B, Vol, 21, No 2, (5 Janvier 1980), pp.670 à 678; - nThe conduction band structure and deep levels in Gal,yAlyAs alloys from a high pressure experiment, A.Saxena, J. Phys.C: Solid State Phys. 13, (1980), pp.4323 à 4334; - "Comprehensive analysis of Si-doped AlyGa î-yA5 (x=O to 1); Theory and experiments", N.Chand, T.Henderson, J. Klem, W.T.Masselink, R.Fisher, The American Physical Society, Physical Review B, Vol.30, No 8, (15 octobre 1984), pp. 4481 à 4492; et - "Hydrostatic Pressure Control of the Carrier Density in GaAs/GaAlAs Heterostructures; role of the metastable deep levels", J.M.Mercy, C.Bousquet, J.L.Robert, A.Raymond et al., Surface Science 142, (1984), pp 298-305. Une caractéristique des structures connues de cette famille est qu'une variation de pression déterminée conduit à une variation relative correspondante de la résistivité de leur couche sensible, qui est fixée une fois pour toutes par la nature-du matériau utilisé. A température ambiante, la limite est de 45% par kilobar. Il en résulte que la résolution de telles structures, ctest-å-dire la plus petite valeur de variation de pression qu'elles sont susceptibles de détecter, est indissociablement liée à la plus petite variation relative décelable de la résistance de leur couche sensible. On connait par ailleurs des capteurs de pression à jauges de contrainte, utilisant la piézorésistivité, dans lesquels la résistance électrique de chaque jauge varie en fonction de la contrainte qu'elle subit par application de la pression. Il est possible, en choisissant judicieusement les paramètres de fabrication de ces capteurs, de réaliser des structures, en particulier des structures sensibles à la pression, capables de fonctionner dans des plages prédéterminées de conditions de mesure, par exemple dans une gamme préalablement choisie de température et de pression. Cependant, ces structures sont le plus souvent fragiles, limitées dans leurs performances, et rendues complexes par le fait que les jauges, qui ne sont pas directement sensibles à la pression hydrostatique, doivent etre associées à une conformation particulière du capteur, propre à convertir la pression hydrostatique à mesurer en une contrainte anisotrope à laquelle les jauges sont seulement sensibles. Ces artifices conduisent à l'apparition de nombreux problèmes, notamment de stabilité à long terme et d'hystérésis. De plus, l'adaptation d'un tel capteur à des conditions moyennes de fonctionnement étant réalisée une fois pour toutes au moment de sa fabrication, un capteur de ce type n'est pas susceptible de s'adapter à plusieurs gammes différentes de conditions moyennes de fonctionnement. Dans ce contexte, un des buts de la présente invention est de proposer un capteur de pression capable de s'adapter dynamiquement à différentes conditions moyennes de mesure et de présenter, pour chacune d'elles, une résolution sus#ceptible d'etre ajustée et de prendre des valeurs élevées. Dans ce but, l'invention propose un dispositif, sensible à la pression hydrostatique, comprenant de façon connue au moins une première couche d'arseniure de gallium-aluminium A1,Gal,xAs dont la teneur relative (x) en aluminium est inférieure à 0.25, et une seconde couche d'arseniure de gallium-aluminium AlyGa1~yAs dont la teneur relative (y) en aluminium est supérieure à (x) et comprise entre 0.15 et 1, et dans lequel se forme, à l'interface de ces deux couches, un canal de conduction dont la résistance électrique varie en fonction d'une pression subie par ce dispositif, ce dernier comprenant un transistor à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle (TEGFET), comprenant un drain, une source et une grille. La couche d'arseniure de gallium-aluminium AlyGa1#yAs est sélectivement dopée par des impuretés de la colonne IV A et/ou de la colonne VI A du tableau périodique, par exemple l'un au moins des éléments Si, Ge, Sn, S, Se, et Te, à une concentration totale, intégrée sur l'épaisseur de cette couche, qui est avantageusement comprise entre 1012 et 1013 atomes par centimètre carré. L'invention propose en outre un procédé pour mesurer une pression hydrostatique comprenant une première opération consistant à soumettre un capteur de pression à la pression à mesurer, une seconde opération consistant à recueillir un signal de réponse du capteur, et une troisième opération consistant à déduire de ce signal la valeur de cette pression hydrostatique grâce à une loi connue reliant ce signal à cette valeur, ce procédé étant essentiellement caractérisé en ce que les première et seconde opérations sont effectuées en utilisant un capteur qui comprend au moins un transistor à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle (TEGFET), comportant un drain, une source et une grille. Un dispositif pour mettre en oeuvre la seconde opération mentionnée peut comprendre des moyens pour maintenir constants les potentiels de grille, de drain et de source, et des moyens pour mesurer le courant circulant entre le drain et la source. Cependant, cette seconde opération peut aussi etre mise en oeuvre grâce à des moyens pour maintenir constants les potentiels de drain et de source, et à des moyens pour ajuster le potentiel de grille de façon à maintenir constant le courant circulant entre le drain et la source. Par ces caractéristiques, le dispositif et le procédé de l'invention sont susceptibles de s'adapter parfaitement au cas où les conditions de mesure de la pression hydrostatique évoluent, notamment par variation de cette pression elle-meme ou par variation de la température, au voisinage de conditions de mesure moyennes, le procédé comprenant alors une opération consistant à ajuster, pour ces conditions de mesure moyennes, le potentiel de grille à une valeur à peine supérieure à la tension de seuil du transistor, et la tension drain-source à une valeur supérieure à la différence entre la tension de grille et la tension de seuil, de telle sorte que le transistor fonctionne en régime de saturation. Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, la tension de seuil du transistor est la tension de grille pour laquelle le courant drain-source s'annule. Par "une valeur à peine supérieure à la tension de seuil", on entend ici une valeur excédant d'au plus 1 volt la tension de seuil. Le procédé de l'invention peut en outre être mis en oeuvre sous une autre forme, dans laquelle la première opération consiste essentiellement å soumettre à la pression hydrostatique à mesurer un ensemble de transistors à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle intégrés dans un montage, connu sous le nom d'oscillateur en anneau, réalisé par la connexion d'un nombre impair de portes élémentaires, elles-mêmes composées de transistors et de diodes Schottky réalisés sur un même substrat. La troisième opération consiste alors essentiellement à recueillir le signal produit par cet oscillateur, et dont la fréquence est représentative de la pression à mesurer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un transistor TEGFET utilisable dans le cadre de la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe d'un montage utilisant les principes de la présente invention; - la figure 3 est un diagramme représentant la variation du courant drain-source d'un transistor TEGFET en fonction de la tension de grille appliquée à ce dernier; - la figure 4 est un diagramme représentant les variations du courant drain-source du canal d'un transistor TEGFET en fonction d'une part de la tension de grille appliquée à ce dernier et d'autre part de la pression hydrostatique à laquelle il est soumis;; - la figure 5 est un agrandissement d'une partie de la figure 4; - la figure 6 est un schéma d'un dispositif utilisant une première technique de mesure de la pression; et - la figure 7 est un schéma d'un dispositif utilisant une seconde technique de mesure de la pression. Les transistors TEGFET, tels que celui représenté sur la figure 1, sont connus dans le domaine de l'électronique rapide. Ils tirent leur désignation d'une abréviation de leur définition en langue anglaise, "Two-dimensional Electron Gas Field Effect-Transistor, c'est- & dire transistor à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle. Ils peuvent être produits, par exemple, par le procédé décrit dans l'article dans l'article Growth of extremely uniform layers by rotating substrate holder with molecular beam epitaxy for applications to electro-optic and microwave devices", A.Y.Cho et K.Y.Cheng, Appl. Phys. Lett. 38(5), 1 Mars 1981, pp. 360 à 362. La structure du TEGFET 1 de la figure 1 est plus précisément la suivante. Le substrat 2 est formé d'une plaquette d'arseniure de gallium GaAs semi-isolant, d'une épaisseur de l'ordre de 300 micromètres par exemple. Sur ce substrat est déposée par épitaxie une couche 3 d'arseniure de gallium GaAs non dopé, d'une épaisseur de 1 à quelques micromètres, constituant une couche tampon destinée à offrir un bon état de surface aux couches ultérieures. Sur cette couche tampon 3 peut être déposée par épitaxie une couche supplémentaire (non représentée), en arseniure de gallium-aluminium A1,Gal,xAs non dopé, dont la teneur relative (x) en aluminium est inférieure à 0.25 et dont l'épaisseur est par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de micromètre. Globalement, la couche tampon 3, recouverte ou non de cette couche supplémentaire, constitue donc une couche d'arseniure de gallium - aluminium AlxGal,xAs non dopé, dont la teneur relative (x) en aluminium, éventuellement nulle, est inférieure à 0.25. Sur la couche tampon 3 ou sur cette couche supplémentaire optionnelle non représentée, est déposée, également par épitaxie, une couche de séparation 4 en arseniure de gallium-aluminium AlyGa1#yAs non dopé, dont la teneur relative (y) en aluminium est supérieure à (x) et comprise entre 0.15 et 1. L'épaisseur de cette couche de séparation 4 est par exemple de l'ordre de O a 30 nanomètres. Sur la couche de séparation 4 est ensuite déposée, toujours par épitaxie, une couche 5 en arseniure de gallium-aluminium AlyGa1#yAs dopé, dont la teneur relative (y) en aluminium est sensiblement la même que celle de la couche de séparation 4, et dont l'épaisseur est par exemple comprise entre 30 et 100 nanomètres. La couche 5 peut être dopée par des impuretés de la colonne IV A et/ou de la colonne VI A du tableau périodique, notamment par l'un au moins des éléments Si, Ge, Sn, S, Se, et Te, à une concentration totale, intégrée sur l'épaisseur de cette couche, comprise entre 1012 et 1013 atomes par centimètre carré-. Comme le montre symboliquement, par des tirets, la figure 1, un gaz d'électrons bidimensionnel apparaît a l'interface que forment les couches 4 et 5 d'arseniure de gallium-aluminium AlyGa1#yAs avec la couche 3, et sa couche supplémentaire éventuelle, en arseniure de gallium-aluminium AlxGaî#xAs. La couche 5 est, de façon connue, recouverte d'une couche de reprise de contact en arseniure de gallium GaAs, puis gravée pour présenter une dépression centrale Sa, après quoi des plots métalliques 6a, 6b, 6c, destinés à constituer respectivement le drain, la grille, et la source du transistor, sont déposés. La figure 2 représente un mode de montage possible du transistor TEGFET 1 en tant que capteur de pression hydrostatique. Le support du transistor 1 est constitué par une pièce d'acier 7 qui, à l'exception d'un filetage 8 et d'une tête å méplats 9 permettant son vissage, d'une surface transversale plane d'appui 10 et d'un décrochement périphérique interne 11, est de forme sensiblement cylindrique Le transducteur 1 est, du côté du décrochement, collé au moyen d'une colle souple sur la surface d'appui 10, dans laquelle sont pratiqués trois alésages 10a, lOb, l0c, dont deux sont visibles sur la figure 2. Une borne électrique traversante, telle que 12a, 12b, 12c est maintenue dans chacun des alésages au moyen d'une perle de verre telle que 13a, 13b, 13c, qui assure d'une part la solidarisation de chaque borne avec la surface d'appui 10, d'autre part l'isolation électrique de cette borne et de cette surface, et enfin une obturation étanche des alésages lOa à vioc. Du côté du décrochement 11, chaque borne électrique est connectée à un plot tel que 6a, 6b, ou 6c du transistor 1, l'ensemble étant noyé dans un volume d'huile isolante fermé par une membrane déformable en acier 14 soudée sur le décrochement 11. La pièce 7 ainsi conçue peut être vissée sur la paroi de toute enceinte dans laquelle règne une pression P à mesurer. Cette dernière, transmise à travers la membrane déformable 14 au volume d'huile baignant le transistor, soumet ce dernier à des conditions de pression hydrostatique et de température qu'il est possible, conformément à l'enseignement de l'invention, de mesurer de manière optimale de la façon décrite ci-après en référence aux figures 3 et 4. La figure 3 représente la variation du courant IDS circulant entre le drain et la source d'un TEGFET en fonction de la tension VG appliquée sur sa grille, la tension VDS appliquée entre le drain et la source du transistor étant constante. Cette figure fait apparaître une première zone Zî, dite zone de blocage, correspondant aux valeurs de la tension de grille VG pour lesquelles aucun courant IDS ne circule dans le transistor. Une seconde zone Z2, dite zone de régime de saturation, apparaît pour des valeurs de la tension de grille supérieures à une valeur limite VT, dite valeur de seuil, mais inférieures à la valeur de la tension de grille VL au delà de laquelle commence une troisième zone Z3, dite zone de régime linéaire, caractérisée par une loi affine de variation du courant IDS en fonction de la tension VG. La figure 4 représente également la variation du courant drain-source IDS en fonction de la tension VG appliquée sur la grille pour une valeur constante de la polarisation VDS, mais pour deux valeurs distinctes d'une pression hydrostatique P appliquée sur le transistor. Cette figure met immédiatement en évidence le fait que le courant IDS diminue lorsque la pression P appliquée augmente, phénomène dont l'exploitation optimale est à la base de l'invention. La valeur du courant IDES, mesurée en conservant la polarisation du transistor 1 soumis & la pression, c'est-à-dire en maintenant constants les potentiels de grille, de drain et de source de ce transistor, est en effet utilisable comme signal représentatif de la pression P. Cette technique de mesure est illustrée par la droite verticale DV de la figure 4, qui, à deux valeurs différentes de la pression, fait correspondre de façon univoque deux valeurs différentes du courant IDs. Un dispositif pour la mise en oeuvre de cette technique est représenté sur la figure 6. Outre le transistor 1, ce dispositif comprend une source de tension réglable 15 propre & fournir un potentiel de drain VD constant mais réglable, une source de tension réglable 16 propre à fournir un potentiel de grille VG constant mais réglable, et un ampèremètre 17 indiquant la valeur du courant IDES. La source est également reliée à un potentiel constant, par exemple celui de la masse. Cependant, comme le montre la figure 4, une autre technique de mesure est également possible puisqu'en effet la valeur à laquelle il faut ajuster le potentiel de grille VG de façon à maintenir constant le courant IDS, en maintenant constants les potentiels de drain et de source, est aussi représentative de la pression hydrostatique à laquelle est soumis le transistor. Cette seconde technique de mesure est illustrée par la droite horizontale DH de la figure 4 qui, à deux valeurs différentes de la pression, fait correspondre de façon univoque deux valeurs différentes de la tension de grille VG pour une même valeur du courant IDES. Un dispositif pour la mise en oeuvre de cette seconde technique est représenté sur la figure 7. Outre le transistor 1, ce dispositif comprend une source de tension réglable 18 propre à fournir un potentiel de drain VD constant mais réglable, une résistance de valeur R, connectée entre la source du transistor et la masse, et traversée par le courant IDs, une source de tension réglable 19 propre à fournir un potentiel de référence égal au produit R.IDS, un amplificateur différentiel 20 dont les entrées sont connectées à la source du transistor l et à la source de tension 19, et dont la sortie est connectée à la grille de ce transistor, et un voltmètre 21 indiquant la valeur du potentiel VG. Dans un tel montage, l'amplificateur 20 ajuste le potentiel de grille de façon que la tension aux bornes de la résistance R soit constante, ce qui fixe d'une part la valeur du potentiel de la source du transistor 1, et d'autre part la valeur du courant IDES. Un premier avantage, considérable, de l'utilisation d'un TEGFET comparée à l'utilisation d'un composant passif tel que l'hétérostructure dépourvue de grille décrite dans l'article "Hydrostatic Pressure Control of the Carrier Density in GaAs/GaAlAs Heterostructures; role of the metastable deep levels", précédemment cite, et qui est directement obtenu par la mise en oeuvre de l'une ou l'autre des deux techniques de mesure décrites en référence à la figure 4, réside dans le fait que le contrôle du potentiel de grille, qu'il est important de ne pas rendre flottant, assure une bonne immunité aux parasites en écrantant toute influence électrostatique du milieu extérieur sur le canal de conduction sensible à la pression. Un second avantage résultant de l'utilisation d'un TEGFET comparée à l'utilisation d'un transistor différent, d'un MOSFET par exemple, réside dans le fait que le TEGFET est directement sensible à la pression hydrostatique, de sorte que les structures à la fois complexes, fragiles et limitées dans leurs performances notamment par les problèmes de stabilité à long terme et d'hystérésis qu'elles font apparaître, mais qui doivent néanmoins être utilisées pour convertir une pression hydrostatique à mesurer en une contrainte a laquelle le capteur est seulement sensible, deviennent inutiles. Cependant, l'utilisation d'un TEGFET, comparée à l'utilisation d'un capteur passif, conduit encore à un autre avantage, s'il est employé conformément à l'invention, selon la procédure suivante. Comme le montre la figure 4, la variation relative du courant IDS est maximale aux valeurs les plus négatives de la tension de grille, ctest-à-dire dans la zone Z2 de régime de saturation. Par exemple, la variation relative du courant IDS pour une variation absolue de îkbar de la pression, est de l'ordre de 14% lorsque le transistor fonctionne en régime linéaire (zone Z3), pour une valeur de VG voisine de -0.5 volts, alors qu'elle peut être supérieure & 50% lorsque le transistor fonctionne en régime de saturation, ctest-à-dire avec une tension de grille à peine supérieure à la valeur de seuil VT. Ainsi, puisque le réglage de la tension de grille permet un déplacement du point de mesure le long de chacune des courbes de la figure 4, il est possible d'adapter dynamiquement le capteur TEGFET au domaine de pression dans lequel il travaille et même, dans la mesure où chaque courbe peut éventuellement varier en fonction d'autres paramètres physiques, par exemple la température, il est possible d'adapter le capteur TEGFET à son environnement de mesure tout entier. En particulier, dans le cas où les conditions de mesure de la pression hydrostatique évoluent, notamment par variation de cette pression elle-meme ou par variation de la température, au voisinage de conditions de mesure moyennes, il est avantageux d'ajuster, pour ces conditions de mesure moyennes, le potentiel de grille à une valeur à peine supérieure à la tension de seuil du transistor, et la tension drain-source à une valeur supérieure à la différence entre la tension de grille et la tension de seuil, de telle sorte que le transistor fonctionne en régime de saturation. Cette technique de mesure est illustrée par la verticale DV1 sur la figure 4, au voisinage de laquelle la résolution du capteur, pour des variations de pression autour d'une pression hydrostatique moyenne de 1 kbar, est excellente, comme le montre encore mieux l'agrandissement réalisé sur la figure 5. Selon une autre technique de mesure, il est possible d'utiliser un TEGFET pour obtenir une mesure de pression hydrostatique sous la forme d'un signal de fréquence. A cette fin, le capteur comprend un nombre impair d'inverseurs réalisés au moyen de transistors TEGFET et de diodes Shottky connectés de façon à constituer un oscillateur en anneau, délivrant un signal dont la fréquence est représentative des conditions de pression supportées par ces transistors. Bien que la possibilité d'obtenir, au moyen de capteurs de pression actifs connectés en anneau pour constituer un circuit oscillant, un signal de fréquence représentatif d'une pression à mesurer ait déjà été décrite, par exemple dans le brevet européen EP 0.040.795, l'utilisation de TEGFET, conformément à l'enseignement de la présente invention, permet une mesure directe de la pression hydrostatique, sans la nécessité de recourir à l'emploi de membranes. REVENDICATIONS 1. Dispositif sensible à la pression hydrostatique, comprenant au moins une première couche d'arseniure de gallium-aluminium AlxGal,xAs dont la teneur relative (x) en aluminium est inférieure à 0.25, et une seconde couche d'arseniure de gallium-aluminium AIyGa1#yAs dont la teneur relative (y) en aluminium est supérieure à (x) et comprise entre 0.15 et 1, et dans lequel se forme, à l'interface de ces deux couches, un canal de conduction dont la résistance électrique varie en fonction d'une pression subie par ce dispositif, ce dernier comprenant un transistor à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle (TEGFET), comprenant un drain, une source et une grille. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche d'arseniure de gallium-aluminium AlyGa1#yAs est sélectivement dopée par des impuretés de la colonne IV A et/ou de la colonne VI A du tableau périodique a une concentration totale, intégrée sur l'épaisseur de cette couche, comprise entre 1012 et 1013 atomes par centimètre carré. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérise en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir la grille, la drain et la source a des potentiels constants, et des moyens pour mesurer le courant circulant entre le drain et la source. 4. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir le drain et la source à des potentiels constants, et des moyens pour ajuster le potentiel de grille de façon à maintenir constant le courant circulant entre le drain et la source. 5. Procédé pour mesurer une pression hydrostatique comprenant une première opération consistant à soumettre un capteur de pression à la pression à mesurer, une seconde opération consistant à recueillir un signal de réponse du capteur, et une troisième opération consistant à déduire de ce signal la valeur de cette pression hydrostatique grâce à une loi connue reliant ce signal à cette valeur, caractérisé en ce que les-première et seconde opérations sont effectuées en utilisant un capteur qui comprend au moins un transistor à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle (TEGFET), comportant un drain, une source et une grille. 6. Procédé suivant la revendication 5, applicable au cas où les conditions de mesure de ladite pression hydrostatique évoluent, notamment par variation de cette pression elle-meme ou par variation de la température, au voisinage de conditions de mesure moyennes, caractérisé en ce que, pour ces conditions de mesure moyennes, le potentiel de grille est ajusté à une valeur à peine supérieure à la tension de seuil du transistor, et la tension drain-source à une valeur supérieure à la différence entre la tension de grille et la tension de seuil, de telle sorte que le transistor fonctionne en régime de saturation. 7. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la première opération consiste essentiellement à soumettre à la pression hydrostatique à mesurer un ensemble de transistors à effet de champ et à distribution électronique bidimensionnelle intégrés à un oscillateur en anneau, et en ce que ladite troisième opération consiste essentiellement à recueillir un signal de fréquence représentatif de la pression à mesurer.