Brevet FR2834129A1 — publié le 20030627

L'invention concerne les transistors bipolaires à hétérojonction NPN comportant des semi-conducteurs de la famille des composés N-V. Les composés semi-conducteurs ! H-V offrent de nombreux alliages binaires, ternaires, quaternaires présentant des largeurs de bande interdite variées et aussi de paramètres de maille cristalline différents. On peut les combiner les uns aux autres pour réaliser des hétérojonctions et ainsi des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH ou HBT). D'une manière générale, dans un transistor bipolaire à hétérojonction, le semi-conducteur constituant la base du transistor est de bande interdite plus faible que celui de l'émetteur. Plus précisément, il doit exister entre la bande de valence du semi-conducteur de l'émetteur et celle de la base une différence permettant ainsi de constituer une barrière énergétique empêchant les trous de diffuser de la base vers l'émetteur. D'autre part, l'interface émetteur-base doit être de grande qualité cristalline pour éviter les défauts cristallins, qui sont généralement des défauts électriquement actifs nuisibles au fonctionnement du transistor. Ainsi, l'émetteur et la base sont constitués de matériaux semi-conducteurs ayant le même paramètre de maille cristalline. Il en va de même pour le collecteur et la base. De nombreux transistors bipolaires à hétérojonction satisfaisant à ces conditions sont connus dans la littérature, parmi lesquels on peut citer les transistors AlGaAs/GaAs/GaAs (le premier semi-conducteur désigne l'émetteur, le second la base et le troisième le collecteur ; par la suite, on adoptera cette convention de présentation à moins qu'une autre présentation ne soit expressément donnée). De nombreuses publications ont été consacrées à ces transistors bipolaires à hétérojonction AtGaAs/GaAs/GaAs. Les transistors GainP/GaAs/GaAs présentent la similitude avec les transistors AlGaAs/GaAs/GaAs d'avoir une base et un collecteur en GaAs, et d'avoir à l'interface émetteur-base une barrière énergétique vis-à-vis des trous et une discontinuité de la bande de conduction créant une condition énergétique favorable au déplacement des électrons. Cependant, du fait que la base soit en GaAs, ces transistors présentent les limitations suivantes : - la résistance de base est élevée car le dopage p maximal ne dépasse pas 4 à 5. 1019 cm-3. Au-delà de cette limite la qualité du matériau GaAs se dégrade ; - d'autre part, la vitesse de déplacement des électrons dans GaAs, cer- tes plus grande que dans le silicium, est moins élevée que dans d'au- tres alliages tels que GainAs. L'alliage semi-conducteur Ga1~xlnxAs est très connu par ses propriétés électroniques performantes. En particulier sa masse effective des électrons est faible, d'autant plus faible que x est grand. On utilise cette propriété pour réaliser des transistors à effet de champ, ou des transistors bipolaires. Parmi les transistors bipolaires à hétérojonction utilisant l'alliage GainAs comme base du transistor, on peut citer les transistors utilisant InP ou AlinAs comme émetteur, le collecteur étant GainAs : voir par exemple P. M. Asbeck et al.,"InP-based Heterojunction Bipolar Transistors : Performance Status and Circuit Applications", InP and Related Materials Sym- posium Proceedings, Denver (1990), p. 2 ou K. W. Kobayaski et al.,"Low DC Power High Gain-Bandwidth Product IAAIAs/lnGaAs-lnP HBT DirectCoupled Amplifiers", GaAs IC Symposium Proceedings (1996), p. 141. Ces transistors présentent de très hautes fréquences de coupure mais présentent le handicap d'avoir une tension de claquage très faible à cause du matériau GainAs à faible bande interdite utilisé pour le collecteur. Pour pallier cet inconvénient, on utilise des transistors bipolaires à double hétérojonction où le collecteur est un matériau à grande bande interdite, offrant une plus grande tension de claquage. Pour des raisons d'accord de paramètre de maille entre le collecteur et la base et pour des raisons pratiques, on utilise souvent pour le collecteur le même matériau que l'émetteur. Ainsi, la littérature fait souvent état des systèmes InP/GalnAs/lnP ou At) nAs/Ga) nAs/AHnAs (constituant successivement émetteur/base/collecteur) : voir par exemple J. Mba et al.,"LowPower Operation of InP-based DHBT's for High Bit Rate Circuit Applications : Reduction of Saturation Voltage (Vsat) ", 10th International Confer- ence on InP and Related Materials Proceedings, Tsukuba (1998) p. 651. Si l'adjonction d'un collecteur à grande bande interdite améliore la tension de claquage, le choix de InP ou AlhAs pour le collecteur présente l'inconvénient d'avoir entre la base et le collecteur une barrière énergétique em- pêchant les électrons de se déplacer facilement de la base vers le collecteur. Cette barrière énergétique résulte de la position de la bande de conduction, plus haute dans le collecteur que dans la base. On peut réduire cette barrière énergétique, en réalisant une gradualité de composition dans le collecteur : voir par exemple J. Mba et al., précité, ou M. Ohkubo et aL, " Mais cette amélioration complique la métallurgie de l'interface base-collecteur et, de toute façon, ne peut pas éliminer totalement le champ électrique situé dans le collecteur, qui gêne le déplacement des électrons. Pour pallier ces inconvénients, un autre alliage a été choisi pour la base du transistor. Il s'agit de l'alliage GaAsSb : voir par exemple C. R. Bolo- gnesi et al. "Ultrahigh Performance Staggered Lineup ("Type N") InP/GaAsSb/lnP NpN DHBTs", 13th Internat. Conference on InP and Re- lated Materials Proceedings, Nara (2001), p. 27. Ces transistors nP/GaAsSb/) nP présentent par rapport aux transistors InP/GalnAs/InP l'avantage d'une faible résistance de base car le dopage p dans GaAsSb peut être très élevé, et d'une position de la bande de conduction plus basse dans le collecteur par rapport à la base, favorisant ainsi les déplacements des électrons. Cependant, la bande de conduction de l'émetteur se trouve aussi en position plus basse par rapport à celle de la base. Cette barrière énergétique est par contre défavorable au dépla- cement des électrons. Pour pallier ces inconvénients la présente invention décrit un transistor bipolaire à double hétérojonction avec un émetteur en un matériau i-V à grande bande interdite, une base en un matériau lav à faible bande interdite, et un collecteur en InAs1-yPy. Selon l'invention la composition du matériau de la base est choisie de manière que sa bande de conduction soit située à plus haute énergie que celle du matériau du collecteur, et le matériau de la base est en accord de paramètre de maille avec le matériau du collecteur. Le matériau de la base est avantageusement Ga1-xlnxAs, avec x > 60%, ou GaAs1-zSbz, avec z compris entre 50% et 70%. Le matériau de l'émetteur est avantageusement InAs1-yPyo, AI1~xlnxAs, ou bien (AI, Ga) iJnxAs ou (AI, Ga) As1-zSbz où une fraction des atomes d'aluminium est remplacée par des atomes de gallium, ces matériaux ayant même paramètre de maille que le matériau du collecteur. Très avantageusement, le matériau de la base comprenant des régions dopées p, les dopants p sont à la fois le béryllium et le carbone, le dopage au béryllium étant localisé dans la zone centrale de la base, éloignée du collecteur et de l'émetteur, et que le dopage au carbone étant localisé dans les zones respectivement connexes au collecteur et à l'émetteur. Dans ce cas, de préférence : - le niveau de dopage au carbone est inférieur au niveau de dopage au béryllium ; - l'ordre de grandeur de l'épaisseur des régions dopées au carbone est de plusieurs dizaines de nanomètres ; - l'une des zones dopées au carbone comprend un matériau ayant un paramètre de maille différent de celui du matériau de la zone centrale de la base, et cette différence de paramètre de maille est choisie de telle sorte que cette zone dopée au carbone soit sous contrainte élas- tique ; - les deux zones dopées au carbone comprennent des matériaux ayant un paramètre de maille légèrement différent de celui de la zone cen- trale de la base, et cette différence de paramètre de maille est choisie de telle sorte que ces zones dopées au carbone soient sous contrainte élastique, de préférence contrainte élastique de traction par rapport à la base pour la zone dopée au carbone connexe à l'émetteur, et con- trainte élastique de compression par rapport à la base pour la zone dopée au carbone connexe au collecteur. La composition des maté- riaux sous contrainte et/ou du matériau de la base peut varier de ma- nière graduelle. Le béryllium peut être éventuellement remplacé par le zinc comme dopant. Le transistor peut être réalisé sur un substrat InP ou GaAs. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 illustre la position des bandes de conduction et de valence des alliages binaires InP et InAs et des alliages ternaires Gal, inxAs et In As1-yPy, en fonction de leurs paramètres de maille cristalline. La figure 2 est homologue de la figure 1, dans le cas d'un transistor bipo- laire selon l'invention, avec un collecteur en InAs1-yPy et une base en GaAs1-zSbz, La figure 3 illustre la structure générale d'un transistor bipolaire à hétérojonction. La figure 4 illustre le profil de diffusion en dopant béryllium du transistor de la figure 3. La figure 5 illustre les diagrammes des bandes de conduction et de va- lence du transistor selon l'invention. Les figures 6 et 7 sont homologues de la figure 5, dans des variantes prévoyant un gradation de la composition. La figure 1 montre la position des bandes de conduction et de valence des binaires InP et InAs et celles des ternaires Gai-xhxAs et In Asi-yPy, ainsi que leurs paramètres de maille cristalline. Les propriétés électroniques de ces alliages présentent des effets remarquables que l'on peut utiliser avantageusement dans la réalisation de transistors bipolaires à hétérojonction. Tout d'abord, la barrière énergétique entre InAsi. yPy et Ga1-xlnxAs diminue à mesure que y diminue. Pour y=1 c'est-à-dire pour InP, la barrière énergétique avec Ga1~xlnxAs correspondant (x = 52%), référencée 10, est égale à 200 meV environ. C'est la valeur élevée de cette barrière qui gêne le déplacement des électrons de la base vers le collecteur. Pour y : s ; 80% environ, cette barrière est suffisamment faible, voire nulle (région référencée 12). Cette condition est favorable au déplacement des électrons. La valeur de x correspondante est x 60% environ. La figure 2 illustre une autre configuration du transistor bipolaire selon l'invention, ayant toujours pour collecteur InAsl-, Py, mais pour base l'alliage GaAs1-zSbz, avec les compositions x et z ajustées de manière à avoir l'accord de paramètre de maille entre collecteur et base. Cette figure montre la position des bandes de conduction et de valence de InP, InAs et GaSb, et celles des alliages ternaires GaAs1-zSbz et InAsi. yPy. On remarque que la bande de conduction de GaAs1-zSbz qui constitue la base du transistor se situe bien au-dessus (cf. région référencée 14) de celle de InAs1-yPy, qui constitue le collecteur. L'effet de champ électrique favorable au déplacement des électrons de la base vers le collecteur est d'autant plus grand que la teneur en antimoine est élevée. Cependant, pour des valeurs de z supérieures à 80% environ, le niveau de la bande de valence se retrouve au dessus de celle de la bande de conduction de InAs1-yPy (cf. région référencée 16). Une telle configuration n'est pas favorable au fonctionnement du transistor. Dans la pratique, on se limite donc à une teneur z en antimoine comprise entre 50% et 70% environ. En ce qui concerne l'émetteur, plusieurs choix sont possibles. Dans le premier choix, l'émetteur est du même matériau que celui du collecteur, c'est-à-dire InAsi. yPy Mais on peut aussi prendre un alliage ternaire ou quaternaire ayant le même paramètre de maille que le collecteur mais de composition différente, pourvu que sa bande de conduction soit au moins au même niveau d'énergie que celle de la base et que sa bande de valence soit située en dessous de celle de la base. On peut ainsi utiliser des alliages tels que (AI, Ga) 1~tlntAs ou (AI, Ga) As1-zSbz dans lesquels une fraction des atomes d'aluminium est substituée par des atomes de gallium. Certes, les alliages InAs1~yPy, Ga1-xlnxAs, GaAs1-zSbz, (AI, Ga) 1~tlntAs ou (AI, Ga) As1-zSbz précités ont un paramètre de maille différent de celui des substrats communément utilisés, c'est-à-dire GaAs ou InP. Mais l'homme de l'art sait réaliser des épitaxies en désaccord de paramètre de maille. En effet, lorsqu'il existe un faible désaccord de paramètre de maille entre deux matériaux, on peut, par épitaxie, réaliser une hétérojonction sans faire apparaître de dislocations à son interface, car la contrainte mécanique créée est suffisamment faible pour que le matériau reste en régime de déformation élastique. Il est connu que la déformation élastique est une fonction à la fois de l'écart de paramètres de réseau cristalline et de l'épaisseur de la couche contrainte. En deçà d'une certaine épaisseur, dite"épaisseur critique", la couche reste ainsi en état de déformation élastique, donc sans dislocation (au-delà de l'épaisseur critique, les contraintes se relâchent par apparition de dislocations, qui se propageant ensuite au sein d'un des deux matériaux, dégradant ainsi la qualité de ces matériaux et par la suite la qualité du composant électronique). Par exemple, dans une hétérojonction AI GaAs/GalnAs, la teneur en indium peut atteindre 25 %, créant ainsi un désaccord de paramètre approchant 2 % imposant ainsi une épaisseur critique de l'ordre de 10 nanomètres Beaucoup de composants électroniques utilisent cette possibilité de contrainte élastique pour pouvoir disposer, comme dans la présente invention, d'hétérojonctions de caractéristiques électroniques intéressantes. Un des transistors selon l'invention a pour base le matériau Ga1~xlnxAs à forte teneur en indium, avec x supérieur à 60% environ. Comme on sait que la mobilité des électrons dans Ga1~xlnxAs augmente avec la teneur en indium, cette condition est très favorable pour accroître la fréquence de coupure du transistor. Cependant, le dopage p de ce matériau est d'autant plus difficile que la teneur en indium est forte, en particulier le dopage au carbone. Cet élément dopant, qui a un faible coefficient de diffusion, est pourtant recherché car les transistors ainsi fabriqués présentent une meilleure fiabilité. Devant l'inconvénient de la difficulté de doper le matériau Gai, ln. As avec le carbone, on peut adopter, selon l'invention, un dopage mixte au carbone et au béryllium. En effet, le dopage p par le béryllium du matériau Ga1~xlnxAs est efficace : voir par exemple J. L. Benchimol et al.,"Improvement of CBE Grown In- GaAs/lnP HBT's Using a Carbon Doped and Compositionally Graded Base", /eraoa/Con/P ad Re/aed maea/s Proceed/ngs, Davos (1999), p. 559. Le niveau de dopage maximum est élevé, dépassant 5. 1019 cm' et la durée de vie des porteurs minoritaires est ainsi plus élevée qu'avec un dopage carbone. Cependant, le coefficient de diffusion du béryllium est élevé. Les conséquences en sont multiples. Tout d'abord, il est très difficile de limiter la diffusion du béryllium de la base du transistor vers le collecteur et l'émetteur, ceci au cours de la fabrication du transistor tout comme au cours du fonctionnement de celui-ci. Ensuite, il est très difficile de doper la base à des concentrations supérieures à 2. 1019 cm-3. Généralement, on anticipe ce phénomène de diffusion et, en cours d'épitaxie de la base, on ne dope pas entièrement celle-ci mais on laisse deux zones non dopées intentionnellement à proximité du collecteur et de l'émetteur. La figure 3 illustre la structure d'un tel transistor, où l'émetteur est référencé 18, le collecteur est référencé 20, la partie de la base qui est intentionnellement dopée au béryllium est référencée 22 et les zones non dopées intentionnellement sont référencées 24 et 26. Compte tenu du fait que les atomes de béryllium de la zone 22 diffusent vers les zones 24 et 26, il s'établit un profil de concentration de béryllium tel qu'illustré sur la figure 4. Pour tenir compte de la longueur de diffusion du béryllium aux conditions de fabrication et de fonctionnement du transistor, les zones 24 et 26 ont une épaisseur de l'ordre d'une dizaine de nanomètres. Pour les transistors dont la base a une épaisseur de l'ordre d'une centaine de nanomètres, l'absence de dopage intentionnel des zones 24 et 26 a une contribution négligeable sur la résistance de la base, mais pour les transistors fonctionnant à très hautes fréquences, la base a une épaisseur nettement plus faible, de l'ordre de 50 nanomètres. Le fait d'avoir deux zones non dopées intentionnellement de 10 nanomètres chacune fait augmenter la résistance de la base de 20/50 c'est à dire 40%, ce qui est significatif. L'invention pallie ces inconvénients en proposant de doper au carbone les zones 24 et 26. Plusieurs effets sont obtenus par ce dopage au carbone. Le premier effet est de réduire la résistance de la base en la dopant intentionnellement au carbone et ceci jusqu'à l'interface avec le collecteur et l'émetteur, car la diffusion du carbone est très faible. Le deuxième effet provient du fait que les atomes de carbone occupent un certain nombre de sites cristallographiques, de sorte que la diffusion du béryllium, qui nécessite la vacance de ces sites, en est réduite d'autant puisque ces sites sont déjà occupés par les atomes de carbone. Étant donné que la diffusion du béryllium est réduite, l'épaisseur des zones 24 et 26 peut être réduite d'autant. Des essais expérimentaux effectués par la Demanderesse sur ce dopage mixte au béryllium et au carbone montrent qu'il n'est pas nécessaire de doper au carbone à la même concentration qu'au béryllium. en effet, la faible épaisseur des zones 24 et 26 et le faible niveau de dopage au carbone compensent la faible durée de vie des porteurs minoritaires lorsque la base est dopée au carbone. On peut diminuer encore plus la diffusion du béryllium en utilisant, pour les zones 24 et 26 dopées du carbone, un matériau de paramètre de maille légèrement différent de celui de la base. La contrainte mécanique ainsi créée réduit le mécanisme de diffusion : voir par exemple K. Zhang et aL, "Influence of Pseudomorphic Base-Emitter Spacer Layers on Current-induced Degradation of Beryllium-Doped InGaAs/lnAIAs Heterojunction Bipolar Transistors", IEEE Trans. Electron Dev., Vol. 43 (1996) p. 8. Pour la zone 24, c'est-à-dire celle qui est connexe à l'émetteur, il est avantageux d'avoir un matériau Ga1~ulnuAs à faible paramètre de maille, donc à grande bande interdite, afin de créer à l'interface entre les zones 24 et 22 un champ électrique favorable au déplacement des électrons (cf. les des bandes de conduction et de valence correspondants, illustrés figure 5). Avantageusement, la réduction de la diffusion du béryllium et l'effet du champ électrique peuvent être obtenus par une base à composition graduelle, soit dans la zone 24 (cf. diagrammes de la figure 6), soit à la fois dans la zone 24 et la zone 22 (cf. diagrammes de la figure 7). En ce qui concerne la zone 26, c'est-à-dire celle qui est connexe au collecteur, elle peut être constituée d'un matériau GallnAs à grand paramètre de maille, donc à faible bande interdite. On bénéficie alors d'un champ électrique favorable au déplacement des électrons. Tout en restant dans le cadre de l'invention, on peut remplacer pour le dopage le béryllium par le zinc, qui est aussi connu pour son efficacité de dopage et son grand coefficient de diffusion. REVENDICATIONS 1. Un transistor bipolaire à double hétérojonction comprenant des maté- riaux semi-conducteurs N)-V, avec : - un émetteur (18) en un matériau lil-V à grande bande interdite, - une base (22,24, 26) en un matériau III-V à faible bande interdite, et - un collecteur (20) en InAs1~yPy, caractérisé en ce que la composition du matériau de la base est choisie de manière que sa bande de conduction soit située à plus haute énergie que celle du matériau du collecteur, et en ce que le matériau de la base est en accord de paramètre de maille avec le matériau du collecteur. 2. Le transistor de la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la base est Ga1-xlnxAs, avec x # 60%. 3. Le transistor de la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la base est GaAs1-zSbz, avec z compris entre 50% et 70%. 4. Le transistor des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau de l'émetteur est InAs1~yPy. 5. Le transistor des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau de l'émetteur est Al1~xlnxAs, ce matériau ayant même paramètre de maille que le matériau du collecteur. 6. Le transistor des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau de l'émetteur est (AI, Ga)1-xInxAs où une fraction des atomes d'aluminium est remplacée par des atomes de gallium, ce matériau ayant même paramètre de maille que le matériau du collecteur. 7. Le transistor des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau de l'émetteur est (AI, Ga) As1-zSbz où une fraction des atomes d'aluminium est remplacée par des atomes de gallium, ce matériau ayant même paramètre de maille que le matériau du collecteur. 8. Le transistor de la revendication 2, caractérisé en ce que, le matériau de la base comprenant des régions dopées p, les dopants p sont à la fois le béryllium et le carbone, le dopage au béryllium étant localisé dans la zone centrale (22) de la base, éloignée du collecteur et de l'émetteur, et en ce que le dopage au carbone est localisé dans les zones respectivement connexes (24,26) au collecteur (20) et à l'émetteur (18). 9. Le transistor de la revendication 8, caractérisé en ce que le niveau de dopage au carbone est inférieur au niveau de dopage au béryllium. 10. Le transistor de la revendication 8, caractérisé en ce que l'ordre de grandeur de l'épaisseur des régions dopées au carbone est de plusieurs dizaines de nanomètres. 11. Le transistor de la revendication 8, caractérisé en ce que l'une des zones dopées au carbone comprend un matériau ayant un paramètre de maille différent de celui du matériau de la zone centrale de la base, cette différence de paramètre de maille étant choisie de telle sorte que cette zone dopée au carbone soit sous contrainte élastique. 12. Le transistor de la revendication 8, caractérisé en ce que les deux zones dopées au carbone comprennent des matériaux ayant un paramètre de maille légèrement différent de celui de la zone centrale de la base, cette différence de paramètre de maille étant choisie de telle sorte que ces zones dopées au carbone soient sous contrainte élastique. 13. Le transistor des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que la différence de paramètre de maille est choisie de telle sorte que la zone dopée au carbone connexe à l'émetteur soit sous contrainte élastique de traction par rapport à la base. 14. Le transistor des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que la différence de paramètre de maille est choisie de telle sorte que la zone dopée au carbone connexe au collecteur soit sous contrainte élastique de compression par rapport à la base. 15. Le transistor des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la composition des matériaux sous contrainte varie de manière graduelle. 16. Le transistor de la revendication 15, caractérisé en ce que la composition du matériau de la base varie de manière graduelle. 17. Le transistor des revendications 8 à 16, où le béryllium est remplacé par le zinc comme dopant. 18. Le transistor des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat en InP. 19. Le transistor des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat en GaAs.