BALLISTIC HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR

Abstract: 1. Heterojunction bipolar semiconductor component operating at high speed comprising : a base (B) in a first semiconductor having a forbidden band and a doping of a first type, an emitter (E) in a second semiconductor having a wider forbidden band than that of the base and a doping of a second type opposed to the first, the emitter doping being weaker than the base doping, a collector (C) in a third semiconductor having a doping of the same type as the emitter, an emitter - base heterojunction having a peak or spike form conduction band with a progressive slope on the emitter side and an abrupt slope on the base side, said spike making it possible, when a forward biasing voltage is applied between the emitter and the base, to introduce the charge carriers of the emitter into the base with a high kinetic energy, said component being characterized in that it comprises at the emitter - base heterojunction, an interface (14, 18, 22, 28), whose composition and doping have the effect of giving the spike a width greater than (16 nm 160 A) to prevent the carriers traversing it by the tunnel effect and a height greater than approximately 10 times the normal thermal energy of the carriers in said semiconductor and below the diffusion energy of said carriers.

Description: La présente invention se rapporte d'une fa çon générale aux composants semi-conducteurs b trois bornes comme les transistors bipolaires, les transistors à base perméable, les transistors planar à barrière dopée, et plus particulièrement, à un composant dans lequel la barrière émetteur-base est réalisée de manière à permettre un mouvement des électrons quasi-balistique. Un tel composant est capable de fonctionner à très grande vitesse. Dans un composant semi-conducteur à structure "verticale1, par exemple, où un courant circule de l'émetteur vers le collecteur à travers la base et où l'intensité du courant est modulée par le courant de base ou la tension de base, des limitations apparaissent dans les plages des fréquences les plus élevées, en raison du mécanisme de diffusion par lequel les porteurs de charge se déplacent dans le composant. Il est connu que les limitations par diffusion peuvent être réduites en diminuant l'épaisseur de la région de base mais cette réduction augmente aussi de façon indésirable la résistance de base. De plus, cette diminution d'épaisseur n'élimine pas entièrement les limitations dues à la diffusion car, dans un composant hétérojonction bipolaire ordinaire, les électrons sont injectés dans la région de base avec une faib énergie thermique (environ 26 meV) s ainsi, la produit tion de signaux à haute fréquence, dans de tels compo sants, particulièrement dans la plage des hyperfréquences, n'est-elle pas entièrement satisfaisante. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 209 215 est un brevet ancien qui décrit des composants semi-conducteurs à hétéjonction dans lesquels une région de base étroite est prévue, mais dans lesquels l'émetteur, la base et le collecteur présentent un même type de conductivité. Ce brevet décrit une structure dans laquelle se produisent des effets tunnel mais aucune mention n'est faite à l'utilisation d'une triode hétérojonction avec une base dont la conductivité est opposée à celle des autres électrodes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 286 275 décrit également un composant semi-conducteur à trois bornes et il est orienté vers une réalisation destinée à obtenir une vitesse de commutation accrue. Ce brevet reconnait les limitations du mouvement par diffusion des porteurs de charge et résout ce problème en choisissant la hauteur et la largeur de barrière pour l'émetteur (ou région d'injection des porteurs) de manière à ce que le mécanisme d'injection de courant prédominant soit l'effet tunnel. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 173 763 décrit également un transistor à hétéro o jonction dans lequel une épaisseur de base de 100 A ou moins est utilisée pour produire un effet tunnel depuis l'émetteur vers le collecteur, afin d'obtenir un composant fonctionnant à grande vitesse. Ces brevets antérieurs montrent que les limitations apportées par le mécanisme de diffusion sont connues et que des tentatives ont été faites pour les pallier, à l'aide de diverses structures aptes à produire des transistors qui fonctionnent à des fréquences élevées. Mais cette technique antérieure ne suggère pas qu'un mouvement balistique ou quasi-balistique des porteurs puisse être utilisé pour améliorer la vitesse de fonctionnement. Bien qu'un mouvement balistique dans la base mince d'un transistor bipolaire à l'arséniure de gallium soit suggéré par Rohr et al (SSE 17, page 729, 1974), il n'est pas tenu compte du fait qu'un mouvement à haute énergie peut conduire à des effets de diffusion, dans lesquels les électrons sont diffusés vers des vallées d'énergie supérieures ; il n'a pas été observé non plus que des barrières de potentiel peuvent être utilisées pour lancer des électrons et il n'est pas prévu que ce mouvementpssseeAtreutnsé par résoudre le problème de limitation par diffusion, afin d'obtenir un fonctionnement à grande vitesse. Un objet de l'invention est donc de proposer un composant semi-conducteur bipolaire à hétérojonction, à trois bornes et à grande vitesse de fonctionnement, qui évite les limitations dues au mécanisme de diffusion. Un autre objet de l'invention est de proposer un transistor bipolaire balistique à hétérojonction comprenant une région de base de conductivité opposée à celle des régions d'émetteur et de collecteur et dans lequel l'épaisseur de la région de base est de l'ordre de la longueur du libre parcours moyen des porteurs minoritaires, les porteurs étant injectés par l'émetteur vers la région de base au moyen d'une barrière de potentiel résultant du caractère hétérogène de la jonction émetteur-base. Un autre objet de l'invention est de proposer un transistor bipolaire hétérojonction à grande vitesse dans lequel les limitations dues au mécanisme de diffusion sont éliminées grâce à une barrière d'interface émetteur-base qui sert à accélérer des électrons jusqu'à des énergies voisines de, mais inférieures à, l'énergie de dispersion vers les vallées d'énergie supérieures. Un autre objet de l'invention est de proposer un transistor bipolaire balistique à hétérojonction comprenant une barrière émetteur-base qui permet un mouvement quasi-balistique des électrons sans diffusion. En résumé, Invention concerne un compo- sant senii-conducteur bipolaire & htrojonction comprenant des régions d'émetteur, de base et de collecteur, la jonction émetteur-base pouvant être une jonction GaAlAs-GaAs, ou pouvant être formée d'autres composés III-V. Le composant est formé de manière à ce que la différence de mobilité des électrons entre l'émetteur et la base crée une barrière de potentiel en forme de "crête" au bord de la bande de conduction. Cette crête produit une chute de potentiel pour les électrons qui traversent la barrière et elle est utilisée pour accélérer les électrons jusqu a des niveaux d'énergie proches de, mais inférieurs à, ceux qui entraînent une diffusion vers les vallées supérieures (principalement par interaction de phonons polaro-optiques). L'énergie de dispersion dans GaAs est inférieure ou égale à LE-L = ET#EL = 0,31 eV, où ET est le niveau d'énergie pour la vallée centrale et EL le niveau d'énergie pour la vallée supérieure. Pour GaInAs, aET¯L = 0,56 eV. En utilisant un niveau d'énergie au-dessous du niveau de diffusion, un mouvement quasi-balistique des électrons est produit, de sorte que les électrons peuvent traverser une mince région de base presque sans collision, ce mouvement se produisant à l'intérieur de la région de base plutat qu'à la surface, où des effets antagonistes peuvent apparattre. Cela permet à la structure verticale de tirer pleinement profit des vitesses élevées données aux lectrons, et conduit à un temps de transit émetteurcollecteur situé dans une plage au-dessous de la picoseconde. La crête de la bande de conduction à la jonction émetteur-base est choisie de manière à ce que sa hauteur permette une émission thermo-ionique d'électrons au-dessus de la crête, les électrons étant accélérés jusqu'à une énergie cinétique dans la plage de dix fols l'énergie thermiqu*. Cette énergie cinétique est de préférence environ dix pour cent inférieure b l'énergie nécessaire pour transférer les électrons jusqu'à la vallée supérieure, et produit ainsi une vitesse maximale des électrons et une longueur maximale pour le libre parcours moyen (voisin de 0,15 m pour 0,3 eV). A ce niveau d'énergie, les électrons se dé placent par dérive plutôt que par diffusion, ce qui réduit les collisions avec les impuretés dans la matière. Si des collisions se produisent pour certains des électrons injectés, les conséquences sont mineures et l'énergie n'est réduite que d'un peu plus de 10 pour cent. De même, la plage d'angle de déviation peut être faible (5 à 100) de sorte que la direction souhaitée pour la vitesse des électrons n'est pas sérieusement affectée. La largeur, et plus généralement la forme, de la région de crête (région dite d'interface) est choisie pour éviter l'effet tunnel à travers la barrière complète, afin que la majorité des électrons puisse être accélérés jusqu'à l'énergie appropriée (et non une énergie inférieure). La forme est également ajustée pour réduire la réflexion quantique des électrons qui sont injectés ; ainsi, la pente de la crête doit être plus faible du côté de l'émetteur que du côté de la base. Pour un semi-conducteur GaAs, l'énergie d'injection thermique est d'environ 0,26 eV. Si la région d'interface entre l'émetteur et la base a une o épaisseur de 100 A par exemple, le champ est égal à 0,26e0V 2 2,6 x 105 V/cm, ce qui produit la vitesse 100 A voulue des électrons. Bien que d'autres composés semi-conducteurs III-V conduisent à une énergie d'injection thermique différente et que différentes épais seurs d'interface donnent des résultats différents, le principe reste le même. En plus de la forme de la région d'interface, il existe d'autres facteurs permettant de régler la vitesse des électrons t ce sont la largeur de la région de base et les concentrations en impuretés dans le semi-conducteur. Ainsi, en modifiant ces facteurs, il est possible d'obtenir un brusque gradient de champ dans les zones d'interface (c'est-à-dire dans les zones situées entre une région homogène en GaAs et une région homogène en GaAl) ou d'obtenir un gradient progressif, ce qui permet d'obtenir des crêtes de différentes formes et de différentes hauteurs. Avec un gra dient brusque, la région d'interface peut avoir une o largeur de 15 A tandis que dans le cas d'un gradient progressif, la largeur d'interface peut être comprise o entre 15 A et 100 A. Des transistors ayant ces caractéristiques peuvent être réalisés par des techniques de diffusion ou d'implantation dans une structure quasi-planar, avec des structures mésa ou autres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un diagramme de bande d'énergie pour un composant semi-conducteur à trois bornes compor tant une hétérojonction abrupte selon une forme pré férée de l'invention, - la figure 2 est un diagramme de bande d'énergie pour le composant de la figure 1 avec une polarisation directe, - la figure 3A est un diagramme de bande d'énergie d'une hétérojonction de semiconducteur dans le cas d'un second mode de réalisation, - la figure 3B est un diagramme de bande d'énergie d'une hétérojonction selon un troisième mode de réa- lisation, - les figures 4A et 4B sont des diagrammes de bande d'énergie selon un quatrième et un cinquième mode de réalisation, - la figure 5 est un diagramme de bande d'énergie ae lon un sixième mode de réalisation, - la figure 6 représente schématiquement une structure de transistor quasi-planar selon l'invention, - les figures 7A à 7D sont des représentations schéma tiques de la fabrication d'une structure de transit tor mésa, et - les figures SA et 8B sont des représentations sché matiques d'autres formes de structure de transistor selon l'invention. Pour passer maintenant à un examen plus détaillé des dessins, la figure 1 illustre en 10 la bande d'énergie d'un composant semi-conducteur à trois bornes, comme un transistor bipolaire comprenant une région d'émetteur (E), une région de base (B) et une région de collecteur (C). La bande d'énergie montre en 12 une crête ou barrière de hauteur aEc, crête, qui est formée à l'interface 14 ou hétérojonction, entre l'émetteur et la base. L'émetteur est un semi-conducteur Gaulas de type N. L'énergie de la bande de conduction est notée Ec, celle de la bande de valeur Ev et leurs variations WEC et #Ev. Dans ce composant, la polarisation est nulle et #Ec# 0,85#E9, et zEv¯ 0,15aEg, où E9 est la largeur de l'intervalle g (gap) entre les bandes de conduction et de valence. Ce diagramme montre une variation brusque du niveau d'é- nergie t dans ce cas, la jonction pn co#ncide avec la jonction métallurgique. Etant donné que le transistor bipolaire à hétérojonction représenté met en oeuvre un niveau de dopage pour la base qui est beaucoup plus faible que celui de l'émetteur, la différence d'énergie (heu) dans la région 12 de crête est très proche de la hauteur de la barrière, la pointe négative de potentiel 16, dans la base, étant négligeable. Etant donné que la hauteur de la crête doit être égale ou inférieure au potentiel de dispersion hET¯L, égal à 0,31 eV, la plage de teneur en aluminium dans le composant à semi-conducteur peut être déterminée à partir de l'équation suivante aEc= (1,06 + 0,03) XAlAs pour des valeurs de XAlAs < O,45, où XlAsest la teneur en aluminium dans l'émetteur. Ainsi, si tEC est établie autour de 0,26 eV (qui est inférieur au niveau d'énergie de dispersion pour la composition définie ci-dessus), la teneur en aluminium est environ 25 %. En même temps, une polarisation directe appropriée (Va) doit être établie, produisant des niveaux d'énergie illustrés sur la figure 2, où Va VD - Va= 6E gB où VD est le potentiel établi dans le semi-conducteur à la jonction émetteur-base et #ZE - SB est la diffé- rence d'énergie entre la bande de conduction (bande de valence) et le niveau de Fermi. La largeur de la région de crête 12 dépend du niveau de dopage de la région appropriée de l'émetteur. Dans ce cas, le niveau de dopage doit être d'environ 2 x 1016 cm 3 et à cette valeur, avec Va- 1,3 V, la largeur d'appauvrissement dans la région d'émetteur o est Wn=500 A, tandis que pour ces valeurs, l'effet tunnel pourrait être gênant même avec une largeur d'environ 160 . La largeur de la barrière de potentiel peut être réglée, comme le montrent les figures 3A et 3B, en déplaçant la jonction électrique par rapport & la jonction métallurgique GaAlAs - GaAs, on plaçant une mince matière d'interface 18 entre les régions d'émetteur et de base. La matière 18 est une couche de GaAlAs de type p convenablement dopée et son épaisseur est facilement réglable, permettant ainsi un réglage facile de la largeur de la région de crête. Le niveau de dopage du matériau de type p est choisi de manière que la couche 18 soit complètement appauvrie en fonctionnement normal, que le courant d'injection d'électrons dépende principalement de la concentration des porteurs minoritaires de la région de base GaAs et que, par conséquent, l'efficacité d'injection soit encore élevée. Dans ce cas, le niveau de dopage de l'émetteur peut être supérieur, par exemple 1017 cl¯3. Les bandes d'énergie pour des interfaces abruptes courantes, donnant des crêtes d'hétérojonction plus progressives, sont représentées schématiquement sur les figures 4A et 4B et 5. Dans ces régions, le gradient d'aluminium est modifié à la région d'interface afin de régler la hauteur de barrière à la valeur voulue. Ainsi, la figure 4A montre une hétérojonction de type GaAlAs (N) - GaAs (p+) simi- laire à celle illustrée par la figure 1. Nais dans ce cas, la crête prévue 20, ayant une valeur SEc, est réglée à hE'C en modifiant la teneur en aluminium dans la région d'interface 22. Cette variation de concentration d'aluminium entratne une variation du champ et permet de modifier la forme et la hauteur de la cr#te. La figure 4A montre une crête plus basse ayant des pentes linéaires, mais des courbes de forme plus complexe peuvent être retenues. La hauteur de la barrière effective peut être proche de 0,3 eV même si XAl > O,3. Une bande d'énergie pour une autre hétéro jonction GaAlAs (N) - GaAs (p+) est représentée sur la figure 4B. Dans ce cas, la teneur en aluminium de la couche d'émetteur est augmentée dans la couche d'appauvrissement et réduite à l'interface, changeant ainsi la courbe de potentiel 24 prévue en une nouvelle courbe 26 et en produisant la valeur voulue de la tension de barrière. La fabrication des hétérojonctions des figures 4A et 4B, pour permettre des variations de la teneur en aluminium de la matière d'émetteur, peut être contrôlée facilement en utilisant, par exemple, une croissance épitaxiale par faisceau moléculaire afin d'obtenir les valeurs appropriées des hauteurs et des largeurs de la région de crête. Mais en apportant ces modifications, des précautions doivent être prises pour maintenir la valeur maximale de la crête au-dessous de l'énergie provoquant le transfert des électrons vers la vallée supérieure, pour mettre en forme la crête afin de réduire au minimum les déviations et pour éviter l'effet tunnel. Dans un composant du type illustré sur la figure 3A, la teneur en aluminium de la région d'émetteur GaAlAs de type N peut être supérieure à 30 %, allant généralement jusqu'à 45 %. Une légère interface progressive peut être obtenue (voir figure 5) entre la couche d'émetteur et une mince couche 28 de GaAlAs de type p entre l'émetteur et la base, cette couche servant à déplacer la jonction électrique par rapport à la jonction métallurgique, comme déjà décrit. Cette interface peut conduire à un XAl > 0,30 entre les couches N et p . A la jonction suivante, entre la couche 28 (p } et la couche en GaAs (p+) de la base, la teneur en aluminium peut être réduite sur une courte distance afin d'obtenir un champ élevé. La fabrication de transistors balistiques à hétérojonction ayant les caractéristiques décrites ci-dessus, peut s'effectuer comme le montrent les figures 6 à 8. La figure 6 illustre une structure 30 de transistor quasi-planar du type illustré dans le brevet français 78 26 069. Cette structure peut & re obtenue soit par implantation, soit par diffusion, pour mettre le contact de base sur le même plan que celui de l'émetteur, par une région de type p+, et cela de la manière connue, le dopage et la largeur des interfaces étant réglés pour obtenir les caractéristiques décrites ci-dessus. Une structure mésa du type illustré sur la figure 7 (A à D) peut être utilisée, et convient particulièrement pour des interfaces progressives du type décrit en liaison avec la figure 4B où xAl XAlAs > 40 %. La fabrication d'un transistor mésa tel que le transistor 32 est connue dans l'art antérieur. Une autre structure utilisant une couche d'émetteur à la partie inférieure est illustrée sur la figure 8A. Dans ce composant, l'inductance d'émetteur peut être réduite à des valeurs faibles, qui conviennent pour un fonctionnement à haute fréquence. Cette structure peut utiliser une région implantée de type comme contact de base (CB) sur le même plan que le contact de collecteur (CC). Une seconde implantation (isolement utilisant des protons, de l'oxygène ou du bore pour GaAs) peut être utilisée pour réduire la capacité latérale d'émetteur (zone en pointillé). La même structure de transistor avec émetteur à la partie inférieure peut aussi être réalisée par mésa comme le montre la figure 8. La région de base peut être obtenue par gravure et une structure auto-alignée peut être utilisée pour mettre très étroitement en contact la base et le collecteur. Une implantation d'isolement de la couche d'émetteur (zone en pointillé) au-dessous du contact de base peut réduire la capacité parasite entre l'émetteur et la base. Le composant semi-conducteur à hétérojonction selon l'invention, formé à partir de composés du groupe III-V peut être fabriqué par des procédés de croissance épitaxiale. En particulier, cela englobe les composés GaInAs - GaAs ; InP - GaInAs ; AlGaAsIn - GaInAs ; et AlInAs - GaInAs, des couples d'autres matières pouvant être considérés à des températures de l'azote liquide, comme GaSb - AlSb ou InSb - CdTe. Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits et illustrés à titre d'exemples nullement limitatifs, sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention.

Claims: REVENDICATIONS 1. Composant semi-conducteur bipolaire & hétérojonction fonctionnant à grande vitesse, comportant une région de base (B) d'un premier type de conductivité, des régions d'émetteur (E) et de collecteur (C) d'un second type de conductivité encadrant ladite région de base et formant avec cette dernière une jonction émetteur-base et une jonction collecteur-base, caractérisé en ce que ladite jonction émetteur-base comprend une interface (14) formée par dopage dudit semi-conducteur pour produire une crête d'énergie de bande de conduction avec une hauteur suffisante pour accélérer les électrons qui passent dudit émetteur à ladite base jusqu'd une énergie cinétique permettant d'obtenir un mouvement quasi-balistique desdits électrons dans ladite région de base, ladite énergie cinétique étant suffisamment basse pour éviter la diffusion desdits électrons vers des vallées d'énergies supérieures afin d'éviter les limitations par diffusion dans ladite région de base. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite énergie cinétique est environ dix fois l'énergie thermique normale des électrons dans ledit semi-conducteur. 3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite énergie cinétique est environ dix pour cent inférieure à l'énergie de diffusion desdits électrons. 4. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite interface émetteur-base (14) a une largeur suffisante pour éviter l'effet tunnel des électrons. 5. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dopage dudit semi-conducteur est modifié dans ladite interface pour régler la largeur et la forme de la crête de bande de conduction. 6. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une interface(14) ayant un troisième type de conductivité, cette interface étant intercalée entre ledit émetteur (E) et ladite base (B > , ladite interface étant dopée pour produire un gradient de champ progressif pour la crête de bande de conduction. 7. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite jonction base-émetteur est une jonction GaAlAs - GaAs. 8. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite jonction base-émetteur est choisie parmi des composés semi-conducteurs du groupe III-V, comprenant les couples GaAlAs - GaAsInP - GaInAs ; GaInAs - GaInAs ; et AlInAs - GaInAs. 9. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région de base a une épaisseur de l'ordre du libre parcours moyen des électrons accélérés par la crête de bande de conduction. 10. Procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur bipolaire hétérojonction fonctionnant à grande vitesse, consistant à former un composant ayant une région de base (B) d'un premier type de conductivité et des régions d'émetteur (E) et de collecteur (C) ayant un second type de conductivité, caractérisé en ce qu'il consiste à doper la région d'interface tel4) desdites régions de base et d'émetteur pour produire une variation dans la bande de conduction sous la forme d'une crête ayant une hauteur apte à accélérer les électrons injectés par ladite région d'émetteur vers ladite région de base jusqu'à une énergie cinétique quasi-balistique afin de réduire le temps de transit desdits électrons dans ladite région de base. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dopage de ladite région d'in- terface (14) consiste à additionner une impureté en quantité suffisante pour régler la hauteur de ladite crête.

Inventors: ANKRI, DAVID G., EASTMAN, LESTER F., KU, WALTER H.
Applicants: ETAT FRANCAIS REPRESENTE PAR LE MINISTRE DES PTT (CENTRE NATIONAL D'ETUDES DES TELECOMMUNICATIONS)
Application year: 1983
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29, H01L21