Brevet FR2799884A1 — publié le 20010420

La présente invention se rapporte généralement à un transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique (qui aura ci-dessous pour abréviation "MHBT") et, plus particulièrement, à un MHBT ayant une structure de matière pour une fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GAS) de grandes dimensions. Récemment, il y a eu un intérêt croissant dans le développement d'amplificateurs à transistors de haute performance qui sont essentiels pour des applications militaires et commerciales dans des ordinateurs numériques, des systèmes de télécommunication et des systèmes électroniques avancés car ils peuvent traiter des signaux à de hautes fréquences. Ces amplificateurs ont le potentiel d'un fonctionnement à faible prix, gain élevé, faible bruit et haute efficacité avec une fiabilité supérieure à celle des IMPATT et TWTA. Un transistor bipolaire à hétérojonction (HBT), comme le suggère le terme, a une hétérojonction qui est formée entre des semi-conducteurs de différentes compositions et largeurs de bande. L'utilisation d'un émetteur à grande largeur de bande et d'une base à faible largeur de bande donne un décalage des bandes à l'hétérointerface, qui favorise l'injection des électrons dans un transistor N-p-n, dans la base, tout en retardant l'injection des trous dans l'émetteur. Cela offre également des bénéfices d'un fonctionnement à vitesse rapide parce que les électrons qui surmontent la barrière d'énergie sont injectés dans la base avec de hautes vitesses d'avance, réduisant le temps de transit de la base. En conséquence, des HBT en GaAs, basés sur une structure de matière de AlGaAs (ou InGaP)/GaAs sont largement acceptés, en particulier pour des applications d'amplificateur de puissance (PA) pour téléphones cellulaires car ils présentent les avantages d'une haute fréquence, d'une haute linéarité et d'une petite dimension de la matrice et que seule une alimentation en puissance est nécessaire. La haute tension d'ouverture des HBT en GaAs, cependant, limite dans la pratique le fonctionnement des dispositifs dans la gamme de 3,0 à 3,6 V dans les téléphones cellulaires actuellement en utilisation. La tendance en communication mobile consiste à atteindre une solution du niveau du système qui supportera une conception à une seule batterie en Li de 1,2 à 1,5 V (à partir de 3,6 V). Cela est dû à la réduction de dimension et de poids du bloc de la batterie qui représente environ 60% du poids total d'un combiné sans fil. Au contraire, HBT en InP est un candidat idéal pour un fonctionnement à 1, 5 V car il a une faible tension d'ouverture et offre également un gain plus élevé et une efficacité plus élevée que HBT en GaAs du fait de ses avantages intrinsèques de plus hautes mobilités de plus grandes vitesses de transport non à l'équilibre et de plus faible recombinaison de surface. HBT en InP, à base de InAlAs (ou AlInGaAs gradué)/InGaAs comme structure de matière d'hétérojonction, a été fabriqué sur un substrat en InP. La figure 1 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple d'une structure de matière d'un HBT à base de InP de l'art antérieur. Comme on peut le voir sur le dessin, la structure de matière épitaxiée comprend un substrat 10 en InP semi-isolant; une couche 12 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit HBT à base de InP; une couche 13 en InGaAs de type n légèrement dopée formant le collecteur dudit HBT à base de InP; une couche 14 en InGaAs du type p fortement dopée formant la base et un contact ohmique pour la base dudit HBT à base de InP; une couche 15 en InAlAs du type n (ou AlInGaAs graduée), formant l'émetteur dudit HBT à base de InP; et une couche 16 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour l'émetteur dudit HBT à base de InP. Par conséquent, HBT à base de InP présente les avantages de donner une plus haute fréquence maximale de fonctionnement et une plus haute fréquence de coupure pour un chiffre de bruit considérablement plus bas, un gain plus élevé et une meilleure efficacité. Cela est dû au fait que HBT à base de InP a une forte teneur en indium et ainsi a une plus forte vitesse des électrons de densité de courant et transconductance. Bien que les HBT en InP soient très attrayants pour un fonctionnement à basse tension et haute efficacité, en particulier dans l'utilisation dans les PA des téléphones cellulaires, ils sont cependant difficiles à traiter (principalement du fait du substrat en InP). Par ailleurs, la pastille en InP est très fragile, coûteuse (environ 10 fois GaAs) et actuellement limitée à 7,5 cm seulement de dimension. Au contraire, la technologie de traitement pour les HBT en GaAs a un plus fort rendement et un plus faible prix (actuellement 40% de moins) si l'on utilise des pastilles de 150 mm. En conséquence, il y a une nécessité d'un nouveau dispositif avec à la fois une grande efficacité, un fonctionnement à basse tension et un faible prix de fabrication. C'est par conséquent un objet principal de la présente invention de produire un nouveau transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique ayant une structure de matière permettant un fonctionnement à haute efficacité, basse tension. C'est un autre objet de la présente invention de procurer un nouveau transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique ayant une structure de matière d'un faible prix de fabrication. Afin d'atteindre les objectifs ci-dessus, la présente invention prévoit un transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique (MHBT) ayant une structure de matière pour une fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GaAs) de grande dimension, comprenant: un substrat en GaAs semi- isolant; une couche tampon métamorphique non dopée, comme un tampon de AlGaAsSb ou AlInGaAs; une couche en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche en InGaAs du type n légèrement dopée ou une couche en InP ou InAlAs, formant le collecteur dudit MHBT; une couche en InGaAs du type p fortement dopée, formant la base et un contact ohmique pour la base dudit MHBT; une couche en InAlAs du type n ou AlInGaAs gradué ou InP, formant l'émetteur dudit MHBT; et une couche en InGaAs du type n fortement dopée formant un contact ohmique pour l'émetteur dudit MHBT. Il est préférable que ladite structure de matière soit épitaxiée sur des pastilles de GaAs de grande dimension avec des diamètres de 150 mm ou plus. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple d'une structure de matière d'un HBT à base de InP de l'art antérieur; et - la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple de structure de matière d'un MHBT selon le mode de réalisation préféré de la présente invention. Le Tableau 1 montre les comparaisons des technologies actuelles des transistors de puissance pour combinés sans fil. On se référera à la figure 2 qui est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple de la structure de matière d'un MHBT selon le mode de réalisation préféré de la présente invention. Comme montré sur le dessin, la structure de matière épitaxiée comprend: un substrat 20 en GaAs semi-isolant; une couche tampon métamorphique non dopée telle qu'une couche tampon 21 en AlGaAsSb ou AlInGaAs; une couche 22 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche 23 en InGaAs du type n légèrement dopée ou InP ou InAlAs, formant le collecteur dudit MHBT; une couche 24 en InGaAs du type p fortement dopée, formant la base et un contact ohmique pour la base dudit MHBT; une couche 25 en InAlAs (ou AlInGaAs gradué ou InP) du type n, formant l'émetteur dudit MHBT; et une couche en InGaAs 26 du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour l'émetteur dudit MBHT. Il faut remarquer que la structure de matière du MHBT présente une couche tampon 21 prise en sandwich entre le substrat 20 et la couche de contact de collecteur 22. Cela permet au MHBT d'employer la structure active de HBT à base de InP 22 à 26 sur un substrat 20 en GaAs, car la couche tampon 21 rend la transition de constante de réseau entre le substrat 20 en GaAs et les couches épitaxiées à forte teneur en indium 22 à 26 adaptés à InP 10. Par conséquent, MHBT a la performance de HBT à base de InP mais avec le prix du traitement de la pastille 20 en GaAs. En particulier, l'utilisation d'un substrat en GaAs dans MHBT permet une production de dispositifs de très haute performance/MMIC avec un très faible prix de traitement du substrat et de la pastille. Le prix de la puce de MHBT peut être encore réduit quand on utilise une pastille en GaAs de grande dimension, par exemple, de mm. Il faut remarquer que l'on dispose de pastilles en GaAs de 150 mm mais que seules des pastilles en InP de mm sont disponibles. La technologie de croissance du tampon décalant la constante de réseau, nécessaire dans MHBT est couramment disponible dans le commerce (e.g. les maisons epi comme IQE aux Etats Unis et Picogiga en France). La technologie métamorphique permet également une large gamme de compositions de Al et In dans la structure de matière, offrant un excellent potentiel pour une performance encore plus élevée comme une plus grande rupture et une plus grande efficacité, que dans le cas de HBT à base de InP conventionnel. En résumé, en revoyant la technique antérieure décrite et la présente invention, nous pouvons trouver, par le Tableau 1, que les avantages du nouveau MHBT comprennent: (1) Prix du substrat dix fois plus bas pour les mêmes dimensions, (2) Substrat moins fragile pour un meilleur rendement en ligne, (3) Verso de la pastille facile à traiter, permettant des économies de 40% dans le traitement, (4) Plus grande dimension de la pastille disponible pour production d'une puce de très faible prix. Tableau 1: Comparaison des technologies des transistors de puissance pour combinés sans fil. Technologie Eléments clé Remarques transistor GaAs HBT.Hétérojonction Bonne fiabilité, AlGaAs (ou technologique mature InGaP)/InGaAs Faible prix Substrat GaAs Production facile InP HBT Hétérojonction Difficile à traiter AlInAs(ou Prix élevé du substrat AlInGaAs gradué et du traitement ou InP)/InGaAs Dimension limitée du (ou InP ou nAlAs) substrat disponible Substrat InP Non approprié à la fabrication MHBT Hétérojonction. Traitement comme GaAs AlInAs (ou Substrats 150mm AlInGaAs gradué disponibles ou Inp /InGaAs Faible prix, approprié (ou InP ou pour la fabrication InAlAs)/ Flexibilité des AlGaAsSb(ou compositions des couches AlInGaAs) donne une rupture et une Tampon décalage efficacité encore plus constante de élevée que les HBT en réseau InP conventionnels Substrat GaAs REVENDICATIONS 1. Transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique (MHBT) ayant une structure de matière pour fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GaAs) de grandes dimensions de 150 mm ou plus, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semi-isolant en GaAs (20) une couche tampon métamorphique non dopée (21) une couche en InGaAs du type n fortement dopée (22), formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche du type n légèrement dopée (23) formant le collecteur dudit MHBT o la couche du type n légèrement dopée est InGaAs ou InP ou InAlAs; une couche en InGaAs du type p fortement dopée (24) formant la base en contact ohmique pour la base dudit MHBT, une couche (25) formant l'émetteur dudit MHBT, la couche étant une couche en InAlAs du type n ou une couche en AlInGaAs gradué du type n ou une couche en InP du type n; et une couche en InGaAs du type n fortement dopée (26) formant un contact ohmique pour l'émetteur dudit MHBT. 2. MHBT selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche tampon métamorphique non dopée est une couche tampon en AlGaAsSb (21). 3. MHBT selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche tampon métamorphique non dopée est une couche tampon en AlInGaAs (21).