Brevet FR2626407A1 — publié le 19890728

TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A HETEROJONCTION La présente invention concerne un transistor à effet de champ à hétérojonction, et elle porte plus particulière- ment sur un transistor à effet de champ dont les propriétés de vitesse sont améliorées. Les transistors à effet de champ à hétérojonction sont connus dans l'art antérieur, et des dispositifs rapides comportent deux semiconducteurs ayant des bandes interdites différentes, qui sont disposés de façon à produire un gaz d'électrons bidimensionnel à l'interface de l'hétérojonction. Le gaz d'électrons améliore la vitesse de fonctionnement du dispositif, et on l'obtient en introduisant des impuretés dans celui des deux semiconducteurs formant l'hétérojonction qui a la bande interdite la plus large, de façon que la cou- che correspondante devienne une couche de matériau de type n. La figure 3 représente un exemple d'un tel transis- tor à effet de champ à hétérojonction de l'art antérieur. Sur cette figure, une couche de canal 12 consiste en GaAs, et une couche de source d'électrons, consistant en AixGa xAs de type n, 11, est formée sur le substrat en GaAs. L'hétérojonc- tion qui est ainsi formée produit un gaz d'électrons bidimen- sionnel 4 à l'interface entre la couche de canal 12 et la couche de source d'électrons 11. Une électrode de source 5, une électrode de grille 6 et une électrode de drain 7 sont formées aux positions appropriées sur la couche de source d'électrons 11, avec des interconnexions appropriées asso- ciées aux électrodes pour la connexion dans un circuit. La figure 4 montre une structure de bandes d'énergie du transistor à effet de champ à hétérojonction de la figure 3. On voit que l'hétérojonction GaAs/AlxGalxAs de type n présente une bande interdite A EC relativement large, qui est souhaitable dans un tel dispositif pour que les électrons provenant du matériau donneur dans la couche 11 produisent un gaz d'électrons juste au-dessous du niveau de Fermi de la couche de canal 12. Si la bande d'énergie interdite AEc est trop faible, les électrons du gaz d'électrons bidimensionnel retournent vers la bande de conduction du matériau donneur ou de source. Par conséquent, une bande interdite plus large maintient les électrons dans le gaz d'électrons bidimension- nel, dans lequel ils peuvent remplir la fonction de porteurs dans le canal. Pour les raisons précédentes, on utilise habituelle- ment le matériau Al xGa xAs dopé pour le niveau donneur et le matériau GaAs pour la couche de semiconducteur non dopée sous- jacente, du fait que l'AlGaAs a une bande interdite plus lar- ge que le GaAs. Dans une telle structure, la couche 11 con- sistant en AlGaAs de type n remplit la fonction de la couche de source d'électrons, et la couche de GaAs non dopée remplit la fonction de la couche de canal. Pour améliorer les performances en haute fréquence d'un transistor à effet de champ à hétérojonction ayant la même taille d'éléments, il est avantageux de réduire la ré- sistance parasite grille-source Rs. La résistance parasite grille-source Rs d'un transistor à effet de champ à hétéro- jonction est représentée par la somme de la résistance de contact de source Ro et de la résistance du canal grille- co source Rsg. RR + Rs (1) s co SG (1) Du fait que la résistance de contact de source Rco est rela- tivement faible en comparaison avec la résistance du canal grille-source Rsg, on peut négliger la résistance de contact Rco et, dans le but de réduire Rs, on cherche essentiellement à réduire RSg. La résistance du canal grille-source Rsg est sg sg représentée par l'expression suivante: L =sg (ú) (2) sg ns q. wgt dans laquelle ns représente la concentration bidimensionnelle d'électrons, p représente la mobilité des électrons, Wgt re- présente la largeur de grille, Lsg représente l'écartement sg grille-source, et q représente la charge électrique élémen- taire. On voit donc que pour réduire Rsg pour une structure d'une taille donnée (c'est-à-dire que Lsg/w gt est constant), il est nécessaire d'augmenter la concentration bidimension- nelle des électrons ns, et/ou la mobilité p. La concentra- tion bidimensionnelle des électrons, ns, dans le dispositif de l'art antérieur est représentée approximativement par l'expression suivante: ns (2 g N a E/ q) (3) dans laquelle A E représente la discontinuité d'énergie de c la bande de conduction entre l'AlxGa lxAs de type n et le GaAs, N représente la concentration de porteurs du matériau AlGaAs de type n, et C représente la permittivité du matériau AlxGa _xAs de type n. On voit donc que dans le but d'augmen- ter la concentration bidimensionnelle des électrons, ns, il est nécessaire d'augmenter la concentration des porteurs N ou la discontinuité d'énergie de la bande de conduction AEc, ou les deux. En considérant maintenant plus particulièrement la mobilité p du gaz bidimensionnel d'électrons, on note que cette mobilité est représentée approximativement par l'ex- pression suivante: 1 1 1 + - (4) d PL Pin dans laquelle PL est déterminé par la vibration du réseau cristallin du matériau du canal dans lequel le gaz d'élec- trons bidimensionnel est produit, et augmente de façon géné- rale avec la diminution de la masse effective du matériau, à une température constante. Le facteur pi représente la mo- bilité qui est due à la diffusion d'impuretés ionisées, et ce facteur augmente avec la diminution de la concentration en impuretés et avec la diminution de l'interaction coulom- bienne à une température constante. pi est donc déterminé par la concentration ionique dans le GaAs non dopé et par l'in- teraction coulombienne entre le gaz d'électrons bidimension- nel et les ions dans l'AlxGa lxAs de type n. Au moins deux problèmes principaux apparaissent lorsqu'on tente de réduire la résistance du canal grille- source dans la structure de l'art antérieur décrite ci- dessus. En premier lieu, dans l'hétérojonction. GaAs/AlxGa xAs de type n, des donneurs qui sont introduits dans la couche d'AlxGa xAs se comportent comme des niveaux profonds (centres DX) ainsi que comme des donneurs de ni- veaux superficiels. Les donneurs de niveaux ------------- superficiels fournissent le gaz d'électrons bidimensionnel. Les électrons qui occupent des centres DX ne peuvent pas remplir la fonction de porteurs libres, du fait que le niveau d'énergie des centres DX est situé plus loin de la bande de conduction. Secondement, la discontinuité A E de la bande de c conduction augmente avec la proportion d'Al, soit x, dans AlxGal As. Cependant, lorsque x augmente, la proportion de donneurs qui remplissent la fonction de centres DX et l'éner- gie d'activation des donneurs augmentent également, et la concentration de porteurs N est réduite, au même niveau de dopage. Il n'est donc pas possible d'augmenter seulement iAE de façon indépendante, et à une certaine valeur de la c discontinuité de la bande de conduction A Ec, le produit de la concentration de porteurs N et de la discontinuité de la bande de conduction A E atteint le maximum au même niveau de c35 dopage. Le maximum de E est habituellement d'environ 0,3 dopage. Le maximum de LEc est habituellement d'environ 0,3 eV. Lorsque t E est d'environ 0,3 eV, la valeur maximale de c la concentration des donneurs de niveaux superficiels qui sont introduits dans la couche d'AlxGalx As est d'environ 18 -3 1 x 10 cm, et la valeur maximale de la concentration bi- dimensionnelle d'électrons n qui est déterminée sur la base s12 -2 de l'expression (3) est alors d'environ 2 x 1012 cm Les raisons précédentes font qu'il n'a pas été pos- sible de réduire davantage la résistance parasite, et donc d'augmenter les performances en haute fréquence, du transis- tor à effet de champ à hétérojonction de l'art antérieur. Compte tenu de ce qui précède, un objectif général de l'invention est d'améliorer encore davantage les performances en haute fréquence d'un transistor à effet de champ à héto- rojonction. Pour atteindre cet objectif, un but de l'invention est de minimiser la résistance source-drain d'un transistor à effet de champ, tout en augmentant la concentration et la mobilité des porteurs dans le canal. L'invention procure un transistor à effet de champ à hétérojonction qui comporte une couche de canal, une couche de source de porteurs et une couche d'écartement intermé- diaire qui est intercalée entre la couche de canal et la couche de source de porteurs. La couche de source de porteurs a une densité de porteurs de charge qui est supérieure à cel- le qui est disponible dans l'AlGaAs de l'art antérieur. De plus, la couche de source de porteurs contient un minimum de porteurs de niveaux profonds, ce qui procure une majorité de porteurs de niveaux superficiels, pour créer un gaz d'élec- trons bidimensionnel. Parmi les trois couches qui constituent le transistor à effet de champ à hétérojonction, le canal a la plus grande affinité pour les électrons. De plus, la cou- che de canal a une mobilité des porteurs qui est supérieure à celle qu'on peut obtenir dans l'art antérieur. La couche d'écartement qui est intercalée entre la couche de source de porteurs et la couche de canal comprend des moyens destinés à réduire l'interaction coulorbienne entre les porteurs bidi- mensionnels dans la couche de canal et les ions dans la cou- che de source de porteurs. De plus, la couche d'écartement consiste en un matériau qui augmente la discontinuité effec- tive de la bande de conduction AEc entre la couche de source de porteurs et la couche de canal. Le résultat consiste en une amélioration du fonctionnement à vitesse élevée, du fait de la plus faible résistance source-grille. Dans le mode préféré de mise en oeuvre de l'inven- tion, la couche de canal consiste en InGaAs, la couche de source de porteurs consiste en GaAs dopé avec le type n, et la couche d'écartement consiste en une couche d'AlGaAs dont la composition varie progressivement, qui réduit l'interac- tion coulombienne et augmente la discontinuité effective de la bande interdite entre le canal qui achemine les électrons et la couche de source de porteurs qui contient les ions po- sitifs cui ont fourni les électrons à la couche de canal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma montrant un transistor à effet de champ à hétérojonction qui constitue un exemple de l'invention; La figure 2 est un schéma montrant une structure de bande d'énergie interdite du transistor à effet de champ à hétérojonction de la figure 1; La figure 3 est un schéma montrant un transistor à effet de champ à hétérojonction de l'art antérieur; et La figure 4 est un schéma d'une structure de bande d'énergie interdite du transistor à effet de champ à hétéro- jonction de la figure 3. En considérant maintenant la figure 1, on voit un transistor à effet de champ qui exemplifie l'invention. Le transistor à effet de champ est formé sur un substrat 2 qui dans le mode de réalisation préféré, consiste en In yGa yAs non dopé.- Comme il apparaîtra davantage par la suite, la cou- che de substrat non dopé remplit la fonction d'un canal, et elle forme une couche 4 d'un gaz d'électrons bidimensionnel qui a pour fonction d'assurer la conduction dans le disposi- tif. Une couche de source de porteurs 1, qui consiste en GaAs de type n dans le mode de réalisation préféré, fournit des porteurs, qui sont des électrons dans le mode de réali- sation présent, ayant une concentration relativement élevée et ayant un minimum de donneurs de niveaux profonds ou DX. Bien que la couche de source de porteurs consistant en GaAs puisse avoir une concentration de porteurs élevée et un mi- nimum de porteurs de niveaux profonds, on considère que la discontinuité de bande interdite du GaAs par rapport- à l'InGaAs n'est pas suffisamment élevée pour rendre un tel dispositif intéressant. Dans la mise en oeuvre de l'inven- tion, on incorpore une couche supplémentaire 3 entre la couche de canal2 et la couche de source de porteurs 1 pour ré- duire l'interaction coulombienne entre les porteurs et les ions, et pour renforcer la discontinuité de la bande inter- dite entre le GaAs et l'InGaAs, afin de restreindre ainsi la recombinaison des porteurs. Pour minimiser les barrières de potentiel, la couche d'écartement 3 présente une bande interdite du type à variation progressive, avec la concen- tration en aluminium égale à 0% en position adjacente à la couche de source de porteurs en GaAs, et cette concentration s'élevant jusqu'à son maximum à la jonction avec la couche de canal. Grâce à l'hétérojonction et comme le montre la fi- gure 1, un gaz d'électrons bidimensionnel 4 est produit à l'interface entre la couche de canal 2 et la couche d' écartement 3. Une électrode de source 5, une électrode de grille 6 et une électrode de drain 7 sont formées aux posi- tions exigées sur la couche de source d'électrons 1. Dans ce mode de réalisation, on utilise pour la couche de source d'électrons du GaAs de type n. du fait qu'il s'agit d'un matériau qui permet une augmentation nota- ble de la concentration de porteurs, sans produire des ni- veaux profonds. La concentration de porteurs maximale de cette couche de GaAs de type n s'élève jusqu'à 5 x 1018 cm-3, alors que celle de l'AlGaAs de type n n'est que de 1 x 1018 -3 cm, comme décrit en relation avec la figure 3. En outre, on utilise pour la couche de canal le matériau InyGa yAs non dope, qui produit une discontinuité de la bande de con- duction avec la couche de GaAs de type n fournissant des électrons. Dans cette couche non dopée consistant en InyGa1 yAs, il est possible d'augmenter la mobilité des porteurs d'environ 20% par rapport à la couche de canal de l'art antérieur qui consiste en GaAs. En outre, dans ce mode de réalisation, une couche d'écartement 3 en AlxGal_ As non dopé, ayant une bande interdite du type à variation progres- sive, est incorporée entre la couche de source d'électronsl et la couche de canal 2, dans le but de réduire l'interaction coulombienne entre le gaz d'électrons'bidimensionnel dans le canal et les ions dans la couche de source d'électrons. De plus, la couche d'écartement a pour fonction d'augmenter la discontinuité effective A E entre la couche de canal et la c couche de source d'électrons. La proportion x qui intervient dans la composition de cette couche 3 est fixée à sa valeur maximale à la jonction avec la couche de canal 2 en InyGa1_yAs, et elle est fixée à 0 à la surface de jonction avec la couche de source d'électrons 1 en GaAs, ce qui donne une bande d'énergie interdite de type incliné ou à variation progressive. En incorporant cette couche d'espacement 3, on peut augmenter jusqu'à environ 0,5 eV la discontinuité de la bande de conduction AEc entre la couche de source d'élec- trons 1 et la couche de canal 2, alors que la discontinuité n'est que d'environ 0,3 eV entre AlxGa1 As et GaAs. La concentration bidimensionnelle d'électrons n dans la structure de transistor effet de champ à hétéro-s dans la structure de transistor à effet de champ à hétéro- jonction de ce mode de réalisation est représentée par l'expression suivante: VN12 2 N__E Ec _E n5S 2{ q N+Ec N (5) ns 2+ q e2 dans laquelle N représente la concentration de porteurs de la couche de source de porteurs en GaAs, 1 représente l'épaisseur de la couche d'écartement en AlxGa lxAs non dopé, ú1 et E2 représentent respectivement la permittivité du GaAs et du AlxGa xAs, et q représente la charge électrique élémentaire. 18 -3 Lorsque N = 3 x 10 cm t Ec = 0,35 eV, et c 12 -2 1/ E2 1,03, ns devient presque égal à 2,9 x 1012 cm 2, ce qui procure une augmentation de ns de 1,5 fois par rapport au dispositif de l'art antérieur. Les valeurs de n et de p qu'on obtient par le cal- cul décrit ci-dessus, pour produire l'hétérojonction GaAs de type n/Al Ga1 As/InyGa1 As, sont les suivantes: ns = 1 2 -1 1 2,8 x 10 cm-2 et u = 8000 cm v 1 s. Ces valeurs rédui- sent approximativement de moitié la résistance Rsg, en compa- raison avec l'élément habituel à hétérojonction AlxGa xAs de type n/GaAs qui présente les valeurs suivantes: n = 2 x 1012 cm- 2 et u = 6000 cm2 v 1 s, comme il résulte de la formule (2). Lorsqu'on utilise le transistor à effet de champ à hétérojonction de ce mode de réalisation à la place d'un dispositif ayant la même structure, c'est-à-dire la même longueur de grille, le même écartement d'électrodes, et la même largeur de grille, et ayant un facteur de bruit de 1,0 dB à 12 GHz avec l'élément à hétérojonction AlxGa lxAs de type n/GaAs habituel, son facteur de bruit devient égal à 0,85 dB, ce qui montre une réduction de bruit de 0,15 dB. Dans le transistor à effet de champ à hétérojonction de ce mode de réalisation, on utilise pour la couche de sour- ce d'électrons du GaAs de type n, qui n'est pas susceptible de produire des niveaux profonds (centres DX), même par do- 1 0 page. On utilise de l'InyGa _yAs non dopé pour la couche de canal, pour permettre ainsi une augmentation de la disconti- nuité de la bande de conduction à Ed entre la couche de canal et la couche de source d'électrons. La couche de source d'électrons est également formée de façon à avoir une valeur élevée de mobilité bidimensionnelle des porteurs, et la pré- sence d'une couche d'écartement consistant en AlxGal xAs non dopé permet de réduire l'interaction coulombienne entre les électrons bidi- mensionnels dans la couche de canal et les ions bidimensionnels dans la couche de source d'électrons.De plusla couche d'écartement augmente éga- lement la discontinuité effective de la bande de conduction AEc entre la couche de source d'électrons et la couche de canal. Il est donc possible d'augmenter la discontinuité ef- fective A E sans diminuer la concentration des porteurs dans la couche de source d'électrons, et il est donc possible d'augmenter la concentration bidimensionnelle des électrons. La résistance parasite est donc encore réduite davantage, et le facteur de bruit du dispositif est considérablement réduit. En comparant la figure 2, conforme à l'invention, avec la figure 4 qui est conforme à l'art antérieur, on voit maintenant que la concentration de donneurs de niveaux su- perficiels dans le GaAs dopé avec le type n n'est pas aussi élevée que dans l'art antérieur, mais la discontinuité de la bande interdite d'énergie L Ec est considérablement augmentée grâce à la couche d'écartement en AlxGa1 xAS, ce qui fait que l'invention procure une valeur plus élevée de A Ec. Comme in- diqué ci-dessus, une telle augmentation de AEc a tendance à augmenter la densité du gaz d'électrons bidimensionnel juste au-dessous du niveau de Fermi dans le canal, ce qui réduit notablement la résistance sourcegrille et améliore ainsi le fonctionnement à des fréquences élevées. Dans le mode de réalisation qu'on vient de décrire, on utilise une structure GaAs de type n/AlxGalxAs/InyGaiyAs comprenant trois matériaux différents, pour constituer un transistor à effet de champ à hétérojonction, mais on peut également utiliser avec des effets similaires à ceux décrits ci-dessus d'autres combinaisons telles que InP de type n/ Alx In1 xAs/GayIn 1_yAs, InxGalyAlyAs de type n/AlzGa zAs non dopé/InGaAs non dopé, InxGa1yl1AlylAs de type n/ InxGa 1y2A.As/InGaAs (y2 > y1), GaAs de type n/ZnSe/InGaAs, ou GaAs de type n/ZnS/InGaAs. Comme il ressort clairement de la description qui précède, un transistor à effet de champ à hétérojonction conforme à l'invention est constitué par une couche de source d'électrons consistant en un matériau qui n'est pas suscep- tible de produire un niveau profond, même par dopage, et par une couche de canal qui consiste en un matériau permettant d'augmenter la discontinuité d'énergie de la bande de conduc- tion A E entre cette couche et la couche de source d'élec- trons. La couche de canal ------------ est conçue de façon à avoir une mobilité élevée, et il existe une couche d'écarte- ment qui est intercalée entre la couche de canal et la couche de source d'électrons et qui consiste en un matériau qui per- met de réduire l'interaction coulombianne entre les électrons bidi- mensionnels dans la couche de canal et les ions bidimensionnels dans la couche de source d'électrons, ainsi que d'augmenter la dis- continuité effective a E entre la couche de source d'élec- c trons et la couche de canal. Il en résulte que la résistance parasite est encore réduite davantage, et le facteur de bruit du dispositif peut être réduit dans une large.mesure. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sor- tir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ à hétérojonction, ca- ractérisé en ce qu'il comprend: une couche de canal (4) et une couche de source de porteurs (1) séparées par une couche d'écartement (3); la couche de source de porteurs (1) four- nissant des porteurs avec une densité de porteurs de charge supérieure à celle de l'AlGaAs, et les porteurs comprenant un nombre minimal de porteurs correspondant à des niveaux profonds; parmi les trois couches qui constituent le transis- tor à effet de champ à hétérojonction, la couche de canal (4) présente la plus grande affinité pour les électrons; et la couche d'écartement (3) est intercalée entre la couche de source de porteurs (1) et la couche de canal (4), et elle comprend des moyens destinés à réduire l'interaction coulom- bienne entre les porteurs bidimensionnels dans la couche de canal (4) et les ions dans la couche de source de porteurs (1), la couche d'écartement (3) consistant en un matériau qui augmente la discontinuité effective de la bande de con- duction A E entre la couche de source de porteurs (1) et c la couche de canal (4). 2. Transistor à effet de champ selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche de canal (4) consiste en InyGa1lyAs, la couche d'écartement (3) consiste en AlXGa1 xAs, et la couche de source de porteurs (1) consiste en GaAs dopé. 3. Transistor à effet de champ selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que le GaAs dopé consiste en GaAs de type n, et la couche d'écartement (3) consiste en AlxGa lxAs non dopé. 4. Transistor à effet de champ selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la concentration de porteurs est au moins de 4 x 1018 cm3. 5. Transistor à effet de champ selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la couche d'écartement (3) présente une bande interdite à variation progressive, dont la concentration varie pratiquement depuis 0% d'aluminium à la jonction avec la couche de source de porteurs (1),jusqu'à la propor- tion maximale, x, pour la concentration en aluminium, à la jonction avec la couche de canal (4). 6. Transistor à effet de champ à hétérojonction, caractérisé ence qu'il comprend:une couche de canl en InyGa yAs (4) et une couche de source de porteurs GaAs (1), séparés par une couche d'écartement (3) en AixGa 1xAs; la couche de sour- ce de porteurs en GaAs (1) ayant une densité de porteurs de charge qui est supérieure à celle de l'AlGaAs, et un nombre minimal de porteurs de niveaux profonds;lacaxiedecanal en In Ga As y 1-y (4) ayant la plus grande affinité pour les électrons, parmi les trois couches; et la couche d'écartement en AlxGa lxAs (3) étant intercalée entre la couche de source de porteurs (1) et la couche de canal (4), et ayant une épaisseur suffi- sante pour réduire l'interaction coulombienne entre des por- teurs bidimensionnels dans la couche de canal (4) et des ions dans la couche de source de porteurs (1), la couche d'écartement en AlxGa _xAs (3) consistant en un matériau qui augmente la discontinuité effective de la bande de conduction A Ec entre la couche de source de porteurs (1) et la couche de canal (4). 7. Transistor à effet de champ selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que la couche d'écartement (3) présente une bande interdite de type à variation progressive, variant pratiquement depuis une concentration en aluminium de 0% à la jonction avec la couche de source de porteurs (1), jusqu'à un pourcentage maximal x pour la concentration en aluminium à la jonction avec la couche de source de canal (4).