Brevet FR2684807A1 — publié le 19930611

TRANSISTOR A PUITS QUANTIQUE A EFFET TUNNEL RESONNANT. La présente invention concerne uii transistor à puits quantique, à effet tunnel résonnant, ayant un faible courant de base et un gain élevé dans le domaine des hyperfréquences (plusieurs dizaines de gigahertz). Dans un dispositif semiconducteur, un puits quantique est formé par une structure à double barrière, ou double hétérojonction donc interne au corps du dispositif -, dans laquelle la couche du puits est très fine, 1 à 20 nm, et à petite bande interdite, et les deux couches barrières sont à large bande interdite Les porteurs de charges, les électrons de conduction par exemple, voient une énergie potentielle en forme de puits L'état énergétique le plus favorable est celui o les électrons sont dans le puits L'épaisseur de la couche du puits lui-même est suffisamment fine poutr qu'apparaissent des phénomènes quantiques, d'o l'appellation "puits quantique". Il est établi que le filtrage d'un flux d'électrons par des structures à puits quantiques entre deux contacts ohmiques conduit à des caractéristiques couirant-tension fortement non-linéaires L'exemple le plus spectaeculaire est celui de la diode double barrière à effet tunnel résonnant qui présente une résistance différentielle négative à température ambiante. Disposer d'un élément actif non linéaire à faible temps de réponse est intéressant pour les applications analogiques hyperfréquences et pour les applications logiques multi états ultra rapides. Alors que les effets d'interférences constructives à la base des effets résonnants peuvent être mis en application par une simple diode, une troisième électrode de commande est un élément favorable pour le développement des applications Il apparaît préférable que la commande soit faite directement dans le puits: dans ce cas on peut espérer réaliser un composant o les phénomènes physiques sont quasi instantanés el qui présente une très grande sensibilité en tension. Plusieurs types de transistors à puits quantiques sont connus, dont certains comportent une injection de porteurs par effet tunnel résonnant Dans ces transistors, la couche de matériau semiconducteur qui constitue le puits quantique n'est pas limitée latéralement, c'est à dire dans le plan de croissance du matériau, et cette couche s'étend sous les métallisations latérales de base, si la structure est verticale. Les porteurs de charges, injectés par effet tunnel depuis l'émetteur à travers la première barrière et la base, sont collectés seulement si leur énergie est suffisante pour franchir la seconde barrière du puits quantique au niveau du collecteur: les autres porteurs de charges se thermaliserit dans la base, et perdent de l'énergie. Ainsi, tandis que certains électrons énergétiques peuvent traverser la barrière vers le collecteur, d'autres électrons moins énergétiques restent dans le puits puisqu'ils ne peuvent pas franchir la deuxième barrière et s'écoulent latéralement vers la métallisation de base, augmentant le courant de base et diminuant le gain du transistor. L'invention consiste à empêcher que, dans un transistor à effet tunnel résonnant, des électrons ne puissent changer de niveau d'énergie dans la base, en vue de disposer d'un transistor à faible courant de base, grand gain et fréquence de coupure élevée Cet objectif est atteint en limitant les dimensions latérales des couches de matériaux semiconducteurs constituant le puits quantique de façon à y introduire les phénomènes de quantification latérale, qui existent déjà perpendiculairement au plan de croissance des dites couches Il apparaît alors que les niveaux d'énergie, connus sous le nom de sous-bandes, se subdivisent par quantification en états discrets: les relaxations entre états discrets sont moins faciles que les relaxations inter-sous-bandes, parce qu'un électron ne peut relaxer en émettant un phonon que si l'énergie de ce phonon est égale à l'énergie entre deux états Si les électrons ne peuvent plus relaxer dans le puits quantique, leur énergie devient suffisante pour franchir la seconde barrière du puits, vers le collecteur, ce qui diminue le courant de base et augmente le gain du transistor. La diminution des dimensions latérales du puits quantique n'est pas une simple mesure géométrique allant dans le sens de la densification des circuits intégrés C'est une mesure physique qui entraîne l'émergence de phénomènes quantiques et enferme une partie des couches du puits quantique dans une boite quantique, dans laquelle le mouvement des porteurs dans les trois dimensions et non plus seulement dans la direction selon l'épaisseur du puits est quantifié. De façon plus précise, l'invention concerne un transistor à puits quantique à effet tunnel résonnant, comportant au moins un puits quantique, constitué par une couche de matériau semiconducteur de faible bande interdite, compris entre deux barrières, constituées par deux couches de matériau semiconducteur à large bande interdite, les dites couches étant d'épaisseurs faibles de sorte qu'intervient une quantification selon l'axe de croissance des couches, ce transistor étant caractérisé en ce que le puits quantique est délimité latéralement, selon les plans des dites couches, par une zone de désertion qui forme une boite quantique dont les dimensions latérales sont inférieures à la longueur d'ondle de De Broglie. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit maintenant d'un exemple d'application en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent: figure 1: coupe simplifiée d'un transistor à tunnel résonnant, selon l'art connu, figure 2 diagramme des bandes d'énergie d'un puits quantique, figure 3 diagramme des états d'énergie en fonction du mouvement parallèle dans un puits quantique. figure 4: coupe simplifiée d'un transistor à boîte quantique, selon l'invention. La figure 1 constitue un rappel succint de la structure d'un transistor à puits quantique, qui facilitera la compréhension ultérieure de l'invention En raison des dimensions du puits quantique, cette structure est obligatoirement verticale, et les épaisseurs sont réglées par les temps de croissance des couches de matériaux semiconducteurs. Dans un transistor à puits quantique, supporté par un substrat 1, le passage du courant depuis une électrode 2 d'émetteur (en source) vers une électrode 3 de collecteur (ou drain) est contrôlé par un ensemble de fines couches 4 + 5 + 6, qui constituent le puits quantique, lui- même contrôlé par l'électrode 7 de base (ou grille), généralement déposée autour d'un mésa 8 qui supporte la métallisation 2 d'émetteur Une région 9 sépare le puits quantique des métallisations 2 et 7. Bien entendu, les couches 1,9 et 8 peuvent elles-mêmes comporter des sous-couches à gradient de dopage, de lissage, de prises de contacts etc, qui ne sont pas représentées parce qu'elles ne sont pas nécessaires à la compréhension. Selon l'art connu, le puits quantique 4 + 5 + 6 n'est pas limité latéralement, dans le plan des couches, c'est à dire qu'en fonction de l'état de l'art en masquage, un puits quantique connu à des dimensions latérales utiles au moins égales à 1 ou 2 micromètres, ce qui est beaucoup. Les matériaux de ce transistor sont préférablement des matériaux du groupe III V, tels que Ga As, Al Ga As, In P etc, et la couche centrale 4 du puits a une bande interdite plus faible que celle des couches barrières 5 et 6, et dans quelques propositions de l'art connu plus faible aussi que celle des régions d'émetteur 8 + 9 et de collecteur 1, qui sont à large bande interdite. Lorsqu'une dimension au moins dans une structure devient inférieure à la longueur d'onde de de Broglie, des phénomènes quantiques apparaissent Dans un puits quantique, en raison de la faible bande interdite de la couche 4, d'épaisseur inférieure à 20 nm, les électrons voient une énergie potentielle en forme de puits, et leur état énergétique le plus favorable est celui o ils sont dans le puits Comme la fonction d'onde ne peut pénétrer que faiblement dans les matériaux barrière 5 et 6 - grâce à l'effet tunnel de la mécanique quantique on peut en première approximation considérer que la fonction d'onde des électrons s'annule aux deux interfaces du puits Les fonctions d'ondes solutions de l'équation de Schrédinger, pour le mouvement perpendiculaire aux couches, sont alors discrètes, quantifiées Et comme l'énergie des niveaux d'électrons est liée aux dites fonctions d'ondes, l'énergie correspondant au mouvement dans la direction de croissance, perpendiculaire aux couches, est aussi quantifiée. Le mouvement des électrons parallèlement aux couches -c'est à dire latéralement dans le transistor n'est pas affecté par cette quantification C'est un mouvement de particules libres à deux degrés de liberté, en bidimensionnel. Ceci se comprend mieux en se reportant à la figure 2, qui donne la structure de bande de conduction d'un transistor à effet tunnel résonnant à puits quantique enterré Pour matérialiser les couches de matériaux du dispositif, on a reporté sur le diagramme les indices cde repères de la figure 1. L'axe z indique l'axe de croissance des couches. Les deux barrières 5 et 6 sont constituées par un matériau semiconducteur à large bande interdite par exemple Al Ga As- par rapport au matériau des régions d'émetteur et collecteur 9 et 1 par exemple Ga As - Le matériau du puits 4 par exemple In Ga As possède une bande interdite plus faible que celles des autres matériaux Le puits est suffisamment profond et large 5 à 20 nm selon l'axe z pour que le niveau fondamental E d'énergie soit sous la bande de conduction BC de l'émetteur. G Par le choix de la largeur du puits, il est possible de localiser strictement des électrons sur le niveau fondamental EO, dans un état dit lié. Au moyen d'un contact ohmique sur la base, qui constitue un réservoir d'électrons, il est possible de faire varier la densité de surface de charges ns piégées dans le puits En effet, sous l'action de la tension VBE entre base et émetteur, on modifie l'écart entre les niveaux de Fermi EFE dans l'émetteur et EFB dans la base Dans la mesure o une charge piégée au niveau fondamental E est directement liée à la o différence EFB E on module par VBE la densité de surface ns, ce qui se répercute sur la courbure de bande dans le puits et donc sur la position du niveau excité E 1, assurant la conduction, par rapport aux états peuplés d'émetteur, situés - en 10 en première approximation sous le niveau de Fermi EE de l'émetteur La variation relative entre EFE fixe et El qui a varié de niveau permet de moduler le courant tunnel entre émetteur et collecteur, symbolisé sur la figure 2 par un électron e qui traverse les deux barrières 5 et 6. Dans les faits, une fraction non négligeable de porteurs injectés dans le puits relaxent vers le niveau fondamental E en un temps très court Ils se trouvent donc piégés au niveau fondamental E 0, perturbant le fonctionnement du transistor car le courant émetteur-base qui en résulte diminue le gain du transistor Il est connu que c'est un désavantage des transistors à hétérostructure que d'avoir de mauvaises performances à température ambiante: comme les hauteur de barrière 4 Ec sont faibles ( 300 me V) en comparaison des barrières de Schottky ( 600-800 me V), ou des interfaces MOS ( 3 e V) ou encore des hauteurs de bandes interdites dans le silicium ou Ga As, il s'ensuit que les courants de fuite sont très importants. Les temps de relaxation entre les deux niveaux excité E 1 et fondamental E sont tout à fait comparables aux temps de durée de vie par effet tunnel de l'état quasi-lié E 1 La relative facilité avec laquelle les porteurs relaxent de E vers E peut se comprendre en considérant la figure 3, qui donne les états d'énergie E en fonction du mouvement K des électrons parallèlement aux surfaces du puits quantique c'est à dire latéralement, pour un transistor -. Pour un puits quantique de potentiel infini, constitué de couches non limitées en surface, le mouvement libre des électrons dans les deux directions parallèles aux barrières crée un continuum d'états des sous-bandes d'énergie: un électron peut facilement émettre un phonon optique d'energie litho (Si = constante de Planck/21 T, W = vitesse angulaire) pour transférer vers les états de basses énergies, et relaxer du niveau quasi-lié de la bande E 1 vers le niveau lié de la bande E Cette relaxation est possible parce que, le puits n'étant pas quantifié dans les deux directions parallèles aux barrières, il n'existe que des bandes d'énergie telles que E et El, et l'énergie d'un phonon correspond à celle entre deux bandes. Il n'en est plus de même pour un transistor à boite quantique selon l'invention, dans lequel les couches du puits quantique sont limitées, latéralement, à des dimensions plus petites que la longueur d'onde de de Broglie La perte des degrés de liberté dans les directions autres que la direction de croissance des couches se traduit par une quantification en états discrets dans le sens latéral, avec émergence de niveaux discrets d'énergie Si l'espacement entre deux niveaux est différent de l'énergie d'un phonon, il est impossible d'observer des transitions entre ces deux niveaux: il y a donc moins d'électrons piégés dans le puits, le courant de base est moindre et le gain est supérieur. La figure 4 représente une coupe d'un transistor à boîte quantique selon l'invention Ce transistor comprend, supportées par un substrat 11 en matériau III-V dopé tel que Ga As,une pluralité de couches dont la croissance (direction z) est soigneusement contrôlée: espaceur 12, d'épaisseur 30 à 50 nm, en Ga As non dopé ou peu dopé de type n, première barrière 13, d'épaisseur 2 nm, en AI x Ga X As non dopé, puits quantique 14 d'épaisseur 10 nm, en Gay In 1 y As non dopé, avec y = 0,85, deuxième barrière 15 identique à la première barrière, espaceur 16 identique à l'espaceur 12, mésa d'émetteur 17 en Ga As dopé n+, éventuellement par dopage planaire par implantation d'ions Si en cours de croissance. contact collecteur 18, en Ga As dopé N sur la face arrière du substrat 11. Par des techniques connues qu'il n'est pas utile du détailler, une mésa est gravée dans les couches 16 et 17 de contact émetteur, et cette mésa a entre 20 et 50 nm de dimension latérale, parallèlement aux plans des couches Sur cette mésa est déposée une métallisation 19 d'émetteur, et sur le contact collecteur 18 est déposée une métallisation 20 de collecteur Au pied de la mésa est déposée une métallisation 21 de base, non alliée et peu profonde pour ne pas court-circuiter le puits quantique 14: le contact de base 21 est à une distance de la mésa 16 + 17 de l'ordre de l'épaisseur du puits quantique 13 + 14 + 15, soit dans l'exemple choisi 14 nm Le confinement latéral des électrons dans la couche 14 entre les deux barrières 13 et 15 est obtenu par le potentiel de la surface libre entre la mésa et le contact 21. Lorsque des tensions sont appliquées sur les métallisations 19 et 21, il se crée au pied de la mésa une zône 22 de désertion, qui enferme une partie du puits quantique 13 + 14 + 15 dans une "boite quantique" dont les dimensions latérales, parallèlement aux plans des couches, sont inférieures à la longueur donde de de Broglie. Concrétement, l'espacement entre les niveaux d'énergie E et E dépend des dimensions latérales de la boite, c'est à dire de l'ouverture du potentiel qui confine latéralement les électrons: cette ouverture est de l'ordre de 20 nm pour une énergie de phonon de 36 me V Avec des barrières en Al Ga As d'épaisseur de 1,7 nm et un puits en Ga Y Iny As (y= 0,85) haut de 10 nm, on obtient un abaissement de 150 me V du fond du puits par rapport au bas de la bande de conduction: pour un puits de 10 nm de hauteur, cet offset est suffisant pour localiser strictement le niveau fondamental E et rendre o impossible les transitions entre E 1 et E O car l'espacement entre ces deux niveaux est supérieur à iwlo Les faibles dimensions d'un transistor selon l'invention imposent que sa structure soit verticale: c'est le seul moyen envisageable pour avoir des distances telles que 1, 7 nm bien précises Mais cela implique que le contact de base 21, ohmique, qui est déposé directement sur la barrière 15 du puits quantique soit peu diffusé, pour ne pas mettre en court-circuit les couches de base et de collecteur. Conformément au principe de fonctionnement exposé précédemment, l'effet transistor est obtenu en modulant la charge d'espace piégée dans le puits, ce qui entraîne par réaction de la charge d'espace une modification de position du niveau E 1. Le transistor à puits quantique selon l'invention est appliqué à l'électronique rapide, puisque ses fréquences de travail peuvent atteindre 200 G Hz. REVENDICATIONS 1 Transistor à puits quantique à effet tunnel résonnant, comportant au moins un puits quantique ( 14), constitué par une couche de matériau semiconducteur de faible bande interdite, compris entre deux barrières ( 13,15) constituées par deux couches de matériau semiconducteur à large bande interdite, les dites couches ( 13,14,15) étant d'épaisseurs faibles de sorte qu'intervient une quantification selon l'axe (z) de croissance des couches ( 13,1415) ce transistor étant caractérisé en ce que le puits quantique ( 13 + 14 + 15) est délimité latéralement, selon les plans des dites couches, par une zone de désertion ( 22) qui forme une boite quantique dont les dimensions latérales sont inférieures à la longueur d'onde de de Broglie. 2 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches d'émetteur ( 17) et de collecteur ( 18) sont en Ga As, les barrières ( 13,15) en AI Ga x As ( O ( 14) en Ga l Iny As (O 3 Transistor selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie de la couche de puits ( 14) est en Ga 1 y Iny As, le reste étant en Ga As. 4 Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur du puits ( 12) a une hauteur de bande interdite plus faible que celle des matériaux des couches d'émetteur ( 17) et de collecteur ( 18). Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les épaisseurs des couches, selon l'axe (z) de croissance sont de l'ordre de 10 nm pour le puits ( 14), 2 nm pour les barrières ( 13,15) et en ce que les dimensions latérales de la boite quantique sont comprises entre 20 et 50 nm.