Brevet FR3069704A1 — publié le 20190201

I Transistor à base métallique et comprenant des matériaux III-V Le domaine de l'invention est celui des composants hyperfréquences, visant à réaliser des composants hyperfréquences pouvant atteindre des fréquences de coupure allant jusqu'au THz. Les composants GaN actuels utilisent essentiellement des composants horizontaux HEMT (High Electron Mobility Transistor) performants mais sensibles aux variations de charges en surface ainsi que dans le volume du semiconducteur. Les composants verticaux tels que les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) à base par exemple de GaN ne sont pas de façon évidente des candidats possibles car le dopage de type P du GaN par Mg est très difficile, tout particulièrement si le matériau est épitaxié en phase vapeur aux organométalliques « MOCVD » ou voire même épitaxié par jets moléculaires ammoniac. En effet l'hydrogène atomique provenant de la dissociation des molécules permettant la croissance du cristal de GaN s'associe aux atomes dopants et empêche l'activation électrique des dopants. Des procédures de réactivation électrique sont possibles en utilisant des recuits thermiques mais le budget thermique peut être un facteur de dégradation de la qualité des hétérostructures. De surcroît le niveau accepteur est environ 200meV au-dessus de la bande de valence du GaN ce qui conduit, même si l'étape de suppression de l'hydrogène s'opère correctement, à une activation électrique faible des dopants Mg. Ainsi seulement quelques pour cents des atomes dopants physiquement présents contribuent vraiment au dopage actif du semiconducteur. Comme les limites de solubilité des dopants empêchent d'excéder des concentrations illimitées, quelques 1019 cm-3 pour le Mg par exemple, les dopages effectifs sont donc proches de 1017 cm-3 conduisant à des résistances de couche très élevées (une centaine de kû par carré pour des épaisseurs de 50 nm). Ces valeurs sont incompatibles d'un fonctionnement hyperfréquence puisqu'il faudrait qu'elles soient bien inférieures au KI typiquement. Actuellement pour les fréquences supérieures à 100GHz, les composants état solide sont essentiellement en InP ou Si(Ge) qui permettent des fonctionnements jusque vers 350GHz en laboratoire mais pour de très faibles puissances émises. Des solutions à base de diodes existent 2 également mais sont d'un réglage difficile et historiquement difficilement intégrables. Dans ce contexte, le Demandeur propose un nouveau transistor de puissance à base de matériaux III-V, à structure verticale (effet de surface 5 faible), unipolaire (pour que des électrons participent à la conduction électrique), comprenant un émetteur, une base et un collecteur, dans lequel la base est métallique. La base métallique est insérée au sein d'alliages de matériaux III-V, tels que des alliages de GaN. Plus précisément la présente invention a pour objet un transistor 10 comportant une structure verticale comprenant un émetteur, une base, un collecteur caractérisé en ce qu'il comprend : un substrat ; un sous-collecteur comportant au moins une couche en un premier matériau semiconducteur III-V dopé n avec un premier 15 taux de dopage aussi élevé que possible (typiquement supérieur à 1018cm-3) ; - un collecteur comportant au moins une couche en un deuxième matériau semiconducteur III-V dopée n avec au moins un second taux de dopage, ledit au moins second taux 20 de dopage étant inférieur audit premier taux de dopage ; - un émetteur comportant au moins une couche en un troisième matériau semiconducteur III-V dopé n; - une couche métallique continue, située entre le collecteur et l'émetteur, ladite couche métallique constituant la base du 25 transistor et présentant une épaisseur plus fine que le libre parcours balistique moyen des électrons injectés dans ce métal par la jonction émetteur-base ; la barrière de potentiel à l'interface métal/troisième matériau semiconducteur de l'émetteur est supérieure à la barrière de 30 potentiel à l'interface métal/ deuxième matériau semiconducteur du collecteur. Selon des variantes, le collecteur peut comprendre différents taux de dopage, voire au sein d'une couche. Un des avantages des transistors à base métallique est qu'ils 35 peuvent présenter des fréquences de coupure dépassant le THz avec des 3 tensions de fonctionnement élevées (dépassant la dizaine de volts pour de telles fréquences de coupure). Selon des variantes de l'invention, le premier et/ou le deuxième et/ou le troisième matériau semiconducteur est(sont) un alliage de 5 I n lAlxGayN. Selon des variantes de l'invention, le premier matériau semiconducteur du sous-collecteur est en GaN, le deuxième matériau semiconducteur du collecteur est en GaN, le troisième matériau semiconducteur de l'émetteur est en A10,3Ga0,7N ou en In0,17A10,83N ou en 10 I-0n Al2-1 N ,0,78 -na --0,1-- D'autres alliages sont possibles avec la contrainte que la bande interdite de l'émetteur soit supérieure à celle de la base. La bande de conduction du collecteur doit assurer l'absence de discontinuité défavorable avec celle de la base (alignement de type 2, c'est-à-dire éviter qu'une 15 barrière de potentiel soit à franchir par les électrons injectés entre la base et le collecteur) entraînant des pertes à la collection. Selon des variantes de l'invention, le sous-collecteur et/ou le collecteur et/ou l'émetteur comprend(ennent) une structure multicouche ou une structure graduelle, permettant des résistances d'accès ou de collection 20 plus favorables. La couche de base peut comprendre avantageusement un métal présentant une maille cristalline compatible avec les alliages du nitrure de gallium choisi parmi et non exclusivement : Nb2N, ScGaN, ScAIN, CrN, MoN, TaN 25 En effet, la base métallique du transistor de l'invention, est ainsi insérée au sein d'alliages de matériaux III-V, ce qui nécessite que le composé métallique choisi soit compatible des températures d'épitaxie desdits matériaux III-V et offre une structure cristalline compatible. Les composés métalliques à base d'alliage de nitrure offrent à ce titre une très 30 bonne compatibilité. Selon des variantes de l'invention, la couche métallique comporte une épaisseur inférieure ou égale à 30 nanomètres et préférentiellement inférieure ou égale à 10 nanomètres. 4 Selon des variantes de l'invention, le transistor comprend au moins un contact de reprise de base à la surface de la couche métallique et au moins un contact de reprise de collecteur à la surface du sous-collecteur. Selon des variantes de l'invention, au moins le contact de reprise 5 de base à la surface de la couche métallique et au moins le contact de reprise de collecteur à la surface du sous-collecteur comprennent une couche de Ti et/ou une couche d'Al et/ou une couche de Ni et /ou une couche d'Au. Selon des variantes de l'invention, le substrat est du SiC ou du 10 GaN ou du Si. Selon des variantes de l'invention, le premier taux de dopage de type n du premier matériau semiconducteur appartenant au sous-collecteur est supérieur ou égal à 1018 cm-3. Selon des variantes de l'invention, le second taux de dopage du 15 second matériau semiconducteur appartenant au collecteur est de l'ordre de 1017 CM-3, permettant de reculer l'apparition de l'effet Kirk. L'effet Kirk est un effet parasite du transistor qui consiste en l'élargissement de la zone de base au détriment de la zone collecteur à la suite d'une forte densité de porteur majoritaire injectée de la base vers le collecteur. Cet effet est rencontré dans 20 le mode de fonctionnement normal du transistor, au niveau de la jonction base collecteur polarisée en inverse. A un seuil d'injection de porteurs supérieur au dopage de la zone collecteur, il est observé un effacement progressif de la zone de charge d'espace entre base et collecteur. Cet élargissement de la zone de base conduit ainsi à une diminution du gain 25 hyperfréquence du transistor. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : 30 la figure 1 illustre le diagramme des bandes de conduction d'un transistor à base métallique Si/CoSi2/Si de l'art connu ; la figure 2 illustre le schéma de principe des bandes de conduction dans un transistor à base métallique à base de Ini....1A1, 15 268 GHz », IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 25, NO. 10, OCTOBER 2004. Transistor à base Transistor bipolaire métallique à hétérojonction 35 Gain en courant 7 Temps de transit 2,08. 10-13s 3,07. 10-13 s ft 6,33.1011 Hz 3,52. 1011 Hz fmax 7,55. 10 "Hz 3,11. 10 11 Hz Champ de claquage 4 MV/cm 0,5 MV/cm Tension de claquage 3,27. 101 V 9,81 V Effet Kirk -Jc critique 3,2 10 5 A/cm2 1,12 10.5 A / cm2 Puissance max 4,57 10-2W 2,4 10 -3 W Densité de puissance 13,1 mW /pm2 6,86 101 mW /1Jm2 Tableau 1 20 Le transistor à base métallique présente des dimensions de 0,5pm x 7pm GaN identiques à celles du transistor THB InP, avec une base métallique en Nb2N de 3,5nm d'épaisseur et le libre parcours balistique moyen est fixé à 20nm. 11 Le Tableau 1 montre les valeurs des paramètres clé des transistors. Les paramètres ont été estimés en tablant sur des valeurs physiques disponibles dans la littérature scientifique et met en évidence l'amélioration des performances électriques attendues avec le transistor à 5 base métallique de l'invention. Il est important de mentionner que des fréquences de coupure du gain en puissance supérieures à 1THz seraient accessibles en augmentant à 6 nm l'épaisseur de la base métallique tous les autres paramètres étant inchangés. Le libre parcours balistique moyen des électrons injectés dans la base métallique gouverne le gain en courant du 10 composant et dans l'exemple donné le gain en courant chuterait à 3. Les principaux avantages du transistor de la présente invention sont notamment les suivants et rappelés ci-après : - moins de sensibilité à la surface (comparé aux HEMT GaN) ; 15 moins d'effets dispersifs liés à la surface et aux pièges en volume d'où un meilleur bruit BF ; une structure verticale permettant d'obtenir des transistors plus compacts ; une densité de puissance permettant un facteur 10 par rapport 20 aux composants TBH InP (la meilleure solution actuellement) ; une possibilité de couvrir un large spectre de fréquences de la RF au THz en jouant sur les bandes d'énergie, les épaisseurs des couches d'émetteur et de collecteur et les niveaux de dopage ; 25 - des contraintes de lithographie relâchées car la vitesse du dispositif est donnée par les épaisseurs de couches déterminées par la croissance épitaxiale ; une caractéristique « Normally-off » (simplification alimentation électrique) ; 30 un composant unipolaire présentant une meilleure fiabilité (pas de dégradation catastrophique des TBH ou Laser) et permettant d'accepter REVENDICATIONS1. Transistor comportant une structure verticale comprenant un émetteur, une base, un collecteur caractérisé en ce qu'il comprend : un substrat ; un sous-collecteur comportant au moins une couche en un premier matériau semiconducteur III-V dopé n avec un premier taux de dopage ; un collecteur comportant au moins une couche en un deuxième matériau semiconducteur III-V dopée n avec au moins un second taux de dopage, ledit au moins second taux de dopage étant inférieur audit premier taux de dopage ; un émetteur comportant au moins une couche en un troisième matériau semiconducteur III-V dopé n ; une couche métallique continue, située entre le collecteur et l'émetteur et présentant une épaisseur plus fine que le parcours balistique moyen des électrons dans ce métal, ladite couche métallique formant la base du transistor ; la barrière de potentiel (1)13E) à l'interface métal/troisième matériau semiconducteur de l'émetteur est supérieure à la barrière de potentiel (1)Bc) à l'interface métal/ deuxième matériau semiconducteur du collecteur. 2. Transistor selon la revendication 1, dans lequel le premier et/ou le deuxième et/ou le troisième matériau semiconducteur est(sont) un alliage 25 de IniAlxGayN. 3. Transistor selon la revendication 2, dans lequel le premier matériau semiconducteur du sous-collecteur est en GaN, le deuxième matériau semiconducteur du collecteur est en GaN, le troisième matériau 30 semiconducteur de l'émetteur est en A10,3Ga0,7N ou en In0,17A10,83N ou en In0,12A10,78Ga0lN- 13 4. Transistor selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le sous-collecteur et/ou le collecteur et/ou l'émetteur comprend(ennent) une structure multicouche ou une structure graduelle. 5 5. Transistor à base métallique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche métallique comprend un composé métallique choisi parmi : Nb2N, ScGaN, ScAIN, CrN, MoN, TaN. 6. Transistor selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la 10 couche métallique comporte une épaisseur inférieure ou égale à 30 nanomètres. 7. Transistor selon la revendication 6, dans lequel la couche métallique comporte une épaisseur inférieure ou égale à 10 nanomètres. 15 8. Transistor selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant au moins un contact de reprise de base à la surface de la couche métallique et au moins un contact de reprise de collecteur à la surface du sous-collecteur. 20 9. Transistor selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat est du SiC ou du GaN ou du Si. 10. Transistor selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le premier taux de dopage est supérieur à 1018 cm-3. 11. Transistor selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le second taux de dopage est de l'ordre de 1017 cm-3.