Brevet FR2646290A1 — publié le 19901026

Composant semiconducteur de type MESFET à bétérojonction pseudomozphique La présente invention concerne un composant semiconducteur du type MESFET à hétérojonction pseudomorphique. Les composants semiconducteurs à hétérojonction utilisent la discontinuité de bande de conduction entre un matériau semiconducteur III-V binaire et un matériau semiconducteur III V ternaire. Par matériau semiconducteur III-V binaire , on entendra un matériau semiconducteur constitué par un composé associant un élément du groupe atomique III (A1, Ga, In) à un élément du groupe atomique V (P, As, Sb). Dans la suite de la description, on se référera essentiellement à l'arséniure de gallium GaAs qui est actuellement le matériau semiconducteur III-V binaire le plus répandu, mais l'utilisation de ce matériau ne doit pas être considérée comme limitative, d'autres composés (par exemple InP) pouvant être également envisagés. Par matériau semiconducteur III-V ternaire , on entendra un alliage de deux matériaux semiconducteurs 111-V binaires, en particulier (mais de façon non limitative) GaInAs qui est un alliage GaAs + InAs, Galas qui est un alliage GaAs + MAs et MinAs qui est un alliage MAS + InAs. On notera que la composition de ces alliages peut varier en fonction de la teneur des différents éléments entrant dans leur composition. Ainsi, par exemple GaInAs constitue en fait une famille d'alliages de type Gal xInxAs, x pouvant varier entre 0 et 1 et étant désigné teneur en indium du matériau.La variation de la composition modifiera aussi bien les propriétés cristallographiques que les propriétés électroniques (notamment la mobilité électronique) de l'alliage. Les composants semiconducteurs de type MESFET à hétérojonction ont la structure générale illustrée figure 1 : sur un substrat semi-isolant 4 de GaAs, on forme une couche non dopée I d'un matériau à petite bande interdite tel que GaAs, puis une couche dopée n 3 d'un matériau à grande bande interdite tel que GaMAs. Le contact ohmique de grille G est pris sur cette couche 3 de GaA1As, et les contacts ohmiques de drain D et de source S sont pris, de part et dtautre du contact de grille G, par l'intermédiaire d'une couche 5 de GaAs fortement dopée n+. Les différentes couches successives sont formées par épitaxie. On notera que GaMAs présente la propriété, quelle que soit sa teneur en aluminium (donc pour tous les alliages de la famille) d'avoir même maille atomique que GaAs. Ceci permet la formation entre ces deux matériaux adaptés d'une hétérojonction d'excellente qualité, dépourvue de dislocations qui autrement auraient apparu du fait de la différence de maille. Ces transistors sont souvent désignés dans la littérature sous la terminologie TEGFET (Two-dimens~on Electron Gas Fieid- Effect Transistor: transistor à effet de champ à gaz d'électrons sur deux dimensions) ou HEMT (High Electron Mobility Transistor: transistor à grande mobilité électronique). Leur structure de bande est celle illustrée figure 2 : on voit qu'à l'interface entre GaAlAs et GaAs apparaît une discontinuité d'amplitude A qui permet aux électrons d'être piégés dans la vallée V1 où ils se concentrent sous forme d'une nappe bidimensionnelle (d'où le nom de (gaz d'électrons ). Du fait de la discontinuité, les électrons piégés dans cette vallée V1 ne voient plus les donneurs dans la vallée V2, ce qui leur donne une forte mobilité, d'où une vitesse élevée et un temps de transit plus court sous la grille. Ceci permet d'avoir une fréquence de coupure plus élevée et un courant de canal plus important. Pour accroître encore ces caractéristiques grâce à une discontinuité de bande plus importante, il a été proposé d'ajouter (figure 3) entre la couche 1 de GaAs et la couche 3 de GaAlAs une couche 2 de GaInAs, qui permet d'exploiter les propriétés de transfert meilleures dans GaInAs que dans GaAIAs. On obtient ainsi (figure 4) une discontinuité A plus grande avec corrélativement, une mobilité et une vitesse électronique plus importante et donc une fréquence de coupure et un courant de canal plus important (en raison de l'augmentation du nombre d'électrons transférables). Cependant, une difficulté apparaît du fait que GaInAs n'a pas la même maille atomique que GaAs, ce qui produirait donc normalement des dislocations rédhibitoires au niveau de l'interface GaAs/GaInAs. Pour éviter ces dislocations, on ne forme qu'une très fine couche de GaInAs, que lton va épitaxier dans des conditions permettant de faire subir au réseau atomique une déformation élastique qui va contraindre le matériau de cette fine couche en forçant sa maille à une dimension comparable à celle de GaAs pour éviter l'apparition de dislocations. On parle ainsi de matériau contraint ou matériau pseudomorphe et de composant à hétérojonction pseudomorphique . C'est à cette catégorie de composants qu'appartient l'invention. L'invention a pour objet de remédier aux limitations de ces composants à hétérojonction pseudomorphique. En effet, pour que l'interface entre les deux matériaux soient pratiquement dépourvue de dislocations, il est essentiel que l'on n'ait qu'une faible épaisseur de GaInAs ; autrement apparaîtraient des problèmes de croissance épitaxiale conduisant à des dislocations, et GaInAs ne serait plus pseudomorphe. Cette épaisseur critique de GaInAs dépend en fait de la teneur en indium, comme représenté schématiquement sur la figure 5 : sur cette figure, on a porté en abscisse la teneur en indium et en ordonnée l'épaisseur critique maximale pour que la couche soit pseudomorphe, la zone hachurée correspondant donc à la présence inévitable de dislocations. De ce fait, on se trouve face à un compromis entre une mobilité élevée (la discontinuité de bande et donc la mobilité électronique augmentant avec la teneur en indium) et une épaisseur minimale de la couche de GaInAs (cette épaisseur diminuant avec la teneur en indium) pour que la fonction d'onde puisse agir. En pratique, dans les structures réalisées jusqu'à présent, on n'a guère dépassé une teneur en indium de l'ordre de 15 à 25 %, ce qui ne permet pas d'utiliser pleinement les avantages de GaInAs pour la réalisation de transistors à hétérojonction. La présente invention a pour objet de remédier à ces limitations, en proposant un composant qui permette de profiter pleinement des propriétés - de AnInAs sans en avoir les inconvénients. Comme on le verra, on pourra, par rapport aux composants connus, accroître fortement la discontinuité de bande entre GaInAs et MInAS, ce qui permettra d'obtenir à la fois un transfert électronique important et une fuite de grille faible, car il sera possible d'utiliser dans cette structure un GaAlAs à forte concentration d'aluminium. Comme on l'indiquera, cette double caractéristique est particulièrement intéressante pour la réalisation de transistors de puissance. Le composant de l'invention est du type précité, c'est-àdire dans lequel la jonction est formée d'une première couche d'un matériau semiconducteur III-V binaire, d'une seconde couche d'un matériau semiconducteur I V ternaire et d'une troisième couche d'un matériau semiconducteur III-V ternaire, le matériau de la seconde couche présentant une mobilité électronique plus élevée que celle du matériau de la troisième couche, étant naturellement de maille atomique différente de celle de la première couche et de la troisième couche, et étant épitaxié sur la première couche de manière à former sur celle-ci une couche pseudomorphe. Selon l'invention, il est prévu, entre la seconde et la troisième couche, un plan intercalaire de très faible épaisseur d'un matériau semiconducteur III-V ternaire dopé, différent de celui des autres couches, dont la composition est choisie de manière que sa maille atomique soit sensiblement la même que celle du matériau de la seconde couche. Typiquement, le matériau de la première couche est GaAs, le matériau de la seconde couche est GaInAs, le matériau de la troisième couche est GaAlAs et le matériau du plan intercalaire est MinAs. Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses: ~l'épaisseur du plan intercalaire est comprise entre 2 et 10 nm et l'épaisseur totale de la seconde couche et du plan intercalaire est comprise entre 10 et 35 nm environ; - il est prévu un autre plan intercalaire, dopé ou non dopé, de même nature que le premier, entre la première et la seconde couche; ~la concentration en In de GaInAs est comprise entre 10 et 50 % environ et la concentration en A1 de GaAlAs et MInAs est comprise entre 10 et 50 % environ. @ On va maintenant donner un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. Les figures 1 et 2, précitées, montrent respectivement la structure générale d'un transistor MESFET à hétérojonction et l'allure de la bande de conduction correspondante. Les figures 3 et 4 sont homologues des figures 1 et 2, pour un transistor MESFET à hétérojonction pseudomorphique. La figure 5, également précitée, montre les variations de l'épaisseur critique de la couche pseudomorphe en fonction de la teneur en indium du matériau qui la constitue. La figure 6 est homologue de la figure 3, pour le composant selon l'invention. La figure 7 est une variante de réalisation, dans laquelle la configuration des couches du comosant de la figure 6 a été inversée. Les figures 8 et 9 sont homologues des figures 6 et 7, pour une variante perfectionnée de l'invention. La figure 10 montre l'allure de la bande de conduction de la structure selon l'invention illustrée sur la figure 6 ou 7. On notera que, sur les figures 1, 3, 6, 7, 8 et 9, les mêmes références numériques (1 à 7) désignent des couches fonctionnellement homologues. On notera par ailleurs que, pour la clarté des figures, les épaisseurs relatives des différentes couches n'ont pas été respectées (on donnera plus bas différentes valeurs préférentielles), ni les proportions des niv#eaux d'énergie correspondant aux diagrammes de bande. o Sur la figure 6, on a illustré la structure du composant semiconducteur de l'invention (ici, un transistor), qui est du même type que celle précédemment décrite à propos de la figure 3, c'est-àdire qu'il s'agit d'un transistor MESFET à hétérojonction pseudomorphique. Sur un substrat semi-isolant 4 de GaAs, on forme tout d'abord une couchel de GaAs non dopée ; par couche non dopée , on entendra, ici et dans la suite, une couche non intentionnellement dopée, c'est-à-dire à laquelle on n'a ajouté aucune dopant, donc dont la densité des impuretés n'a pas été modifiée par rapport aux caractéristiques intrinsèques du matériau initialement obtenu. Sur cette couche 1 de GaAs, on fait croître une couche contrainte (pseudomorphe) 2 de GaInAs non dopée, par exemple une couche de l'ordre de 15 nm d'épaisseur, avec une teneur en indium de l'ordre de 15 96. Ensuite, de façon caractéristique de l'invention, on fait croître sur cette couche de GaInAs contrainte un plan intercalaire 6 de très faible épaisseur de MInAs dopé, sur lequel on fait ensuite croître la couche de GaMAs 3 dopée n, qui a par exemple une épaisseur de 40 nm et une teneur en aluminium de 50 %. Le contact ohmique de grille G est pris directement sur cette couche 3, tandis que les contacts ohmiques de drain D et de source S sont pris par l'intermédiaire d'une dernière couche 5 de GaAs fortement dopée n+ permettant de réaliser la prise de contact de part et d'autres du canal. La couche 6 de MinAs selon l'invention est une couche de très faible épaisseur, c'est-à-dire d'épaisseur comprise entre 1 et 20 nm, typiquement de l'ordre de 5 nm, valeur correspondant sensiblement à l'épaisseur d'un plan moléculaire. Ce plan moléculaire de MinAs peut notamment être réalisé par les techniques connues sous le nom de dopage planas. ou delta-dopage > (8-dopage), et décrites notamment par C. F. C. Wood, G. Metze, J. Berry et L. F. Eastman dans le Journal of Applied Physics, n0 51, page 383 (1980), ainsi que par K. Ploog dans le Journal of Crystal Growth, n0 81, page 304 (1987). En ce qui concerne l'épaisseur et la composition de cette couche, les paramètres essentiels sont: ~l'épaisseur totale a des couches 2 et 6, qui doit rester dans les limites d'une épaisseur critique donnée, et - la teneur en indium de AlInAs, qui doit être telle que, du point de vue de la maille atomique, MinAs ait pratiquement la même maille que la couche de GaInAs voisine (les teneurs en In pouvant être éventuellement différentes dans la couche de MinAs et dans la couche de GaInAs). On notera que cette couche de MInAS doit être dopée pour éviter que les électrons ne s'accumulent au même endroit. L'allure de la bande de conduction correspondante est celle illustrée figure 10, où l'on voit que la discontinuité A de l'hétérojonction est plus accentuée que dans le cas de la figure 4, correspondant à un transistor à hétérojonction pseudomorphe de l'art antérieur. Comme indiqué plus haut, cet accroissement de la discontinuité permet à la fois d'élever la fréquence de coupure du transistor et d'augmenter le courant de canal qu'il peut supporter. Sur la figure 7, on a représenté une variante de la figure 6 correspondant à une structure inversée, c'est-à-dire dont les couches 1, 2, 3 et 6 constituant l'hétérojonction sont disposées dans l'ordre inverse de celui des mêmes couches de la figure 6 ; le composant est fonctionnellement semblable par ailleurs. Sur les figures 8 et 9, on a illustré un perfectionnement de la structure des figures 6 et 7, respectivement : on a ajouté à ces srtuctures, entre la couche de GaInAs et la couche de GaAs, un autre plan intercalaire 7, de même nature que le plan 6 mais qui n'est pas nécessairement dopé. Ce plan intercalaire supplémentaire présente un double avantage: - tout d'abord, il permet d'augmenter encore le courant de canal; ~par ailleurs et surtout, il permet de réduire l'effet de déconfinement, c'est-à-dire l'effet produit par le champ électrique dans la dimension transversale du canal (c'est-à-dire la direction du courant qui y circule): en effet, cette composante de champ électrique modifie la caractéristique de bande de conduction en provoquant un déconfinement > des électrons piégés dans la vallée au pied de la discontinuité : un courant de canal élevé diminue ainsi les avantages procurés par la discontinuité, notamment en abaissant la fréquence de coupure.Au contraire, la seconde couche intercalaire 7 vient renforcer le piégeage des électrons dans le canal et réduire corrélativement cet inconvénient. On notera cependant que, l'épaisseur totale a des couches GaInAs/AlInAs doit, pour les raisons expliquées plus haut, rester inférieure à une valeur critique maximale, de sorte que l'addition d'une seconde couche intercalaire réduit d'autant l'épaisseur du canal. En ce qui concerne la réalisation de ce composant, les couches successives sont toutes réalisées par croissance épitaxiale, de manière elle-même bien connue. Parmi les techniques d'épitaxie qui se prêtent particulièrement bien à la réalisation du composant de l'invention (compte tenu notamment des contraintes de réalisation du ou des plan(s) de MInAs), on peut citer: ~l'épitaxie MBE (Molecular Beam Epitaxy : épitaxie par jet moléculaire); - l1épitaxie MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition : dépôt chimique en phase vapeur d'un organométallique) dite encore MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy : épitaxie en phase vapeur d'un organo-métallique), qui utilise comme source de gaz des radicaux organo-métalliques tels le tri(m)éthylgallium ou radicaux similaires. ~la technique dite MOMBE (Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy : épitaxie par jet moléculaire d'un organométallique), qui est une combinaison de deux techniques précédentes. L'invention s'applique à une très grande variété de domaines, parmi lesquels on peut citer les circuits logiques très rapides, les circuits haute fréquence et hyperfréquences, l'amplification bas niveau et bas bruit, et surtout les circuits de puissance (notamment les amplificateurs de puissance hyperfréquences), grâce à l'augmentation du courant de canal que permet l'invention, comme expliqué plus haut. Par ailleurs, bien que l'on ait décrit le composant semiconducteur de l'invention sous forme d'un transistor isolé, on peut aussi bien réaliser de la manière décrite d'autres composants plus complexes et/ou intégrés sur un même substrat. Les techniques d'intégration et d'épitaxie étant les mêmes que pour les transistors MESFET à hétérojonction classiques, l'application des enseignements de l'invention à des circuits complexes ne présente pas de difficulté supplémentaire particulière. REVENDICATIONS 1. Un composant semiconducteur de type MESFET à hétérojonction pseudomorphique, dans lequel la jonction est formée d'une première couche (1) d'un matériau semiconducteur III-V binaire, d'une seconde couche (2) d'un matériau semiconducteur III-V ternaire et d'une troisième couche (3) d'un matériau semiconducteur III-V ternaire, dans lequel le matériau de la seconde couche:: - présente une mobilité électronique plus élevée que celle du matériau de la troisième couche, - est naturellement de maille atomique différente de celle de la première couche et de la troisième couche, et ~est épitaxié sur la première couche de manière à former sur celle-ci une couche pseudomorphe, composant caractérisé en ce qu'il comporte, entre la seconde et la troisième couche, un plan intercalaire (6) de très faible épaisseur d'un matériau semiconducteur III-V ternaire dopé, différent de celui des autres couches, dont la composition est choisie de manière que sa maille atomique soit sensiblement la même que celle du matériau de la seconde couche. 2. Le composant semiconducteur de la revendication 1, dans lequel l'épaisseur du plan intercalaire est comprise entre 2 et îonm. 3. Le composant semiconducteur de la revendication 1, dans lequel l'épaisseur totale de la seconde couche et du plan intercalaire est comprise entre 10 et 35 nm environ. 4. Le composant semiconducteur de la revendication 1, comportant en outre un autre plan intercalaire (7), dopé ou non dopé, de même nature que le premier, entre la première et la seconde couche. 5. Le composant semiconducteur de l'une des revendications I à 4, dans lequel le matériau de la première couche est GaAs, le matériau de la seconde couche est GaInAs, le matériau de la troisième couche est GaAlAs et le matériau du plan intercalaire est MInAs. 6. Le composant semiconducteur de la revendication 5, dans lequel la concentration en In de GaInAs est comprise entre 10 et 50 % environ. 7. Le composant semiconducteur de la revendication 5, dans lequel la concentration en Al de GaAlAs est comprise entre 10 et 50 % environ. 8. Le composant semiconducteur de la revendication 5, dans lequel la concentration en A1 de MInAs est comprise entre 10 et 50 % environ.