EP0623244A1 - Quantum well p-channel field effect transistor, and integrated circuit having complementary transistors - Google Patents

Quantum well p-channel field effect transistor, and integrated circuit having complementary transistors

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EP0623244A1
EP0623244A1 EP93904106A EP93904106A EP0623244A1 EP 0623244 A1 EP0623244 A1 EP 0623244A1 EP 93904106 A EP93904106 A EP 93904106A EP 93904106 A EP93904106 A EP 93904106A EP 0623244 A1 EP0623244 A1 EP 0623244A1
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EP
European Patent Office
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band
layer
sub
holes
bands
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93904106A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Linh T. Nuyen
Jean Castagne
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Picogiga SA
Original Assignee
Picogiga SA
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Publication date
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Priority claimed from FR9208985A external-priority patent/FR2694132B1/en
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    • H01L29/802Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with heterojunction gate, e.g. transistors with semiconductor layer acting as gate insulating layer, MIS-like transistors

Definitions

  • the invention relates to components of the p-channel field effect transistor type with quantum wells used either in isolation or associated with n-channel field effect transistors in integrated circuits with complementary transistors.
  • digital CMOS silicon integrated circuits constitute an extremely interesting technology thanks to their low consumption, which can reach values as low as 0.3 ⁇ W per bit of memory and which therefore allows large-scale integration of complex digital circuits. .
  • Another possible way consists in using, instead of silicon, III-V alloys, in particular by making the circuits from MESFETs (MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistors: metal-semiconductor field effect transis ⁇ tors) on GaAs , whose parameters of speed and consumption are at values of the order of 0.8 ns for 500 ⁇ W.
  • MESFETs MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistors: metal-semiconductor field effect transis ⁇ tors
  • the fastest circuits that we have been able to make up to now include an AlGaAs / GaAs heterojunction and are made based on HEMTs (High Electron Mobility Transistors), components also known as acronym TEGFETs (Two-Dimensional Electron Gas Field-Effect Tran ⁇ sistors: two-dimensional electron gas field effect transistors) whose propagation time is around 25 to 30 ps per logic gate. But their high consumption, of the order of 4 mW per door, makes it very difficult to integrate on a large scale-
  • the object of the invention is to overcome a certain number of imperfections and limitations (which will be explained in more detail below) of the components known to be AlGaAs / GalnAs heterojunction proposed up to now.
  • one of the aims of the present invention is to propose an appropriate choice of thicknesses and epitaxial layers which makes it possible to produce a p-channel transistor of very high transconductance, typically with a transconductance value of the same order than that of an n-channel transistor, thus making it possible to produce complementary circuits whose p-channel transistors have performances equivalent to those of n-channel transistors.
  • a component is proposed incorporating a conventional heterojunction structure.
  • this known structure comprises a hetero-junction formed between a layer comprising a III-V semicon ⁇ conducting material with a large forbidden band (which is advantageously ⁇ Ga ⁇ As on GaAs substrate, or Al ⁇ .In 1. ⁇ s on InP substrate) and a layer comprising a III-V semiconductor material with a small forbidden band (advantageously Ga 1 ⁇ As), this heterojunction defining in the valence band diagram of the heterostructure, at the level of the layer comprising the material with a small prohibited band, a quantum well comprising HH-type sub-bands.
  • the thickness of the layer comprising the material with a small prohibited band is essentially chosen so that, when a negative voltage is applied to the grid, it appears in the well quantum of the sub-bands HH- j ⁇ and HH 2 , as well as possibly sub-bands of higher order HH 3 , ..., these various sub-bands being separated by an energy such as the corresponding sub-bands the highest effective masses m ⁇ are populated with holes in a concentration significantly lower than that of the holes can plant the sub-band HH ⁇ so as to create a regime of accumulation of holes with low effective mass m / in the quantum well and correspondingly increase the transconductance of the component.
  • a component having a modified structure compared to a conventional hetero-junction.
  • the component successively comprises, epitaxially grown on a substrate: a first layer comprising a III-V semiconductor material with a large forbidden band (advantageously Al 2 .Ga. 2 As on a substrate GaAs); a layer comprising a semiconductor material III-V with small prohibited band (advantageously Ga .nL._As, GaAs- ⁇ Sb ] ⁇ .- ⁇ or Ga y In 1. ⁇ . s w Sb 1. w ); and a second layer comprising a III-V semiconductor material with a large forbidden band (advantageously Al ⁇ Ga 1.
  • the crystalline mesh mismatch between these layers being such that the layer comprising the material with small forbidden band is under uniaxial compressive stress in the plane of the layer and define in the valence band diagram of the structure, at this layer, a quantum well comprising HH type sub-bands.
  • the thickness of the layer comprising the material with a small forbidden band and the composition of the materials with a large forbidden band are essentially chosen so that, when a negative voltage is applied to the grid, it appears in the well.
  • the thickness of the layer comprising this material can be essentially between about 4 nm and about 6 nm for a molar fraction of indium (ly) jn between 0.15 and 0.35, so that the concentration of the holes in the HH 2 sub-band is significantly lower than that in the HH ⁇ sub-band or between approximately 6 nm and approximately 9 nm for a molar fraction of indium dy) ⁇ n of between 0.15 and 0.30, so that the concentration of the holes in the sub-band
  • HH 3 is notably lower than that in the sub-bands ⁇ S .- ⁇ and HH 2 .
  • the invention also relates to an integrated circuit with complementary components of the p-channel and n-channel field effect transistor type transistors, characterized in that it comprises at least one effect transistor p-channel field produced in accordance with the above teachings, so as to lower the average effective mass holes for the p-channel transistor and correspondingly increase the transconductance and the current density thereof.
  • FIG. 1 shows the general structure of two transistors, respectively with n-channel and p-channel, the invention applies to the structure of the p-channel component.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show the shape of the conduction band and the valence band for the structure of FIG. 1, respectively at rest, in the case of the application of a voltage of positive gate (for the n-channel transistor) and in the case of the application of a negative gate voltage (for the p-channel transistor).
  • FIG. 3 represents, with the energy as a function of the wave vector, the valence band diagram of GaAs and GalnAs, in the case of an unconstrained material.
  • FIG. 4 schematically illustrates the structure of a constrained heterojunction and the nature of the stresses undergone.
  • FIG. 5 is equivalent to FIG. 3, for the constrained material of FIG. 4.
  • FIGS. 6a and 6b illustrate the shape of the valence band, respectively at rest and with the application of a negative grid tension, of a constrained structure with low aluminum content.
  • Figures 7a and 7b are homologous to Figures 6a and 6b, for a structure with a high aluminum content.
  • Figures 8a and 8b show the configuration of the quanti ⁇ well formed at the level of the GalnAs layer, for two different thicknesses of this layer.
  • Figures 9a and 9b show more precisely, for two negative voltages of different grids, the position of the different sub-bands present in the quantum well presented in FIG. 8b, in particular by taking into account the triangular deformation of the quantum well when a polarization is applied.
  • Figures 10a, 10b and 10c show, respectively at rest and for two different negative grid voltages, the shape of the valence bank, as well as that of the quantum well and the sub-bands which appear in this well, in the case of the structures of the prior art.
  • Figures 11a, 11b and 11e are homologous to Figures 10a, 10b and 10c, for the structure according to the first aspect of the invention.
  • Figure 12 is homologous with Figure 1, for the structure according to the second aspect of the invention.
  • Figures 13a, 13b, 14, 15 and 16 illustrate the shape of the quantum well formed at the level of the GalnAs layer in various configurations (more specifically, Figures 13a, 13b and 15 refer to the first aspect of the invention, while Figures 14 and 16 refer, by comparison, to the second aspect of the invention).
  • FIG. 1 the starting structure of the invention is shown schematically, which successively comprises:
  • a buffer layer 2 also of GaAs, or consisting of a GaAs / AIGaAs stack, but with perfectly controlled chemical (purity) and crystallographic characteristics, over a thickness of 500 nm (this thickness value, like all those which follow, being unless otherwise indicated a typical value given only for information),
  • ⁇ -doping a volume or planar doping (“ ⁇ -doping”) 3 with silicon
  • n-channel and p-channel field effect transistors can be formed by implanting doped zones, respectively n + and p + referenced 8 and 9, penetrating to layer 3, and forming in surface of the source, drain and gate electrodes S, D and G, in itself entirely conventional.
  • n-channel transistor In the case of the n-channel transistor, if a strongly positive voltage is applied to its gate, greater than a threshold voltage V Tn , it will accumulate electrons in the layer 5 of Ga In x As, thus forming then an n-type channel. Conversely, in the case of the p-channel transistor, if a strongly negative gate voltage is applied, lower than a threshold voltage V ⁇ , holes will accumulate in the layer 5 of Ga y ln ⁇ y As , thus forming a p-type channel.
  • V Q. represents the grid voltage applied (zero, positive or negative depending on the case)
  • E F represents the Fermi level.
  • the reference 10 indicates the place where the electrons accumulate in the case of the n-channel transistor
  • the reference 11 indicates the place where the holes accumulate in the case of the p-channel transistor.
  • FIG. 3 represents in the plane ⁇ S, K ⁇ (energy as a function of the wave vector) the diagram of the valence band in this case: one of the bands, referenced HH, is called “band of heavy holes” , and the other, reference LH, is called “strip of light holes”.
  • the right half-plane corresponds to the wave vector Ky parallel to the interface and the left half-plane to the wave vector K j _ perpendicular to the interface.
  • the bands are strongly deformed, the “heavy” holes HH becoming light and vice versa for the “ light ”LH which become heavy, while perpendicularly (that is to say for the left half-plane of FIG. 5), the“ heavy ”holes HH remain heavy and the“ light ”holes LH remain light .
  • the heavy / light character of the holes is inverted in one of the valence bands and not in the other.
  • the object of the invention is to overcome all of these limitations, by nevertheless making it possible to produce p-channel transistors of very high transconductance, typically of transconductance as high as that of n-channel transistors.
  • the invention incorporates the basic structure which is that illustrated in FIG. 1, with a quantum well formed between a layer 6 of a layer 5 of Ga Jii. y As and a layer 4 of GaAs.
  • the physical effects occurring in these layers are:
  • Laikhtman proposes to use a quantum well sufficiently narrow so that the HH 2 sub-band is located just at the edge of the well as illustrated in FIG. 8b, which leads to wells of the order of 2.5 nm in width. . But this condition is neither necessary nor sufficient.
  • N v m * h // kT / ⁇ h 2 , (3)
  • E F is the Fermi level
  • k is the Bolztmann constant
  • T is the absolute temperature
  • h is the Planck constant
  • my f is the effective mass of the holes.
  • FIGS. 10a, 10b and 10c show in more detail the diagram of the valence band in this case, respectively for a zero gate voltage and two increasing negative gate voltages.
  • the discontinuity of the valence band ⁇ E V between Ga -n ⁇ As and GaAs is of the order of 80 to 130 mV, depending on the concentration of indium (ly) ⁇ n , which can vary between 0.25 and 0.40.
  • Figure 10a three quantum sub-bands HH-L, HH 2 and HH 3 are present in the well given the relatively large width of the latter (15 nm ).
  • the strip of Bure cour ⁇ shows a pseudo-triangular wells with pre sence many HH-L, HH 2 , HH 3 , HH 4 quantum sub-bands and HH 5 .
  • a subband HH and 2
  • the subband HH 3 are filled with holes.
  • M. Jaffe et al. Theoretical Formalism to Understand the Rde of Strain in the Tailoring of Hole Masses in p-Type In y Ga ⁇ . y As (on GaAs Substrates) and
  • Figures 11a to 11e which are homologous to Figures 10a to 10c but for such a quantum well width according to the invention, show the shape of the corresponding valence band.
  • the band curvature reveals the sub-band HH 2 ; due to the narrowness of the quantum well, the latter is then located about a hundred millivolts from HH-L (conversely, if the quantum well was wide, for example 15 nm as in the case described by Grider, the under- HH 2 band would then be only 50 mV from HH-L and would then fill with holes of large effective mass).
  • Ep so that it is not populated with holes if the quantum well is sufficiently narrow.
  • the ré ⁇ reduction of the width thereof (typically to a width of 5 nm) makes it possible to populate the first subband HH-L, ⁇ es others being very weak populated.
  • the quantum well has a width of 5 nm, the p-channel transistor only works with holes of low effective mass.
  • this effective mass is all the lower when the layer 5 of Ga j- ⁇ althoughAs is constrained, in other words rich in in ⁇ dium. We know, however, that this constraint must not exceed a certain limit, beyond which dislocations appear at the interface of the layers. (layers 5 and 4) and (layers 5 and 6). In fact, this phenomenon depends on the thickness of layer 5 of (see for example
  • the p-channel transistor With an effective mass my / of the order of 0.07 m 0 , the p-channel transistor has a transconductance similar to that of an n-channel tran ⁇ sistor. It is then possible to produce integrated circuits with complementary transistors thus paired, with a heterojunction Al ⁇ Ga 1 _ ⁇ s / G --- y In 1 _ ⁇ . S, with x A1 > about 0.7 and (ly) In > 0.25 envi ⁇ ron, in which layer 5 of Ga y In L _ ⁇ s has a thickness of about 5 nm, which are faster than those manufactured up to now, where this layer had a thickness of about 15 nm.
  • the p-channel transistor works essentially only with holes HH ⁇
  • the n-channel transistor only works with electrons of the subband E j ; the E 2 sub-band located at 170 mV EL is only very sparsely populated.
  • the concentration of the holes in HH j is limited by the density of states of this sub-band, and likewise the concentration of the electrons in EL is limited.
  • the current density of the transistors which is proportional to the concentration of the free carriers (holes for the p-channel transistor, electrons for the n-channel transistor), is therefore limited if only the sub-band HH-L is ⁇ P eu Placement of holes and the sub-band E 1?
  • the p-channel transistor can be accepted for the p-channel transistor to have the HH 2 sub-band populated with holes whose effective mass is approximately 2 to 3 times higher than that of the HH ⁇ sub-band while excluding any stand in the HH 3 sub-band where the effective mass is significantly higher (7 to 10 times).
  • the width of the GalnAs quantum well is chosen so that the energy difference between HH 3 and HH-L exceeds 125 mV, the difference between HH 2 and HH-L being of the order of 40 mV .
  • the sub-band E 2 is at 50 mV from E ⁇ which allows it to be populated with electrons under strong grid polarization.
  • the thickness of the layer being increased to 9 nm, it is necessary to lower the indium content of this layer in order to avoid the appearance of interface dislocations; the content of indium (ly) jn is therefore limited to values of the order of 0.25 to 0.30.
  • III-V alloys than those indicated in the example just described can be used, the contents of the various constituents being chosen so as in particular to adapt the mesh parameters of the different alloys.
  • substrate 1 InP layers 2 to 4 Al x ' In-L_ ⁇ As adapted in mesh parameter on InP, that is x' ⁇ 0.48, layer 5 a-Jn ⁇ y As under mechanical stress, either y Ga of the order of 0.12 to 0.22, layer 6 Al ⁇ In ⁇ As adapted as a mesh parameter, layer 7 Ga ⁇ n-L.
  • y ' Ga 0.47.
  • FIG. 12 there is shown schematically the basic structure used in this second embodiment of the invention.
  • This structure is no longer, as in the case of the first embodiment, a binary, conventional, heterojunction structure (a layer of Ga -L. Y As with a small prohibited band associated with a layer of Al ⁇ Ga-L_ ⁇ As with a large forbidden band, the whole being epitaxial on the substrate GaAs), but a ternary structure comprising a layer 5 of GaJJi-L. y As with a small forbidden band sandwiched between two layers 6 of Al ⁇ Ga-L_ x As and 16 of Al z Ga 1.z As with a large forbidden band, these three layers being epitaxialized on the substrate 1, 2 of GaAs.
  • the resulting structure is therefore that illustrated in FIG. 12, the numerical references identical to those of FIG. 1 designating similar parts, which will not be explained in more detail.
  • FIGS. 13 to 16 show, in an enlarged manner, the quantum well formed in the valence band diagram with grid polarization V of the order of -1 V.
  • FIG. 13a which is in fact an enlarged detail of FIG. 11b, shows that, in the first embodiment of the invention, for a quantum well of the order of 5 nm, at the voltage of polarisa ⁇ tion indicated the HH 2 sub-band is only a hundred millivolts from the HH-L ⁇ U ' ⁇ sub-band provided that the indium (ly) ⁇ n concentration reaches approximately 0.35.
  • the invention in its second form of implementation, proposes to push the HH 2 and HH 3 sub-bands towards the highest energies by increasing the discontinuity of the valence band by using the place of GaAs of a material with a large prohibited band such as Al 2 .Ga. 2 As.
  • the indium content is not at all a critical parameter, and that one can choose for the Ga j .In 2 .yAs layer a material with low indium content, which metallurgy will be much easier.
  • the indium content of the its thickness - which defines the width of the quantum well - can also be chosen from a much wider range than for the first embodiment of the invention. Indeed, if we consider FIG.
  • the HH 2 sub-band is then approximately 50 mV from HH 2 and the HH 3 sub-band is, as in the previous case of FIG. 13a, in the enlarged part of the quantum well.
  • this HH sub-band is 40 to 80 mV of HH 2 (depending on the depth of the quantum well, that is to say according to the content of indium (ly) ⁇ , which must be of the order from 0.25 to 0.30), this sub-band is still too close to HH 2 so that its concentration in holes can be neglected.
  • the use in place of GaAs of a material with large prohibited band such as Al z Ga 2 _ z As allows, as illustrated in FIG. 16 , to increase the band discontinuity and therefore to repel the HH 3 sub-band to at least 100 mV of HH 2 , whatever the indium content of Ga. _n 2 . y As.
  • the aluminum content z ⁇ j of Al z Ga 2 _ z As is not critical, it may for example be 0.30, typically z ⁇ j > 0.15. It will be noted that the alloy compositions given above are not limiting, and that, in particular for the central thin layer, alloys other than Ga L ⁇ y As can be used advantageously.
  • the compound GaSb having a lattice parameter similar to that of InAs the GaAs alhages w Sb 2 . w (with w on the order of about 0.85 to 0.90 approximately) and Ga y In 2 . y As w Sb 1.w (with y of the order of approximately 0.70 to 0.80 and w of the order of approximately 0.85 to 0.90) will also be under uniaxial compression stress.

Abstract

Ce transistor comporte une couche AlxGa1-xAs(ou Alx'In1-x'As) et une couche GayIn1-yAs définissant, au niveau de cette dernière couche, un puits quantique comportant des sous-bandes de type HH. Selon l'invention, l'épaisseur de la couche GayIn1-yAs est choisie de manière que, lorsqu'une tension négative (VG) est appliquée à la grille, il apparaisse dans le puits quantique des sous-bandes HH1, HH2, HH3, ... séparées par une énergie telle que les sous-bandes correspondant aux masses effectives m*h// les plus élevées soient peuplées de trous en concentration notablement inférieure à celle des trous pendant la sous-bande HH1, de manière à créer un régime d'accumulation de trous dans le puits quantique et accroître corrélativement la transconductance du composant. Ceci correspond, pour 25 à 35 % d'indium, à une épaisseur de GayIn1-yAs comprise entre 4 et 6 nm environ ou, pour 25 à 30 % d'indium, à une épaisseur comprise entre 6 et 9 nm. On peut également prévoir, pour améliorer encore les performances, une structure ternaire telle que AlxGa1-xAs/GayIn1-yAs/AlzGa1-zAs, AlxGa1-xAs/GAAswSb1-w/AlzGa1-zAs ou AlxGa1-xAs/GayIn1-yAswSb1-w/AlzGa1-zAs.This transistor comprises an AlxGa1-xAs (or Alx'In1-x'As) layer and a GayIn1-yAs layer defining, at the level of this latter layer, a quantum well comprising HH-type sub-bands. According to the invention, the thickness of the GayIn1-yAs layer is chosen so that, when a negative voltage (VG) is applied to the gate, it appears in the quantum well of the sub-bands HH1, HH2, HH3, ... separated by an energy such that the sub-bands corresponding to the highest effective masses m*h// are populated by holes in concentration notably lower than that of the holes during the HH1 sub-band, so as to create a regime accumulation of holes in the quantum well and correlatively increase the transconductance of the component. This corresponds, for 25 to 35% indium, to a thickness of GayIn1-yAs comprised between approximately 4 and 6 nm or, for 25 to 30% indium, to a thickness comprised between 6 and 9 nm. It is also possible to provide, to further improve performance, a ternary structure such as AlxGa1-xAs/GayIn1-yAs/AlzGa1-zAs, AlxGa1-xAs/GAAswSb1-w/AlzGa1-zAs or AlxGa1-xAs/GayIn1-yAswSb1-w/ AlzGa1-zAs.

Description

Transistor à effet de champ à canal p à puits quantique, et circuit intégré à transistors complémentaires P-channel field effect transistor with quantum well, and integrated circuit with complementary transistors
L'invention concerne les composants du type transistor à effet de champ à canal p à puits quantique utilisés soit isolément, soit asso¬ ciés à des transistors à effet de champ à canal n dans des circuits intégrés à transistors complémentaires.The invention relates to components of the p-channel field effect transistor type with quantum wells used either in isolation or associated with n-channel field effect transistors in integrated circuits with complementary transistors.
A cet égard, les circuits intégrés numériques CMOS silicium constituent une technologie extrêmement intéressante grâce à leur faible consommation, qui peut atteindre des valeurs aussi basses que 0,3 μW par bit de mémoire et qui permet donc une intégration à grande échelle de circuits numériques complexes.In this regard, digital CMOS silicon integrated circuits constitute an extremely interesting technology thanks to their low consumption, which can reach values as low as 0.3 μW per bit of memory and which therefore allows large-scale integration of complex digital circuits. .
Cette technologie ne permet cependant pas d'obtenir des circuits très rapides, en raison du temps de propagation relativement long des CMOS silicium ; le temps d'accès des mémoires réalisées de cette manière est ainsi de l'ordre de 10 ns.However, this technology does not make it possible to obtain very fast circuits, due to the relatively long propagation time of the silicon CMOS; the access time of the memories produced in this way is thus of the order of 10 ns.
Si l'on souhaite une plus grande rapidité, il est nécessaire de réa¬ liser les circuits selon une autre technologie, par exemple à partir de transistors bipolaires ECL sur silicium, qui autorisent des temps d'accès de l'ordre de 1 ns.If greater speed is desired, it is necessary to realize the circuits according to another technology, for example from ECL bipolar transistors on silicon, which allow access times of the order of 1 ns.
Mais ces circuits consomment une puissance beaucoup plus im¬ portante, de l'ordre de centaines de microwatts par bit.However, these circuits consume a much greater power, of the order of hundreds of microwatts per bit.
Une autre voie possible consiste à utiliser, au lieu du silicium, des alliages III- V, notamment en réalisant les circuits à partir de MESFETs (MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistors : transis¬ tors métal-semiconducteur à effet de champ) sur GaAs, dont les paramètres de rapidité et de consommation se situent à des valeurs de l'ordre de 0,8 ns pour 500 μW. Mais ces valeurs intermédiaires, qui ne réalisent qu'un compromis entre rapidité et consommation, ne permettent pas à cette technologie de trouver de débouchés in¬ dustriels importants.Another possible way consists in using, instead of silicon, III-V alloys, in particular by making the circuits from MESFETs (MEtal-Semiconductor Field-Effect Transistors: metal-semiconductor field effect transis¬ tors) on GaAs , whose parameters of speed and consumption are at values of the order of 0.8 ns for 500 μW. However, these intermediate values, which only achieve a compromise between speed and consumption, do not allow this technology to find significant industrial outlets.
Les circuits les plus rapides que l'on ait pu réaliser jusqu'à pré¬ sent comportent une hétérojonction AlGaAs/GaAs et sont réalisés à base de HEMTs (High Electron Mobility Transistors : transistors à grande mobilité électronique), composants également connus sous le sigle TEGFETs (Two-Dimensional Electron Gas Field-Effect Tran¬ sistors : transistors à effet de champ à gaz d'électrons bidimension- nel) dont le temps de propagation est de l'ordre de 25 à 30 ps par porte logique. Mais leur consommation élevée, de l'ordre de 4 mW par porte, rend très difficile une intégration à grande échelle-The fastest circuits that we have been able to make up to now include an AlGaAs / GaAs heterojunction and are made based on HEMTs (High Electron Mobility Transistors), components also known as acronym TEGFETs (Two-Dimensional Electron Gas Field-Effect Tran¬ sistors: two-dimensional electron gas field effect transistors) whose propagation time is around 25 to 30 ps per logic gate. But their high consumption, of the order of 4 mW per door, makes it very difficult to integrate on a large scale-
Plus récemment encore, il a été proposé de réaliser des circuits intégrés à hétéroj onction AlGaAs/GalnAs, technologie particulière¬ ment intéressante car elle utilise, comme dans le cas des CMOS, des transistors complémentaires, à canal n et p. On pourra se référer par exemple à D.E. Grider et al., Development of Static RandomMore recently still, it has been proposed to produce integrated circuits with AlGaAs / GalnAs heterojunction, a particularly advantageous technology because it uses, as in the case of CMOS, complementary transistors, with n and p channel. We can refer for example to D.E. Grider et al., Development of Static Random
Access Memories Using Complementary Heterostructure Insulated Gâte Field Effect Transistor Technology, GaAs IC Symposium Di- gest 1990, p. 143. Cette technique permet de réaliser des circuits intégrés à très faible consommation, de l'ordre de 64 μW par porte, avec un relativement faible temps de propagation, de l'ordre deAccess Memories Using Complementary Heterostructure Insulated Gâte Field Effect Transistor Technology, GaAs IC Symposium Di- gest 1990, p. 143. This technique makes it possible to produce integrated circuits with very low consumption, of the order of 64 μW per gate, with a relatively short propagation time, of the order of
200 ps. On a ainsi pu réaliser des mémoires statiques SRAM 4 Kbits avec des performances remarquables de 3,5 ns de temps d'accès et une consommation très faible de 183 mW (voir D.E. Grider et al., Delta-Doped Complementary Heterostructure FETs with High Y- Value Pseudomorphic In Ga1,yAs Channels for Ultra-Low Power200 ps. We were thus able to produce SRAM 4 Kbits memories with remarkable performances of 3.5 ns of access time and a very low consumption of 183 mW (see DE Grider et al., Delta-Doped Complementary Heterostructure FETs with High Y - Value Pseudomorphic In Ga 1 , y As Channels for Ultra-Low Power
Digital IC Applications, IEDM Digest 1991, p. 235).Digital IC Applications, IEDM Digest 1991, p. 235).
L'invention a pour objet de pallier un certain nombre d'imperfec¬ tions et de limitations (que l'on exposera en plus amples détails plus bas) des composants connus à hétéroj onction AlGaAs/GalnAs propo- ses jusqu'à présent.The object of the invention is to overcome a certain number of imperfections and limitations (which will be explained in more detail below) of the components known to be AlGaAs / GalnAs heterojunction proposed up to now.
Plus précisément, l'un des buts de la présente invention est de proposer un choix approprié des épaisseurs et des couches épitaxi- ales qui permette de réaliser un transistor à canal p de transconduc- tance très élevée, typiquement avec une valeur de transconductance du même ordre que celle d'un transistor à canal n, permettant ainsi de réaliser des circuits complémentaires dont les transistors à canal p ont des performances équivalentes à celles des transistors à canal n.More precisely, one of the aims of the present invention is to propose an appropriate choice of thicknesses and epitaxial layers which makes it possible to produce a p-channel transistor of very high transconductance, typically with a transconductance value of the same order than that of an n-channel transistor, thus making it possible to produce complementary circuits whose p-channel transistors have performances equivalent to those of n-channel transistors.
Tel n'était pas le cas jusqu'à présent, les transistors à canal p présentant, dans le meilleur des cas, des transconductances plus de quatre fois inférieures à celles des transistors à canal n ; on expo¬ sera en détail plus loin les phénomènes physiques qui sont à l'ori¬ gine de ces différences.Such was not the case until now, the p-channel transistors having, in the best of cases, transconductances more than four times lower than those of n-channel transistors; we will explain in detail below the physical phenomena which are at the origin of these differences.
Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un compo- sant reprenant une structure classique d'hétérojonction.According to a first aspect of the invention, a component is proposed incorporating a conventional heterojunction structure.
Plus précisément, cette structure connue comporte une hétéro- jonction formée entre une couche comprenant un matériau semicon¬ ducteur III-V à grande bande interdite (qui est avantageusement ^Ga^^As sur substrat GaAs, ou Alχ.In1.χ s sur substrat InP) et une couche comprenant un matériau semiconducteur III-V à petite bande interdite (avantageusement Ga 1^ As), cette hétérojonction définissant dans le diagramme de bande de valence de l'hétérostruc- ture, au niveau de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite, un puits quantique comportant des sous-bandes de type HH.More precisely, this known structure comprises a hetero-junction formed between a layer comprising a III-V semicon¬ conducting material with a large forbidden band (which is advantageously ^ Ga ^^ As on GaAs substrate, or Al χ .In 1. Χ s on InP substrate) and a layer comprising a III-V semiconductor material with a small forbidden band (advantageously Ga 1 ^ As), this heterojunction defining in the valence band diagram of the heterostructure, at the level of the layer comprising the material with a small prohibited band, a quantum well comprising HH-type sub-bands.
De façon caractéristique du premier aspect précité de l'invention, l'épaisseur de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite est essentiellement choisie de manière que, lorsqu'une ten¬ sion négative est appliquée à la grille, il apparaisse dans le puits quantique des sous-bandes HH-j^ et HH2, ainsi qu'éventuellement des sous-bandes d'ordre supérieur HH3, ..., ces diverses sous-bandes étant séparées par une énergie telle que les sous-bandes correspon¬ dant aux masses effectives m ^ les plus élevées soient peuplées de trous en concentration notablement inférieure à celle des trous peu- plant la sous-bande HH^ de manière à créer un régime d'accumula¬ tion de trous à faible masse effective m / dans le puits quantique et accroître corrélativement la transconductance du composant.Characteristically from the aforementioned first aspect of the invention, the thickness of the layer comprising the material with a small prohibited band is essentially chosen so that, when a negative voltage is applied to the grid, it appears in the well quantum of the sub-bands HH- j ^ and HH 2 , as well as possibly sub-bands of higher order HH 3 , ..., these various sub-bands being separated by an energy such as the corresponding sub-bands the highest effective masses m ^ are populated with holes in a concentration significantly lower than that of the holes can plant the sub-band HH ^ so as to create a regime of accumulation of holes with low effective mass m / in the quantum well and correspondingly increase the transconductance of the component.
Selon un second aspect de l'invention, il est proposé un compo¬ sant présentant une structure modifiée par rapport à une hétéro- jonction classique.According to a second aspect of the invention, there is provided a component having a modified structure compared to a conventional hetero-junction.
De façon caractéristique de ce second aspect de l'invention, le composant comporte successivement, épitaxiées sur un substrat : une première couche comprenant un matériau semiconducteur III-V à grande bande interdite (avantageusement Al2.Ga .2As sur un sub- strat de GaAs) ; une couche comprenant un matériau semiconduc- teur III-V à petite bande interdite (avantageusement Ga .n-L._As, GaAs-^Sb]^.-^ ou GayIn1.^.swSb1.w) ; et une seconde couche compre¬ nant un matériau semiconducteur III-V à grande bande interdite (avantageusement AlχGa1.χAs), le désaccord de maille cristalline entre ces couches étant tel que la couche comprenant le matériau à petite bande interdite soit sous contrainte uniaxiale de compression dans le plan de la couche et définisse dans le diagramme de bande de valence de la structure, au niveau de cette couche, un puits quan¬ tique comportant des sous-bandes de type HH. De plus, l'épaisseur de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite et la composition des matériaux à grande bande interdite sont essentiel¬ lement choisies de manière que, lorsqu'une tension négative est appliquée à la grille, il apparaisse dans le puits quantique des sous- bandes HH-L et HH2, ainsi qu'éventuellement des sous-bandes d'ordre supérieur HH3, ..., ces diverses sous-bandes étant séparées par une énergie telle que les sous-bandes correspondant aux masses effectives m ^ les plus élevées soient peuplées de trous en concen¬ tration notablement inférieure à celle des trous peuplant la sous- bande HH-L, de manière à créer un régime d'accumulation de trous à faible masse effective m ^ dans le puits quantique et accroître cor¬ rélativement la transconductance du composant.Characteristically of this second aspect of the invention, the component successively comprises, epitaxially grown on a substrate: a first layer comprising a III-V semiconductor material with a large forbidden band (advantageously Al 2 .Ga. 2 As on a substrate GaAs); a layer comprising a semiconductor material III-V with small prohibited band (advantageously Ga .nL._As, GaAs- ^ Sb ] ^ .- ^ or Ga y In 1. ^. s w Sb 1. w ); and a second layer comprising a III-V semiconductor material with a large forbidden band (advantageously Al χ Ga 1. χ As), the crystalline mesh mismatch between these layers being such that the layer comprising the material with small forbidden band is under uniaxial compressive stress in the plane of the layer and define in the valence band diagram of the structure, at this layer, a quantum well comprising HH type sub-bands. In addition, the thickness of the layer comprising the material with a small forbidden band and the composition of the materials with a large forbidden band are essentially chosen so that, when a negative voltage is applied to the grid, it appears in the well. quantum of the sub-bands HH-L and HH 2 , as well as possibly sub-bands of higher order HH 3 , ..., these various sub-bands being separated by an energy such that the sub-bands corresponding to the masses the highest effective m ^ are populated with holes in a concentration considerably lower than that of the holes populating the HH-L sub-band, so as to create a regime of accumulation of holes with low effective mass m ^ in the quantum well and correspondingly increase the transconductance of the component.
Pour l'un ou l'autre aspect de l'invention, lorsque le matériau à petite bande interdite est Gayln^.yAs, l'épaisseur de la couche com¬ prenant ce matériau peut être essentiellement comprise entre envi- ron 4 nm et environ 6 nm pour une fraction molaire d'indium (l-y)jn comprise entre 0,15 et 0,35, de manière que la concentration des trous dans la sous-bande HH2 soit notablement inférieure à celle dans la sous-bande HH^ ou entre environ 6 nm et environ 9 nm pour une fraction molaire d'indium d-y)ιn comprise entre 0,15 et 0,30, de manière que la concentration des trous dans la sous-bandeFor one or other aspect of the invention, when the material with a small band gap is Ga y ln ^. y As, the thickness of the layer comprising this material can be essentially between about 4 nm and about 6 nm for a molar fraction of indium (ly) jn between 0.15 and 0.35, so that the concentration of the holes in the HH 2 sub-band is significantly lower than that in the HH ^ sub-band or between approximately 6 nm and approximately 9 nm for a molar fraction of indium dy) ι n of between 0.15 and 0.30, so that the concentration of the holes in the sub-band
HH3 soit notablement inférieure à celle dans les sous-bandes ΗS.-^ et HH2.HH 3 is notably lower than that in the sub-bands ΗS .- ^ and HH 2 .
L'invention vise également un circuit intégré à composants com¬ plémentaires du type transistors à effet de champ à canal p et à ca- nal n, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transistor à effet de champ à canal p réalisé conformément aux enseignements ci-des¬ sus, de manière à abaisser la masse effective moyenne des trous pour le transistor à canal p et accroître corrélativement la transconductance et la densité de courant de celui-ci.The invention also relates to an integrated circuit with complementary components of the p-channel and n-channel field effect transistor type transistors, characterized in that it comprises at least one effect transistor p-channel field produced in accordance with the above teachings, so as to lower the average effective mass holes for the p-channel transistor and correspondingly increase the transconductance and the current density thereof.
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On va maintenant exposer en détail l'invention, en référence aux figures annexées ; on notera que, sur toutes les figures, les mêmes références désignent toujours des éléments identiques.We will now describe in detail the invention, with reference to the appended figures; it will be noted that, in all the figures, the same references always designate identical elements.
La figure 1 montre la structure générale de deux transistors, res¬ pectivement à canal n et à canal p, l'invention s'appli quant à la structure du composant à canal p.FIG. 1 shows the general structure of two transistors, respectively with n-channel and p-channel, the invention applies to the structure of the p-channel component.
Les figures 2a, 2b et 2c montrent l'allure de la bande de conduc- tion et de la bande de valence pour la structure de la figure 1, res¬ pectivement au repos, dans le cas de l'application d'une tension de grille positive (pour le transistor à canal n) et dans le cas de l'appli¬ cation d'une tension de grille négative (pour le transistor à canal p). La figure 3 représente, avec l'énergie en fonction du vecteur d'onde, le schéma de bande de valence de GaAs et GalnAs, dans le cas d'un matériau non contraint.FIGS. 2a, 2b and 2c show the shape of the conduction band and the valence band for the structure of FIG. 1, respectively at rest, in the case of the application of a voltage of positive gate (for the n-channel transistor) and in the case of the application of a negative gate voltage (for the p-channel transistor). FIG. 3 represents, with the energy as a function of the wave vector, the valence band diagram of GaAs and GalnAs, in the case of an unconstrained material.
La figure 4 illustre schématiquement la structure d'une hétéro- jonction contrainte et la nature des contraintes subies. la figure 5 est homologue de la figure 3, pour le matériau con- traint de la figure 4.FIG. 4 schematically illustrates the structure of a constrained heterojunction and the nature of the stresses undergone. FIG. 5 is equivalent to FIG. 3, for the constrained material of FIG. 4.
Les figures 6a et 6b illustrent l'allure de la bande de valence, res¬ pectivement au repos et avec application d'une tension négative de grille, d'une structure contrainte à faible teneur en aluminium.FIGS. 6a and 6b illustrate the shape of the valence band, respectively at rest and with the application of a negative grid tension, of a constrained structure with low aluminum content.
Les figures 7a et 7b sont homologues des figures 6a et 6b, pour une structure à forte teneur en aluminium.Figures 7a and 7b are homologous to Figures 6a and 6b, for a structure with a high aluminum content.
Les figures 8a et 8b montrent la configuration du puits quanti¬ que formé au niveau de la couche GalnAs, pour deux épaisseurs dif¬ férentes de cette couche.Figures 8a and 8b show the configuration of the quanti¬ well formed at the level of the GalnAs layer, for two different thicknesses of this layer.
Les figures 9a et 9b montrent de façon plus précise, pour deux tensions négatives de grilles différentes, la position des différentes sous-bandes présentes dans le puits quantique présenté figure 8b, notamment en tenant compte de la déformation triangulaire du puits quantique lorsqu'une polarisation est appliquée.Figures 9a and 9b show more precisely, for two negative voltages of different grids, the position of the different sub-bands present in the quantum well presented in FIG. 8b, in particular by taking into account the triangular deformation of the quantum well when a polarization is applied.
Les figures 10a, 10b et 10c montrent, respectivement au repos et pour deux tensions négatives de grille différentes, l'allure de la ban¬ de de valence, ainsi que celle du puits quantique et des sous-bandes qui apparaissent dans ce puits, dans le cas des structures de l'art antérieur.Figures 10a, 10b and 10c show, respectively at rest and for two different negative grid voltages, the shape of the valence bank, as well as that of the quantum well and the sub-bands which appear in this well, in the case of the structures of the prior art.
Les figures lia, 11b et lie sont homologues des figures 10a, 10b et 10 c, pour la structure selon le premier aspect de l'invention.Figures 11a, 11b and 11e are homologous to Figures 10a, 10b and 10c, for the structure according to the first aspect of the invention.
La figure 12 est homologue de la figure 1, pour la structure selon le second aspect de l'invention.Figure 12 is homologous with Figure 1, for the structure according to the second aspect of the invention.
Les figures 13a, 13b, 14, 15 et 16 illustrent l'allure du puits quantique formé au niveau de la couche de GalnAs dans diverses configurations (plus précisément, les figures 13a, 13b et 15 se réfè¬ rent au premier aspect de l'invention, tandis que les figures 14 et 16 se réfèrent, par comparaison, au second aspect de l'invention).Figures 13a, 13b, 14, 15 and 16 illustrate the shape of the quantum well formed at the level of the GalnAs layer in various configurations (more specifically, Figures 13a, 13b and 15 refer to the first aspect of the invention, while Figures 14 and 16 refer, by comparison, to the second aspect of the invention).
Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique la structure de départ de l'invention, qui comporte successivement :In FIG. 1, the starting structure of the invention is shown schematically, which successively comprises:
— un substrat 1 en GaAs,- a GaAs substrate 1,
— une couche tampon 2, également de GaAs, ou constituée d'un empilement GaAs/AIGaAs, mais avec des caractéristiques chi¬ miques (pureté) et cristallographiques parfaitement contrô¬ lées, sur une épaisseur de 500 nm (cette valeur d'épaisseur, comme toutes celles qui suivent, étant sauf indication con¬ traire une valeur typique donnée uniquement à titre indica- tif),A buffer layer 2, also of GaAs, or consisting of a GaAs / AIGaAs stack, but with perfectly controlled chemical (purity) and crystallographic characteristics, over a thickness of 500 nm (this thickness value, like all those which follow, being unless otherwise indicated a typical value given only for information),
— un dopage volumique ou planaire (« δ-dopage ») 3 au silicium,- a volume or planar doping (“δ-doping”) 3 with silicon,
— une couche 4 de GaAs, de 3 nm d'épaisseur environ,A layer 4 of GaAs, approximately 3 nm thick,
— une couche 5 de Ga^En^^s, de 15 nm d'épaisseur, avec une teneur en gallium yGa de l'ordre de 0,75 à 0,85 environ (ici comme dans la suite, toutes les teneurs sont indiquées en frac- tions molaires),- a layer 5 of Ga ^ En ^^ s, 15 nm thick, with a gallium y Ga content of about 0.75 to 0.85 approximately (here as in the following, all the contents are indicated in frac- molar positions),
— une couche 6 de A^Ga^^As, de 25 nm d'épaisseur, avec une teneur en aluminium x^ de l'ordre de 0,75 environ, etA layer 6 of A ^ Ga ^^ As, 25 nm thick, with an aluminum content x ^ of about 0.75, and
— une couche protectrice 7 de GaAs, de 3 nm d'épaisseur. On notera incidemment que d'autres alliages III-V que ceux indi¬ qués peuvent être utilisés, par exemple une couche 6 de Al <In1_χ-As sur une couche 5 de GalnAs, etc, les teneurs des différents consti¬ tuants étant choisies de manière notamment à adapter les para¬ mètres de maille des différents alliages, sur un substrat InP. Par ailleurs, toutes les couches formant cette structure de départ sont, à l'exception du dopage planaire, des couches non dopées.- a protective layer 7 of GaAs, 3 nm thick. It will be noted incidentally that other III-V alloys than those indicated can be used, for example a layer 6 of Al <In 1 _ χ -As on a layer 5 of GalnAs, etc., the contents of the various constituents being chosen so as in particular to adapt the mesh parameters of the various alloys, on an InP substrate. Furthermore, all the layers forming this starting structure are, with the exception of planar doping, undoped layers.
On peut former sur cette structure des transistors à effet de champ à canal n et à canal p en implantant des zones dopées, res¬ pectivement n+ et p+ référencées 8 et 9, pénétrant jusqu'à la couche 3, et en formant en surface des électrodes S, D et G de source, de drain et de grille, de manière en elle-même tout à fait classique.On this structure, n-channel and p-channel field effect transistors can be formed by implanting doped zones, respectively n + and p + referenced 8 and 9, penetrating to layer 3, and forming in surface of the source, drain and gate electrodes S, D and G, in itself entirely conventional.
On peut ainsi réaliser des circuits logiques à transistors complé¬ mentaires à canal n et p, bien que, comme on l'a indiqué plus haut, la présente invention puisse s'appliquer également à la réalisation de transistors à effet de champ à canal p considérés isolément, c'est- à-dire sous forme de composants discrets.It is thus possible to produce logic circuits with complementary transistors with n and p channel, although, as indicated above, the present invention can also be applied to the production of p channel field effect transistors. considered in isolation, ie in the form of discrete components.
Dans le cas du transistor à canal n, si l'on applique à sa grille une tension fortement positive, supérieure à une tension de seuil VTn, il va s'accumuler des électrons dans la couche 5 de Ga Inx As, formant ainsi alors un canal de type n. Inversement, dans le cas du transistor à canal p, si l'on applique une tension de grille fortement négative, inférieure à une tension de seuil Vτ , il va s'accumuler des trous dans la couche 5 de Gayln^yAs, formant ainsi alors un canal de type p. Les figures 2a, 2b et 2c montrent la configuration correspondante de la bande de conduction Ec et de la bande de valence Ev respecti¬ vement au repos, pour une tension de grille positive (donc correspon¬ dant au transistor à canal n) et pour une tension de grille négative (donc correspondant au transistor à canal p). VQ. représente la ten- sion de grille appliquée (nulle, positive ou négative selon le cas) et EF représente le niveau de Fermi. La référence 10 indique l'endroit où s'accumulent les électrons dans le cas du transistor à canal n, et la référence 11 indique l'endroit où s'accumulent les trous dans le cas du transistor à canal p. On va montrer que les conditions respectives de conduction de ces trous et de ces électrons sont notablement différentes, entraî¬ nant, dans les structures réalisées jusqu'à présent, une très grande discordance entre les propriétés des transistors à canal n et celles des transistors à canal p intégrés dans un même circuit. En effet, on sait que dans GaAs ou GalnAs les électrons ont une faible masse effective m e, tandis que les trous ont une forte masse effective m h (on rappelle que la masse effective correspond à une moyenne statistique) ; en d'autres termes, la mobilité des électrons est élevée, mais celle des trous est très faible. Pour remédier à cet inconvénient empêchant la réalisation de cir¬ cuits logiques complémentaires rapides, il a été proposé par G.C. Osbourn et al., Electron and Hole Effective Masses for Two-Dimen- sional Transport in Strained-Layer Superlattices, Superlattices and Microstructures, Vol. 1, No. 3, p. 223 (1985), d'associer GalnAs avec GaAs ou AlGaAs afin de créer une couche contrainte de GalnAs ayant pour effet de réduire la masse effective des trous par mise en œuvre de phénomènes physiques complexes, que l'on va expliquer succintement ci-dessous.In the case of the n-channel transistor, if a strongly positive voltage is applied to its gate, greater than a threshold voltage V Tn , it will accumulate electrons in the layer 5 of Ga In x As, thus forming then an n-type channel. Conversely, in the case of the p-channel transistor, if a strongly negative gate voltage is applied, lower than a threshold voltage V τ , holes will accumulate in the layer 5 of Ga y ln ^ y As , thus forming a p-type channel. FIGS. 2a, 2b and 2c show the corresponding configuration of the conduction band E c and of the valence band E v respectively at rest, for a positive gate voltage (therefore corresponding to the n-channel transistor) and for a negative gate voltage (therefore corresponding to the p-channel transistor). V Q. represents the grid voltage applied (zero, positive or negative depending on the case) and E F represents the Fermi level. The reference 10 indicates the place where the electrons accumulate in the case of the n-channel transistor, and the reference 11 indicates the place where the holes accumulate in the case of the p-channel transistor. We will show that the respective conduction conditions of these holes and these electrons are significantly different, resulting in the structures produced so far, a very large discrepancy between the properties of n-channel transistors and those of transistors to p channel integrated in the same circuit. Indeed, we know that in GaAs or GalnAs the electrons have a low effective mass m e , while the holes have a high effective mass m h (we recall that the effective mass corresponds to a statistical average); in other words, the mobility of the electrons is high, but that of the holes is very low. To remedy this drawback preventing the realization of fast complementary logic circuits, it has been proposed by GC Osbourn et al., Electron and Hole Effective Masses for Two-Dimensional Transport in Strained-Layer Superlattices, Superlattices and Microstructures, Vol . 1, No. 3, p. 223 (1985), to associate GalnAs with GaAs or AlGaAs in order to create a constrained layer of GalnAs having the effect of reducing the effective mass of the holes by implementing complex physical phenomena, which will be briefly explained below .
Dans un matériau non contraint, la bande de valence de GaAs ou GalnAs est scindée en deux bandes dont la courbure est très nette¬ ment séparée. La figure 3 représente dans le plan {S, K} (énergie en fonction du vecteur d'onde) le schéma de la bande de valence dans ce cas : l'une des bandes, référencée HH, est appelée « bande de trous lourds », et l'autre, référence LH, est appelée « bande de trous lé- gers ». On sait que la masse effective des trous est inversement pro¬ portionnelle à la courbure de la bande, selon la relation :In an unconstrained material, the valence band of GaAs or GalnAs is split into two bands, the curvature of which is very clearly separated. FIG. 3 represents in the plane {S, K} (energy as a function of the wave vector) the diagram of the valence band in this case: one of the bands, referenced HH, is called “band of heavy holes” , and the other, reference LH, is called “strip of light holes”. We know that the effective mass of the holes is inversely proportional to the curvature of the strip, according to the relationship:
**
= ft2 / (d2ξ dK?) (1)= ft 2 / (d 2 ξ dK?) (1)
où h est la constante de Planck, ε est l'énergie et K est le vecteur d'onde.where h is the Planck constant, ε is the energy and K is the vector wave.
Si l'on considère maintenant un matériau contraint, par exemple, comme illustré figure 4, une couche mince de GalnAs comprise entre deux couches de GaAs ou AlGaAs, dans le plan parallèle à l'interface la couche de GalnAs subit une compression, schématisée par les flèches 12, tandis que dans le plan perpendiculaire elle subit une tension, schématisée par la flèche 13.If we now consider a constrained material, for example, as illustrated in FIG. 4, a thin layer of GalnAs lying between two layers of GaAs or AlGaAs, in the plane parallel to the interface the layer of GalnAs undergoes compression, diagrammatically represented by the arrows 12, while in the perpendicular plane it undergoes a tension, shown diagrammatically by the arrow 13.
Sur le schéma de la bande de valence correspondant, illustré figure 5, ces déformations ont pour effet de séparer les bandes de valence et déformer fortement celles-ci dans le plan parallèle à l'interface.On the diagram of the corresponding valence band, illustrated in FIG. 5, these deformations have the effect of separating the valence bands and strongly deforming them in the plane parallel to the interface.
Sur la figure 5, le demi-plan de droite correspond au vecteur d'onde Ky parallèle à l'interface et le demi-plan de gauche au vec¬ teur d'onde Kj_ perpendiculaire à l'interface. Parallèlement à l 'inter- face (c'est-à-dire pour le demi-plan de droite du diagramme de la figure 5), les bandes sont fortement déformées, les trous « lourds » HH devenant légers et inversement pour les trous « légers » LH qui deviennent lourds, tandis que perpendiculairement (c'est-à-dire pour le demi-plan de gauche de la figure 5), les trous « lourds » HH res- tent lourds et les trous « légers » LH restent légers. En d'autres termes, il y a inversion du caractère lourd/léger des trous dans l'une des bandes de valence et non dans l'autre.In FIG. 5, the right half-plane corresponds to the wave vector Ky parallel to the interface and the left half-plane to the wave vector K j _ perpendicular to the interface. Parallel to the interface (that is to say for the right half-plane of the diagram in FIG. 5), the bands are strongly deformed, the “heavy” holes HH becoming light and vice versa for the “ light ”LH which become heavy, while perpendicularly (that is to say for the left half-plane of FIG. 5), the“ heavy ”holes HH remain heavy and the“ light ”holes LH remain light . In other words, the heavy / light character of the holes is inverted in one of the valence bands and not in the other.
La déformation de ces bandes de valence modifie également la répartition statistique des populations de trous ; ainsi, en moyenne, dans un système GaAs/GalnAs/GaAs ou AlGaAs/GalnAs/AlGaAs, les trous ont une masse effective plus faible que dans un système non contraint GaAs/AlGaAs. Ainsi, dans un tel système contraint, les transistors à canal p présentent une mobilité accrue et, partant, une meilleure transconductance gmp. Les travaux précités de Grider mentionnent ainsi des transconductances gmp atteignant 70 mS/mmThe deformation of these valence bands also changes the statistical distribution of hole populations; thus, on average, in a GaAs / GalnAs / GaAs or AlGaAs / GalnAs / AlGaAs system, the holes have a lower effective mass than in an unconstrained GaAs / AlGaAs system. Thus, in such a constrained system, the p-channel transistors exhibit increased mobility and, consequently, better transconductance g mp . The above-mentioned works by Grider thus mention transconductances g mp reaching 70 mS / mm
(millisiemens par millimètre) pour des transistors de 1 μm de lon¬ gueur de grille. Cette valeur est cependant très inférieure aux va¬ leurs homologues gmn de transconductances des transistors à canal n, qui sont de l'ordre de 300 mS/mm, soit un ratio de 4,3 dont il reste à s'affranchir si l'on souhaite que le transistor à canal p fonctionne aussi bien que celui à canal n.(millisiemens per millimeter) for transistors of 1 μm of gate length. This value is however much lower than their counterparts g min of transconductances of n-channel transistors, which are of the order of 300 mS / mm, ie a ratio of 4.3 which remains to be overcome if the we want the p-channel transistor to work as well as the channel n.
Très récemment, il a été proposé par B. Laikhtman et al., Strai- ned Quantum Well Valence-Band Structure and Optimal Parame- ters for AlGaAs-InGaAs -AlGaAs p-Channel Field-Effect Transistors, J. Appl. Phys., Vol. 70, No. 3, p. 1531 (1991), de réduire encore plus la masse effective des trous en utilisant des puits quantiques au niveau d'une couche de GalnAs comprise entre deux couches de AlGaAs, les compositions de ces couches ainsi que la largeur du puits quantique (c'est-à-dire l'épaisseur de la couche de GalnAs) devant être définies de façon que le niveau HH2 soit juste au niveau du bord du puits quantique. La figure 9 de cet article montre que des masses effectives très faibles, de l'ordre de celles des électrons c'est-à-dire voisines de 0,07 m0 (m0 étant la masse de l'électron) peu¬ vent être obtenues, à condition que la teneur ^ en aluminium soit supérieure à 0,2 ; on peut déduire de la figure 8 de ce même article que les auteurs préconisent l'utilisation de couches de GalnAs d'épaisseur comprise entre 2 et 5 nm, la valeur la plus épaisse cor¬ respondant à la concentration en aluminium x^ la plus faible. Plus précisément, à x^ = 0,2 correspond une épaisseur de Ga^-In^yAs comprise entre 4 et 5 n environ, et à x^j = 0,8, une épaisseur de l'ordre de 2,5 nm environ.Very recently, it was proposed by B. Laikhtman et al., Strained Quantum Well Valence-Band Structure and Optimal Parameters for AlGaAs-InGaAs -AlGaAs p-Channel Field-Effect Transistors, J. Appl. Phys., Vol. 70, No. 3, p. 1531 (1991), to further reduce the effective mass of the holes by using quantum wells at the level of a layer of GalnAs lying between two layers of AlGaAs, the compositions of these layers as well as the width of the quantum well (this is ie the thickness of the layer of GalnAs) to be defined so that the level HH 2 is just at the edge of the quantum well. FIG. 9 of this article shows that very low effective masses, of the order of those of the electrons, that is to say close to 0.07 m 0 (m 0 being the mass of the electron) can be obtained, provided that the aluminum content is greater than 0.2; it can be deduced from FIG. 8 of this same article that the authors recommend the use of layers of GalnAs of thickness between 2 and 5 nm, the thickest value corresponding to the lowest aluminum concentration x ^ . More precisely, to x ^ = 0.2 corresponds a thickness of Ga ^ -In ^ y As of between 4 and 5 n approximately, and to x ^ j = 0.8, a thickness of the order of 2.5 nm about.
Ces structures présentent cependant toutes des inconvénients majeurs, aussi bien dans le cas d'une faible teneur en aluminium que d'une forte teneur. En effet, dans le cas d'une faible teneur en aluminium les struc¬ tures présentent une faible discontinuité de bande de valence, autre¬ ment dit une faible barrière de potentiel ΔEV. La figure 6 représente schématiquement la bande de valence d'une telle structure où ^ = 0,2 environ, à l'équilibre (figure 6a) et sous polarisation négative de grille (figure 6b) : dans ce dernier cas, ΔEV est inférieur à 0,1 V et, avec une aussi faible hauteur, les trous traversent cette barrière par effet tunnel (flèche 14 sur la figure 6b) et/ou par effet thermoïonique (flèche 15). Le transistor ne peut donc pas fonctionner correctement, l'effet tunnel et l'effet thermoïonique créant des courants de fuite de grille trop importants. En revanche, les structures à forte teneur en aluminium (xA1 > 0,7 environ) présentent des hauteurs de barrière de potentiel ΔEV raisonnablement élevées, comme illustré figures 7a et 7b, c'est-à- dire supérieures à 0,4 V environ et donc suffisantes pour que le cou- rant de fuite par effet tunnel soit négligeable. Mais pour arriver à ce résultat, l'épaisseur optimale de la couche de Ga In- yAs doit, selon les travaux précités de Laikhtman, descendre à une valeur aussi basse que 2,5 nm pour une teneur en indium (l-y)jn ≥ 0,25 environ.However, these structures all have major drawbacks, both in the case of a low aluminum content and a high content. In fact, in the case of a low aluminum content, the structures have a low discontinuity in the valence band, in other words a low potential barrier ΔE V. FIG. 6 schematically represents the valence band of such a structure where ^ = 0.2 approximately, at equilibrium (FIG. 6a) and under negative grid polarization (FIG. 6b): in the latter case, ΔE V is lower at 0.1 V and, with such a low height, the holes pass through this barrier by tunnel effect (arrow 14 in FIG. 6b) and / or by thermionic effect (arrow 15). The transistor cannot therefore function correctly, the tunnel effect and the thermionic effect creating excessively large gate leakage currents. On the other hand, structures with a high aluminum content (x A1 > 0.7 approximately) have reasonably high potential barrier heights ΔE V , as illustrated in FIGS. 7a and 7b, that is to say greater than 0.4 V approximately and therefore sufficient for the leakage current by tunnel effect to be negligible. But to arrive at this result, the optimal thickness of the Ga In- y As layer must, according to the aforementioned work by Laikhtman, fall to a value as low as 2.5 nm for an indium (ly) jn content ≥ 0.25 approximately.
Une épaisseur aussi faible conduit à plusieurs difficultés, notam- ment :Such a small thickness leads to several difficulties, in particular:
— dans ce faible espace, les trous (ou les électrons) subissent de sévères interactions avec les deux interfaces qui les confinent, réduisant ainsi de façon sensible leur mobilité, et,- in this small space, the holes (or the electrons) undergo severe interactions with the two interfaces which confine them, thus significantly reducing their mobility, and,
— d'autre part, les conditions pratiques de croissance cristalline des couches AlGaAs et GalnAs étant très différentes, il est ex¬ trêmement difficile d'obtenir des interfaces de parfaite qualité, et l'on se trouve alors en présence d'une certaine rugosité d'interface qui détériore encore plus la mobilité, surtout si le puits quantique est de faible largeur. On voit donc que les enseignements de l'art antérieur, lorsqu'ils visent à accroître la mobilité des trous et donc à accroître la trans¬ conductance des transistors à canal p, aboutissent en pratique à une impasse, une faible teneur en aluminium créant des courants de fuite trop importants et une forte teneur en aluminium conduisant à une couche beaucoup trop mince pour être efficace et convenable¬ ment réalisable.- on the other hand, the practical crystal growth conditions of the AlGaAs and GalnAs layers being very different, it is extremely difficult to obtain interfaces of perfect quality, and we are then in the presence of a certain roughness interface which further deteriorates mobility, especially if the quantum well is narrow. It can therefore be seen that the teachings of the prior art, when they aim to increase the mobility of the holes and therefore to increase the trans¬ conductance of the p-channel transistors, lead in practice to a dead end, a low aluminum content creating excessively large leakage currents and a high aluminum content leading to a layer that is far too thin to be effective and conveniently achievable.
L'invention a pour objet de pallier l'ensemble de ces limitations, en permettant néanmoins de réaliser des transistors à canal p de très grande transconductance, typiquement de transconductance aussi élevée que celle des transistors à canal n.The object of the invention is to overcome all of these limitations, by nevertheless making it possible to produce p-channel transistors of very high transconductance, typically of transconductance as high as that of n-channel transistors.
Elle peut être réalisée de deux manières que l'on va maintenant décrire en détail, l'une en conservant une structure classique de puits quantique, l'autre en modifiant cette structure pour en amélio¬ rer encore les performances. Première forme de mise en œuvre de l'inventionIt can be carried out in two ways which will now be described in detail, one by retaining a conventional structure of quantum well, the other by modifying this structure to further improve its performance. First form of implementation of the invention
L'invention reprend la structure de base qui est celle illustrée figure 1, avec un puits quantique formé entre une couche 6 de une couche 5 de Ga Jii.yAs et une couche 4 de GaAs. Les effets physiques intervenant dans ces couches sont :The invention incorporates the basic structure which is that illustrated in FIG. 1, with a quantum well formed between a layer 6 of a layer 5 of Ga Jii. y As and a layer 4 of GaAs. The physical effects occurring in these layers are:
— l'effet de la contrainte mécanique sur la position et la forme de la bande de valence et sur les masses effectives des trous dans le plan de la couche 5 de GaJ ^.^s et dans le plan parallèle à celle-ci,- the effect of mechanical stress on the position and shape of the valence band and on the effective masses of the holes in the plane of layer 5 of GaJ ^. ^ S and in the plane parallel to it,
— l'apparition de sous-bandes (niveaux) quantiques dans la cou¬ che mince 5, et- the appearance of quantum sub-bands (levels) in the thin layer 5, and
— l'effet tunnel à travers la barrière de potentiel constituée par la couche 6 de ^Ga^^s. s.- the tunnel effect through the potential barrier constituted by layer 6 of ^ Ga ^^ s. s.
A ces trois effets s'ajoutent les considérations restrictives sur la largeur du puits quantique, c'est-à-dire sur l'épaisseur de la couche 5 de Ga -n- yAs comme cela a été rappelé plus haut.To these three effects are added the restrictive considerations on the width of the quantum well, that is to say on the thickness of the layer 5 of Ga -n- y As as was recalled above.
Considérons ce dernier paramètre (largeur du puits quantique), en ne prenant en compte que des compositions pour lesquelles la teneur en aluminium x^j est supérieure à 0,7 environ en raison de l'effet tunnel subi par les électrons dans le transistor à canal n, comme cela a été démontré (on pourra à cet égard se référer à la demande de brevet français 91-15140, au nom de la Demanderesse, qui décrit et explique en détail ce phénomène).Let us consider this last parameter (quantum well width), taking into account only compositions for which the aluminum content x ^ j is greater than about 0.7 due to the tunnel effect undergone by the electrons in the transistor at channel n, as has been demonstrated (in this regard, reference may be made to French patent application 91-15140, in the name of the Applicant, which describes and explains this phenomenon in detail).
Considérons d'abord, en première approximation, que le puits quantique créé par Gayln^yAs est symétrique, comme illustré sur les figures 8a et 8b. H apparaît à l'intérieur de ce puits des sous-ban¬ des quantiques HH1} HH2, HH3, etc. qui sont, comme on peut le voir figure 8, d'autant plus séparés en énergie que la largeur du puits est faible. On néghgera la contribution des trous LH, car les niveaux énergétiques des sous-bandes LHχ et LH sont très éloignés (plus de 150 mV) du sommet de la bande de valence dès que la teneur en indium (l-y)ιn dépasse 0,20, ce qui est le cas ici ; ces sous-bandes ne sont donc pas peuplées de trous dans les conditions normales de tra- vail du transistor.Let us first consider, as a first approximation, that the quantum well created by Ga y ln ^ y As is symmetrical, as illustrated in Figures 8a and 8b. H appears inside this well of the quantum sub-banks HH 1} HH 2 , HH 3 , etc. which are, as can be seen in FIG. 8, all the more separated in energy the smaller the width of the well. We will negate the contribution of the LH holes, because the energy levels of the LH χ and LH sub-bands are very far away (more than 150 mV) from the top of the valence band as soon as the indium (ly) ι n content exceeds 0, 20, which is the case here; these sub-bands are therefore not populated with holes under normal working conditions vail of the transistor.
On sait que la masse effective m y/, dans le plan parallèle à l'interface, des trous HH2, HH3 , etc. est supérieure à celle des trous HHL. On a donc intérêt à ce que les sous-bandes HH2, HH3, etc. soient les moins peuplées possibles en trous. L'article précité deWe know that the effective mass my / , in the plane parallel to the interface, of the holes HH 2 , HH 3 , etc. is greater than that of HHL holes. It is therefore advantageous for the sub-bands HH 2 , HH 3 , etc. are the least populated possible in holes. The aforementioned article from
Laikhtman propose d'utiliser un puits quantique suffisamment étroit pour que la sous-bande HH2 se trouve juste au bord du puits comme l'illustre la figure 8b, ce qui amène à des puits de l'ordre de 2,5 nm de largeur. Mais cette condition n'est ni nécessaire ni suffi- santé.Laikhtman proposes to use a quantum well sufficiently narrow so that the HH 2 sub-band is located just at the edge of the well as illustrated in FIG. 8b, which leads to wells of the order of 2.5 nm in width. . But this condition is neither necessary nor sufficient.
Par ailleurs, on a déjà indiqué plus haut que cette condition n'était pas suffisante lorsque la teneur en aluminium ^j est faible, en raison de l'effet tunnel des trous à travers la barrière de potentiel ΔEV. Ceci implique de prévoir des teneurs xA] > 0,7 environ en raison du risque d'effet tunnel subi par les électrons dans le transistor à canal n. Or, dans ces conditions, ΔEV est supérieur à 500 mV et, pour que le niveau HH2 ne soit pas rempli de trous, il n'est pas nécessaire que ce niveau soit au bord du puits, c'est-à-dire à 500 mV du fond du puits ; il est seulement nécessaire qu'il soit suffisamment éloigné de la sous-bande H^ pour que le ratio de concentration en trous entre HH2 et HH-^ soit négligeable.Furthermore, it has already been indicated above that this condition was not sufficient when the aluminum content ^ j is low, due to the tunneling effect of the holes through the potential barrier ΔE V. This implies to provide contents x A] > 0.7 approximately due to the risk of tunnel effect undergone by the electrons in the n-channel transistor. However, under these conditions, ΔE V is greater than 500 mV and, so that the level HH 2 is not filled with holes, it is not necessary that this level is at the edge of the well, that is to say 500 mV from the bottom of the well; it is only necessary that it is sufficiently distant from the sub-band H ^ so that the ratio of concentration of holes between HH 2 and HH- ^ is negligible.
Si l'on suppose que la limite du négligeable est, pour ce ratio, de quelques pourcents, on peut alors déterminer la différence de niveau énergétique entre H^ et HH pour que la concentration de trous dans la sous-bande HH2 soit quelques pourcents de celle dans la sous -bande HH-^If we assume that the negligible limit is a few percent for this ratio, we can then determine the difference in energy level between H ^ and HH so that the concentration of holes in the sub-band HH 2 is a few percent of that in the subband HH- ^
On sait que la concentration p des trous varie avec le niveau énergétique EH de la sous-bande selon la relation :We know that the concentration p of the holes varies with the energy level E H of the sub-band according to the relationship:
p = Nv exp [- (EH - EF) / kT], (2)p = N v exp [- (E H - E F ) / kT], (2)
avec :with:
Nv = m* h// kT / π h2, (3) où EF est le niveau de Fermi, k est la constante de Bolztmann, T est la température absolue, h est la constante de Planck et m yf est la masse effective des trous.N v = m * h // kT / π h 2 , (3) where E F is the Fermi level, k is the Bolztmann constant, T is the absolute temperature, h is the Planck constant and my f is the effective mass of the holes.
Les calculs montrent alors que la condition précitée (que la con- centration des trous de HH2 ne soit que quelques pourcents de celle de HH-L) est remplie lorsque le niveau HH2 est à environ 125 mV de HH-L, ce qui donne des puits quantiques de 5 nm de large environ — valeur nettement supérieure à la valeur de 2,5 nm préconisée par Laikhtman. De façon plus précise, en régime d'accumulation de trous (c'est-à- dire à forte polarisation négative de la grille, pour VQ. < -IV environ) le puits quantique n'est pas de forme rectangulaire, mais de forme pseudo-triangulaire, com e illustré aux figures 9a et 9b.The calculations then show that the aforementioned condition (that the concentration of HH 2 holes is only a few percent of that of HH-L) is fulfilled when the HH 2 level is about 125 mV of HH-L, which gives quantum wells of approximately 5 nm wide - value much higher than the value of 2.5 nm recommended by Laikhtman. More precisely, in the hole accumulation regime (that is to say with a strong negative polarization of the grid, for V Q. <-IV approximately) the quantum well is not of rectangular shape, but of pseudo-triangular shape, as illustrated in FIGS. 9a and 9b.
Dans ces conditions, l'énergie qui sépare les sous-niveaux HH-L e^ HH-2 est un peu plus élevée que pour la configuration rectangulaire, mais cette variation est négligeable par rapport à la valeur différen¬ tielle de 125 mV.Under these conditions, the energy which separates the sub-levels HH-L e ^ HH-2 is a little higher than for the rectangular configuration, but this variation is negligible compared to the differential value of 125 mV.
La forme pseudo-triangulaire a cependant toute son importance dans le cas où le puits quantique n'est pas symétrique, ce qui n'est pas considéré par Laikhtman, mais par Grider dans l'article précité, et dont le schéma de bande a été expliqué en référence aux figures 2a à 2c.The pseudo-triangular form is however of great importance in the case where the quantum well is not symmetrical, which is not considered by Laikhtman, but by Grider in the aforementioned article, and whose band diagram has been explained with reference to Figures 2a to 2c.
Les figures 10a, 10b et 10c reprennent en plus de détails le schéma de la bande de valence dans ce cas, respectivement pour une tension de grille nulle et deux tensions de grille négatives crois¬ santes. On remarque que la discontinuité de la bande de valence ΔEV entre Ga -n^^As et GaAs est de l'ordre de 80 à 130 mV, selon la concentration en indium (l-y)ιn, qui peut varier entre 0,25 et 0,40. On remarque d'autre part que, à l'équilibre (figure 10a), trois sous- bandes quantiques HH-L, HH2 et HH3 sont présentes dans le puits compte tenu de la largeur relativement importante de celui-ci (15 nm). A l'équilibre, ces puits ne sont pas remplis de trous mais, lors- ' que la tension de grille est suffisamment élevée (figure 10b), la cour¬ bure de bande fait apparaître un puits pseudo-triangulaire avec pré- sence de nombreuses sous-bandes quantiques HH-L, H-H2, HH3, HH4 et HH5. Compte tenu de la position en énergie de ces sous-bandes par rapport au niveau de Fermi et au niveau de HH-L, ^a sous-bande HH2 et, partiellement, la sous-bande HH3 sont remplies de trous. Or, comme cela a été décrit par M. Jaffe et al., Theoretical Forma¬ lism to Understand the Rôle of Strain in the Tailoring of Hole Masses in p-Type InyGa^.yAs (on GaAs Substrates) andFIGS. 10a, 10b and 10c show in more detail the diagram of the valence band in this case, respectively for a zero gate voltage and two increasing negative gate voltages. Note that the discontinuity of the valence band ΔE V between Ga -n ^^ As and GaAs is of the order of 80 to 130 mV, depending on the concentration of indium (ly) ι n , which can vary between 0.25 and 0.40. We note on the other hand that, at equilibrium (Figure 10a), three quantum sub-bands HH-L, HH 2 and HH 3 are present in the well given the relatively large width of the latter (15 nm ). At equilibrium, these wells are filled with holes but lors- 'as the gate voltage is sufficiently high (Figure 10b), the strip of Bure cour¬ shows a pseudo-triangular wells with pre sence many HH-L, HH 2 , HH 3 , HH 4 quantum sub-bands and HH 5 . Given the position in energy of these subbands with respect to the Fermi level and HH-L level, ^ a subband HH and 2, partially, the subband HH 3 are filled with holes. However, as described by M. Jaffe et al., Theoretical Formalism to Understand the Rôle of Strain in the Tailoring of Hole Masses in p-Type In y Ga ^. y As (on GaAs Substrates) and
In0.53+χGao.47-o sn InP Substrates) Modulation-Doped Field- Effect Transistors, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, No. 23, p. 1943 (1987) ou par Laikhtman dans l'article précité, la masse effective des trous des sous-bandes supérieures HH2 et HH3 est nettement supérieure à celle dans la sous-bande HHj, le rapport des masses pouvant aller jusqu'à un facteur dix.I n 0.53 + χG a o.47-o sn I n P Substrates) Modulation-Doped Field- Effect Transistors, Appl. Phys. Lett., Vol. 51, No. 23, p. 1943 (1987) or by Laikhtman in the aforementioned article, the effective mass of the holes of the upper sub-bands HH 2 and HH 3 is clearly greater than that in the sub-band HH j , the mass ratio being able to go up to a factor of ten.
Si l'on tient compte de la statistique de remplissage des niveaux HH1? HH2, HH3, ..., on peut déduire, selon Jaffe, une masse effec- tive moyenne m ' / des trous de l'ordre de 0,324 m0, valeur 4,8 fois supérieure à la masse effective des électrons.If we take into account the filling statistic of the HH 1 levels ? HH 2 , HH 3 , ..., we can deduce, according to Jaffe, an average effective mass m ' / holes of the order of 0.324 m 0 , value 4.8 times greater than the effective mass of the electrons.
Ce résultat est concordant avec les résultats expérimentaux ob¬ servés sur la transconductance des transistors à canal p, qui est de 70 mS/mm, valeur 4,3 fois plus faible que celle des transistors à canal n qui est de 300 mS/mm comme indiqué plus haut.This result is consistent with the experimental results observed on the transconductance of p-channel transistors, which is 70 mS / mm, value 4.3 times lower than that of n-channel transistors which is 300 mS / mm as indicated above.
Comme on l'a démontré précédemment, cet inconvénient dispa¬ raît si l'on utilise des puits quantiques ayant une largeur de 5 nm environ.As demonstrated above, this drawback disappears if quantum wells having a width of approximately 5 nm are used.
Les figures lia à lie, qui sont homologues des figures 10a à 10c mais pour une telle largeur de puits quantique selon l'invention, montrent l'allure de la bande de valence correspondant.Figures 11a to 11e, which are homologous to Figures 10a to 10c but for such a quantum well width according to the invention, show the shape of the corresponding valence band.
On voit que, à l'équilibre (figure lia), seule est présente la sous- bande HH-L , en raison du double effet conjugué de l'étroitesse du puits quantique et de la faible valeur de ΔEV entre GaAs et GalnAs, de l'ordre de 100 mV. Pour une polarisation suffisante de la grille, de l'ordre de -1 V, (figure 11b), la courbure de bande fait apparaître la sous-bande HH2 ; en raison de l'étroitesse du puits quantique, cette dernière se trouve alors éloignée d'une centaine de millivolts environ de HH-L ( contrario, si le puits quantique était large, par exemple de 15 nm comme dans le cas décrit par Grider, la sous- bande HH2 se trouverait alors à 50 mV seulement de HH-L et se rem¬ plirait alors de trous de grande masse effective). Pour des valeurs de polarisation supérieures, par exemple VQ. = -1,4 V environ (figure 11b), une sous-bande HH3 peut apparaître, mais son niveau, tout comme celui de HH2, sera suffisamment éloigné du niveau de FermiWe can see that, at equilibrium (FIG. 11a), only the HH-L sub-band is present, due to the double combined effect of the narrowness of the quantum well and of the low value of ΔE V between GaAs and GalnAs, of the order of 100 mV. For a sufficient polarization of the grid, of the order of −1 V, (FIG. 11b), the band curvature reveals the sub-band HH 2 ; due to the narrowness of the quantum well, the latter is then located about a hundred millivolts from HH-L (conversely, if the quantum well was wide, for example 15 nm as in the case described by Grider, the under- HH 2 band would then be only 50 mV from HH-L and would then fill with holes of large effective mass). For higher polarization values, for example V Q. = -1.4 V approximately (figure 11b), an HH 3 sub-band may appear, but its level, like that of HH 2 , will be sufficiently far from the Fermi level
Ep pour qu'elle ne soit pas peuplée de trous si le puits quantique est suffisamment étroit.Ep so that it is not populated with holes if the quantum well is sufficiently narrow.
Ainsi, même lorsque le puits quantique est dissymétrique, la ré¬ duction de la largeur de celui-ci (typiquement pour une largeur de 5 nm) permet de ne peupler que la première sous-bande HH-L, ^es autres étant très faiblement peuplées. En résumé, lorsque le puits quantique a une largeur de 5 nm, le transistor à canal p ne fonc¬ tionne qu'avec des trous de faible masse effective.Thus, even when the quantum well is asymmetrical, the ré¬ reduction of the width thereof (typically to a width of 5 nm) makes it possible to populate the first subband HH-L, ^ es others being very weak populated. In summary, when the quantum well has a width of 5 nm, the p-channel transistor only works with holes of low effective mass.
La valeur de cette masse effective est d'autant plus faible que la couche 5 de Ga j-^ „As est contrainte, autrement dit riche en in¬ dium. On sait cependant que cette contrainte ne doit pas dépasser une certaine limite, au-delà de laquelle apparaissent des disloca¬ tions à l'interface des couches (couches 5 et 4) et (couches 5 et 6). En fait, ce phénomène dépend de l'épaisseur de la couche 5 de (voir par exempleThe value of this effective mass is all the lower when the layer 5 of Ga j- ^ „As is constrained, in other words rich in in¬ dium. We know, however, that this constraint must not exceed a certain limit, beyond which dislocations appear at the interface of the layers. (layers 5 and 4) and (layers 5 and 6). In fact, this phenomenon depends on the thickness of layer 5 of (see for example
J. W. Matthews et A. E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, Vol. 27, p. 118 (1974)). Plus cette couche est mince, plus sa teneur en indium peut être élevée, et plus la masse effective des trous peuplant la sous- bande HH-L est faible. Avec une épaisseur de 5 nm, la teneur en indium (l-y)ιn peut atteindre 0,35 environ, la masse effective m yj des trous du niveau HH-L étant alors de 0,07 m0 environ, ce qui est pratiquement la masse effective des électrons.JW Matthews and AE Blakeslee, J. Cryst. Growth, Vol. 27, p. 118 (1974)). The thinner this layer, the higher its indium content, and the lower the effective mass of the holes populating the HH- L sub-band. With a thickness of 5 nm, the indium (ly) ι n content can reach approximately 0.35, the effective mass my j of the holes of the HH-L level then being approximately 0.07 m 0 , which is practically the effective mass of electrons.
On notera que la différence de niveau d'énergie entre HH-L e^ HH2 augmente avec la concentration en indium et que cette pro- priété favorise donc la diminution de la densité des trous dans HH2 par rapport à HH-L.It will be noted that the difference in energy level between HH-L e ^ HH 2 increases with the concentration of indium and that this property therefore favors the decrease in the density of the holes in HH 2 compared to HH-L.
Avec une masse effective m y/ de l'ordre de 0,07 m0, le transistor à canal p présente une transconductance analogue à celle d'un tran¬ sistor à canal n. On peut alors réaliser des circuits intégrés à tran- sistors complémentaires ainsi appariés, avec une hétéroj onction AlχGa1_^s/G---yIn1_^.s, avec xA1 > 0,7 environ et(l-y)In > 0,25 envi¬ ron, dans lesquels la couche 5 de GayInL_ ^s présente une épaisseur d'environ 5 nm, qui sont plus rapides que ceux fabriqués jusqu'à pré¬ sent, où cette couche présentait une épaisseur de 15 nm environ. Ainsi, avec une épaisseur de 5 nm pour la couche 5, le transistor à canal p ne travaille essentiellement qu'avec des trous HH^ De même, le transistor à canal n ne travaille qu'avec des électrons de la sous-bande Ej ; la sous-bande E2 se situant à 170 mV de E-L n'est que très faiblement peuplée. La concentration des trous dans HHj est limitée par la densité d'états de cette sous-bande, et de même la concentration des élec¬ trons dans E-L est limitée. La densité de courant des transistors, qui est proportionnelle à la concentration des porteurs libres (trous pour le transistor à canal p, électrons pour le transistor à canal n), est donc limitée si seule la sous-bande HH-L es^ PeuPlée de trous et la sous-bande E1? d'électrons. Il existe donc un certain compromis à définir entre faible masse effective m y/ et forte concentration de trous (et d'électrons). Dans cette optique, on peut accepter pour le transistor à canal p d'avoir la sous-bande HH2 peuplée de trous dont la masse effective est à peu près 2 à 3 fois plus élevée que celle de la sous-bande HH^ tout en excluant tout peuplement de la sous-bande HH3 où la masse effective est notablement plus élevée (7 à 10 fois). Dans ce cas, on choisit la largeur du puits quantique de GalnAs de telle façon que la différence d'énergie entre HH3 et HH-L dépasse 125 mV, la différence entre HH2 et HH-L étant de l'ordre de 40 mV.With an effective mass my / of the order of 0.07 m 0 , the p-channel transistor has a transconductance similar to that of an n-channel tran¬ sistor. It is then possible to produce integrated circuits with complementary transistors thus paired, with a heterojunction Al χ Ga 1 _ ^ s / G --- y In 1 _ ^. S, with x A1 > about 0.7 and (ly) In > 0.25 envi¬ ron, in which layer 5 of Ga y In L _ ^ s has a thickness of about 5 nm, which are faster than those manufactured up to now, where this layer had a thickness of about 15 nm. Thus, with a thickness of 5 nm for layer 5, the p-channel transistor works essentially only with holes HH ^ Likewise, the n-channel transistor only works with electrons of the subband E j ; the E 2 sub-band located at 170 mV EL is only very sparsely populated. The concentration of the holes in HH j is limited by the density of states of this sub-band, and likewise the concentration of the electrons in EL is limited. The current density of the transistors, which is proportional to the concentration of the free carriers (holes for the p-channel transistor, electrons for the n-channel transistor), is therefore limited if only the sub-band HH-L is ^ P eu Placement of holes and the sub-band E 1? of electrons. There is therefore a certain compromise to be defined between low effective mass my / and high concentration of holes (and electrons). With this in mind, it can be accepted for the p-channel transistor to have the HH 2 sub-band populated with holes whose effective mass is approximately 2 to 3 times higher than that of the HH ^ sub-band while excluding any stand in the HH 3 sub-band where the effective mass is significantly higher (7 to 10 times). In this case, the width of the GalnAs quantum well is chosen so that the energy difference between HH 3 and HH-L exceeds 125 mV, the difference between HH 2 and HH-L being of the order of 40 mV .
Ces conditions sont satisfaites pour une largeur de puits quantique inférieure à 9 nm environ ; pour cette largeur de puits quantique, la sous-bande E2 est à 50 mV de E^ ce qui lui permet d'être peuplée d'électrons sous forte polarisation de grille. Toutefois, l'épaisseur de la couche étant accrue à 9 nm, il faut baisser la teneur en indium de cette couche afin d'éviter l'apparition de dislocations d'interface ; on limite donc la teneur en indium (l-y)jn à des valeurs de l'ordre de 0,25 à 0,30.These conditions are satisfied for a quantum well width less than approximately 9 nm; for this width of quantum well, the sub-band E 2 is at 50 mV from E ^ which allows it to be populated with electrons under strong grid polarization. However, the thickness of the layer being increased to 9 nm, it is necessary to lower the indium content of this layer in order to avoid the appearance of interface dislocations; the content of indium (ly) jn is therefore limited to values of the order of 0.25 to 0.30.
Par ailleurs, comme indiqué plus haut, d'autres alliages III-V que ceux indiqués dans l'exemple que l'on vient de décrire peuvent être utilisés, les teneurs des différents constituants étant choisies de manière notamment à adapter les paramètres de mailles des diffé¬ rents alliages. On peut ainsi par exemple envisager la structure sui¬ vante : substrat 1 InP couches 2 à 4 Alx'In-L_χAs adapté en paramètre de maille sur InP, soit x'^ = 0,48, couche 5 a-Jn^yAs sous contrainte mécanique, soit yGa de l'ordre de 0,12 à 0,22, couche 6 Al^In^As adapté en paramètre de maille, couche 7 Ga ïn-L .As adapté en paramètre de maille, soit y'Ga = 0,47.Furthermore, as indicated above, other III-V alloys than those indicated in the example just described can be used, the contents of the various constituents being chosen so as in particular to adapt the mesh parameters of the different alloys. One can thus for example consider the following structure: substrate 1 InP layers 2 to 4 Al x ' In-L_ χ As adapted in mesh parameter on InP, that is x' ^ = 0.48, layer 5 a-Jn ^ y As under mechanical stress, either y Ga of the order of 0.12 to 0.22, layer 6 Al ^ In ^ As adapted as a mesh parameter, layer 7 Ga ïn-L. As adapted as a mesh parameter, y ' Ga = 0.47.
Seconde forme de mise en œuvre de l'inventionSecond form of implementation of the invention
Sur la figure 12, on a représenté de façon schématique la struc¬ ture de base utilisée dans cette seconde forme de mise en œuvre de l'invention. Cette structure n'est plus, comme dans le cas du pre¬ mier mode de mise en œuvre, une structure binaire, classique, d'hé- térojonction (une couche de Ga -L.yAs à petite bande interdite asso¬ ciée à une couche de AlχGa-L_χAs à grande bande interdite, l'ensem¬ ble étant épitaxié sur le substrat GaAs), mais une structure ternaire comprenant une couche 5 de GaJJi-L.yAs à petite bande interdite prise en sandwich entre deux couches 6 de AlχGa-L_xAs et 16 de AlzGa1.zAs à grande bande interdite, ces trois couches étant épi- taxiées sur le substrat 1, 2 de GaAs. La structure résultante est donc celle illustrée figure 12, les références numériques identiques à celles de la figure 1 désignant des parties semblables, qui ne seront pas explicitées plus en détail.In Figure 12, there is shown schematically the basic structure used in this second embodiment of the invention. This structure is no longer, as in the case of the first embodiment, a binary, conventional, heterojunction structure (a layer of Ga -L. Y As with a small prohibited band associated with a layer of Al χ Ga-L_ χ As with a large forbidden band, the whole being epitaxial on the substrate GaAs), but a ternary structure comprising a layer 5 of GaJJi-L. y As with a small forbidden band sandwiched between two layers 6 of Al χ Ga-L_ x As and 16 of Al z Ga 1.z As with a large forbidden band, these three layers being epitaxialized on the substrate 1, 2 of GaAs. The resulting structure is therefore that illustrated in FIG. 12, the numerical references identical to those of FIG. 1 designating similar parts, which will not be explained in more detail.
On va maintenant exposer les raisons de cette modification de structure et les avantages qu'elle procure par rapport à la structure du premier mode de mise en œuvre de l'invention.We will now explain the reasons for this structural modification and the advantages that it provides over the structure of the first embodiment of the invention.
A cet effet, on se reportera aux figures 13 à 16, qui représentent, de façon agrandie, le puits quantique formé dans le diagramme de bande de valence à polarisation de grille V de l'ordre de -1 V. La figure 13a, qui est en fait un détail agrandi de la figure 11b, montre que, dans la première forme de mise en œuvre de l'invention, pour un puits quantique de l'ordre de 5 nm, à la tension de polarisa¬ tion indiquée la sous-bande HH2 ne se trouve à une centaine de millivolts de la sous-bande HH-L ^U'^ condition que la concentration en indium (l-y)ιn atteigne 0,35 environ.To this end, reference is made to FIGS. 13 to 16, which show, in an enlarged manner, the quantum well formed in the valence band diagram with grid polarization V of the order of -1 V. FIG. 13a, which is in fact an enlarged detail of FIG. 11b, shows that, in the first embodiment of the invention, for a quantum well of the order of 5 nm, at the voltage of polarisa¬ tion indicated the HH 2 sub-band is only a hundred millivolts from the HH-L ^ U '^ sub-band provided that the indium (ly) ι n concentration reaches approximately 0.35.
Mais une couche de Ga .n-L.yAs avec (l-y)ιn = 0,35 environ est as¬ sez difficile à réaliser, la métallurgie en étant délicate en raison no¬ tamment de la différence de paramètre de maille qui devient très importante.But a layer of Ga .nL.yAs with (ly) ι n = 0.35 approximately is as¬ sez difficult to achieve, metallurgy being delicate due in particular to the difference in mesh parameter which becomes very large.
On pourrait alors être tenté de concevoir une structure ave une couche de GayIn1_yAs moins riche en indium. Toutefois, pour un matériau Ga In-L As à faible teneur en indium, et pour une même largeur de puits quantique, on peut voir figure 13b que, par exemple pour (l-y)ιn ≈ 0,20, la discontinuité de la bande de valence entreOne could then be tempted to design a structure with a layer of Ga y In 1 _ y As less rich in indium. However, for a Ga In-L As material with a low indium content, and for the same quantum well width, it can be seen in FIG. 13b that, for example for (ly) ι n ≈ 0.20, the discontinuity of the strip of valence between
GaAs et G a In^^As n'est plus que de 65 mV, le niveau de la sous- bande HH2 se rapprochant alors de celui de la sous-bande HH . dans ces conditions, il n'est plus possible de négliger la concentra¬ tion de trous dans HH2, voire même dans HH . Pour pallier cette limitation, l'invention, dans sa seconde forme de mise en œuvre, propose de repousser les sous-bandes HH2 et HH3 vers les plus hautes énergies en élevant la discontinuité de la bande de valence par l'utilisation à la place de GaAs d'un matériau à grande bande interdite tel que Al2.Ga .2As. Le schéma de la bande de valence d'un tel système AlχGa1.xAs/GaAs and G a In ^^ As is no longer than 65 mV, the level of the HH 2 sub-band then approaching that of the HH sub-band. under these conditions, it is no longer possible to neglect the concentra¬ tion of holes in HH 2 , or even in HH. To overcome this limitation, the invention, in its second form of implementation, proposes to push the HH 2 and HH 3 sub-bands towards the highest energies by increasing the discontinuity of the valence band by using the place of GaAs of a material with a large prohibited band such as Al 2 .Ga. 2 As. The valence band diagram of such an Al χ Ga 1 system . x Ace /
G Jj-1-L . f A^Ga-L .zAs est illustré sur la figure 14 : il est aisé de voir que, même pour de faibles concentrations en indium, si la concentra¬ tion zA] en aluminium de Al2.Ga .2As est suffisamment élevée, par exemple zAj = 0,30, la discontinuité de la bande de valence entre Ga-JJ-^.yAs et AlzGa2_zAs est suffisante pour que la concentration en trous dans les sous-bandes HH2 et HH3 soit négligeable.G DD-1-L. f A ^ Ga- L. z As is illustrated in FIG. 14: it is easy to see that, even for low concentrations of indium, if the concentration z A] of aluminum of Al 2 .Ga. 2 As is sufficiently high, for example z Aj = 0.30, the discontinuity of the valence band between Ga-JJ- ^ .y As and Al z Ga 2 _ z As is sufficient for the concentration of holes in the sub -HH 2 and HH 3 bands is negligible.
On voit donc que, dans cette seconde forme de mise en œuvre, la teneur en indium n'est pas du tout un paramètre critique, et que l'on peut choisir pour la couche de Gaj.In2.yAs un matériau à faible teneur en indium, dont la métallurgie sera beaucoup plus aisée. Outre la teneur en indium de la couche de son épais¬ seur — qui définit la largeur du puits quantique — peut être égale¬ ment choisie dans une gamme beaucoup plus large que pour la pre¬ mière forme de mise en œuvre de l'invention. En effet, si l'on considère la figure 15 qui représente le dia¬ gramme de bande de valence de la première forme de réalisation pour une largeur de puits quantique de l'ordre de 6 à 9 nm, toujours à polarisation V = -1 V, la sous-bande HH2 se trouve alors à 50 mV environ de HH2 et la sous-bande HH3 est, comme dans le cas précé- dent de la figure 13a, dans la partie élargie du puits quantique.We therefore see that, in this second form of implementation, the indium content is not at all a critical parameter, and that one can choose for the Ga j .In 2 .yAs layer a material with low indium content, which metallurgy will be much easier. In addition to the indium content of the its thickness - which defines the width of the quantum well - can also be chosen from a much wider range than for the first embodiment of the invention. Indeed, if we consider FIG. 15 which represents the dia¬ gram of valence band of the first embodiment for a quantum well width of the order of 6 to 9 nm, still with V = -1 polarization V, the HH 2 sub-band is then approximately 50 mV from HH 2 and the HH 3 sub-band is, as in the previous case of FIG. 13a, in the enlarged part of the quantum well.
Cependant, bien que cette sous-bande HH soit à 40 à 80 mV de HH2 (selon la profondeur du puits quantique, c'est-à-dire selon la teneur en indium (l-y)^, qui doit être de l'ordre de 0,25 à 0,30), cette sous-bande est encore trop proche de HH2 pour que sa concen- tration en trous puisse être négligée.However, although this HH sub-band is 40 to 80 mV of HH 2 (depending on the depth of the quantum well, that is to say according to the content of indium (ly) ^, which must be of the order from 0.25 to 0.30), this sub-band is still too close to HH 2 so that its concentration in holes can be neglected.
Pour pallier cette limitation, de la même manière que dans le cas de la figure 14, l'utilisation à la place de GaAs d'un matériau à grande bande interdite tel que AlzGa2_zAs, permet, comme illustré figure 16, d'accroître la discontinuité de bande et donc de repousser la sous-bande HH3 à 100 mV au moins de HH2, quelle que soit la teneur en indium de Ga. _n2.yAs.To overcome this limitation, in the same way as in the case of FIG. 14, the use in place of GaAs of a material with large prohibited band such as Al z Ga 2 _ z As, allows, as illustrated in FIG. 16 , to increase the band discontinuity and therefore to repel the HH 3 sub-band to at least 100 mV of HH 2 , whatever the indium content of Ga. _n 2 . y As.
Ici encore, la teneur en aluminium z^j de AlzGa2_zAs n'est pas critique, elle peut être par exemple de 0,30, typiquement z^j > 0,15. On notera que les compositions d'alliage données ci-dessus ne sont pas limitatives, et que, notamment pour la couche mince cen¬ trale, des alliages autres que Ga L^yAs peuvent être utilisés avan¬ tageusement.Here again, the aluminum content z ^ j of Al z Ga 2 _ z As is not critical, it may for example be 0.30, typically z ^ j > 0.15. It will be noted that the alloy compositions given above are not limiting, and that, in particular for the central thin layer, alloys other than Ga L ^ y As can be used advantageously.
Il en est ainsi des alliages à base d'antimoine, qui présentent une plus grande mobilité de trous que Ga Li _yAs. À cet égard, le com- posé GaSb ayant un paramètre de maille similaire à celui de InAs, les alhages GaAswSb2.w (avec w de l'ordre de 0,85 à 0,90 environ) et GayIn2.yAswSb1.w (avec y de l'ordre de 0,70 à 0,80 environ et w de l'ordre de 0,85 à 0,90 environ) seront également sous contrainte uni- axiale de compression. This is the case with alloys based on antimony, which exhibit greater mobility of holes than Ga Li _ y As. In this respect, the compound GaSb having a lattice parameter similar to that of InAs, the GaAs alhages w Sb 2 . w (with w on the order of about 0.85 to 0.90 approximately) and Ga y In 2 . y As w Sb 1.w (with y of the order of approximately 0.70 to 0.80 and w of the order of approximately 0.85 to 0.90) will also be under uniaxial compression stress.

Claims

REVENDICATIONS
1. Un composant du type transistor à effet de champ à canal p, avec une hétéroj onction formée entre une couche (6) comprenant un matériau semiconducteur III-V à grande bande interdite et une cou¬ che (5) comprenant un matériau semiconducteur III-V à petite bande interdite dont le désaccord de maille cristalline avec le reste de la structure est tel que cette couche comprenant le matériau à petite bande interdite soit sous contrainte uniaxiale de compression dans le plan de la couche, cette hétéroj onction définissant dans le diagramme de bande de valence de l'hétérostructure, au niveau de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite, un puits quantique comportant des sous-bandes de type HH, composant caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche compre- nant le matériau à petite bande interdite est essentiellement choisie de manière que, lorsqu'une tension négative (V ) est appliquée à la grille, il apparaisse dans le puits quantique des sous-bandes HH2 et HH2, ainsi qu'éventuellement des sous-bandes d'ordre supérieur HH3, ..., ces diverses sous-bandes étant séparées par une énergie telle que les sous-bandes correspondant aux masses effectives ni' },// les plus élevées soient peuplées de trous en concentration notable¬ ment inférieure à celle des trous peuplant la sous-bande HH2, de manière à créer un régime d'accumulation de trous à faible masse effective m y/ dans le puits quantique et accroître corrélativement la transconductance du composant.1. A component of the p-channel field effect transistor type, with a heterojunction formed between a layer (6) comprising a III-V semiconductor material with a large forbidden band and a layer (5) comprising a III semiconductor material -V with small prohibited band whose crystalline mesh mismatch with the rest of the structure is such that this layer comprising the material with small prohibited band is under uniaxial compressive stress in the plane of the layer, this heterojunction defining in the diagram of valence band of the heterostructure, at the level of the layer comprising the material with small forbidden band, a quantum well comprising HH type sub-bands, component characterized in that the thickness of the layer comprising the material with a small forbidden band is essentially chosen so that, when a negative voltage (V) is applied to the grid, it appears in the quantum well of the -HH2 and HH 2 bands, as well as possibly higher order sub-bands HH 3 , ..., these various sub-bands being separated by an energy such that the sub-bands corresponding to the effective masses ni ' } , // the highest are populated with holes in a concentration significantly lower than that of the holes populating the HH 2 sub-band, so as to create a regime of accumulation of holes with low effective mass my / in the quantum well and increase correlatively the transconductance of the component.
2. Le composant de la revendication 1 , dans lequel le matériau à grande bande interdite est AlχGa2_χAs et le matériau à petite bande interdite est GayIn2_yAs, ces matériaux étant épitaxiés sur un sub- strat (D de GaAs.2. The component of claim 1, in which the material with a large band gap is Al χ Ga 2 _ χ As and the material with a small band gap is Ga y In 2 _ y As, these materials being epitaxially grown on a substrate (D of GaAs.
3. Le composant de la revendication 1, dans lequel le matériau à grande bande interdite est AlχIn2.χAs et le matériau à petite bande interdite est Ga Inj.yAs, ces matériaux étant épitaxiés sur un sub- strat (D de InP. 3. The component of claim 1, wherein the material with a large band gap is Al χ In 2 . χ As and the material with small forbidden band is Ga In j . y As, these materials being epitaxial on a substrate (D of InP.
4. Un composant du type transistor à effet de champ à canal p, caractérisé :4. A component of the p-channel field effect transistor type, characterized:
— en ce qu'il comporte successivement, épitaxiées sur un sub¬ strat (1) : • une première couche (16) comprenant un matériau semicon¬ ducteur III-V à grande bande interdite,- in that it comprises successively, epitaxially grown on a sub¬ stratum (1): • a first layer (16) comprising a III-V semicon¬ conducting material with a large prohibited band,
• une couche (5) comprenant un matériau semiconducteur m-V à petite bande interdite, etA layer (5) comprising a m-V semiconductor material with a small forbidden band, and
• une seconde couche (6) comprenant un matériau semicon- ducteur III-V à grande bande interdite, le désaccord de maille cristalline entre ces couches étant tel que la couche comprenant le matériau à petite bande inter¬ dite soit sous contrainte uniaxiale de compression dans le plan de la couche et définisse dans le diagramme de bande de valence de la structure, au niveau de cette couche, un puits quantique comportant des sous-bandes de type HH, et• a second layer (6) comprising a III-V semiconductor material with a large prohibited band, the crystalline mesh mismatch between these layers being such that the layer comprising the material with a small band prohibited is under uniaxial compression stress in the plane of the layer and define in the valence band diagram of the structure, at the level of this layer, a quantum well comprising HH-type sub-bands, and
— en ce que l'épaisseur de la couche comprenant le matériau à petite bande interdite et la composition des matériaux à gran¬ de bande interdite sont essentiellement choisies de manière que, lorsqu'une tension négative (VQ.) est appliquée à la grille, il apparaisse dans le puits quantique des sous-bandes HH2 et HH2, ainsi qu'éventuellement des sous-bandes d'ordre supé¬ rieur HH3, ..., ces diverses sous-bandes étant séparées par une énergie telle que les sous-bandes correspondant aux masses effectives m y/ les plus élevées soient peuplées de trous en concentration notablement inférieure à celle des trous peuplant la sous-bande HHL, de manière à créer un régime d'accumulation de trous à faible masse effective ιoa*y/ dans le puits quantique et accroître corrélativement la trans- conductance du composant.- in that the thickness of the layer comprising the material with a small forbidden band and the composition of the materials with a large forbidden band are essentially chosen so that, when a negative voltage (V Q. ) Is applied to the grid , it appears in the quantum well of the sub-bands HH 2 and HH 2 , as well as possibly sub-bands of higher order HH 3 , ..., these various sub-bands being separated by an energy such that the sub-bands corresponding to the highest effective masses my / are populated with holes in a concentration considerably lower than that of the holes populating the HHL sub-band, so as to create a regime of accumulation of holes with low effective mass ιoa * y / in the quantum well and correspondingly increase the trans- conductance of the component.
5. Le composant de la revendication 4, dans lequel le matériau à grande bande interdite de la seconde couche est Alj.Ga2.xAs, le maté¬ riau à petite bande interdite est Ga -^yAs et le matériau à grande bande interdite de la première couche est AlzGa2_2As, ces matériaux 235. The component of claim 4, in which the material with a large prohibited band of the second layer is Al j .Ga 2 .xAs, the material with a small prohibited band is Ga - ^ y As and the material with a large band prohibited from the first layer is Al z Ga 2 _ 2 As, these materials 23
étant épitaxiés sur un substrat de GaAs.being epitaxially grown on a GaAs substrate.
6. Le composant de l'une des revendications 1 et 4, dans lequel le matériau à petite bande interdite est GaAswSb2_w.6. The component of one of claims 1 and 4, wherein the material with small band gap is GaAs w Sb 2 _ w .
7. Le composant de l'une des revendications 1 et 4, dans lequel le matériau à petite bande interdite est Ga In2_y swSb2_ v.7. The component of one of claims 1 and 4, wherein the material with small band gap is Ga In2_y s w Sb2_ v .
8. Le composant de l'une des revendications 2 et 5, dans lequel l'épaisseur de la couche comprenant Ga L^.yAs est essentiellement comprise entre environ 4 nm et environ 6 nm, pour une fraction molaire d'indium d-y)ιn comprise entre 0,15 et 0,35, de manière que la concentration des trous dans la sous-bande HH2 soit notablement inférieure à celle dans la sous-bande HH2.8. The component of one of claims 2 and 5, wherein the thickness of the layer comprising Ga L ^. y As is essentially between about 4 nm and about 6 nm, for a molar fraction of indium dy) ι n between 0.15 and 0.35, so that the concentration of the holes in the HH 2 sub-band is significantly lower than that in the HH2 sub-band.
9. Le composant de l'une des revendications 2 et 5, dans lequel l'épaisseur de la couche comprenant GayIn _yAs est essentiellement comprise entre environ 6 nm et environ 9 nm, pour une fraction molaire d'indium (l-y)jn comprise entre 0,15 et 0,30, de manière que la concentration des trous dans la sous-bande HH3 soit notablement inférieure à celle dans les sous-bandes HH2 et HH2.9. The component of one of claims 2 and 5, in which the thickness of the layer comprising Ga y In _ y As is essentially between approximately 6 nm and approximately 9 nm, for a molar fraction of indium (ly ) jn between 0.15 and 0.30, so that the concentration of the holes in the sub-band HH 3 is significantly lower than that in the sub-bands HH 2 and HH 2 .
10. Un circuit intégré à composants complémentaires du type transistors à effet de champ à canal p et à canal n, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un transistor à effet de champ à canal p réalisé selon l'une des revendications précédentes, de manière à abaisser la masse effective moyenne m / des trous pour le transis¬ tor à canal p et accroître corrélativement la transconductance et la densité de courant de celui-ci. 10. An integrated circuit with complementary components of the p-channel and n-channel field effect transistor type, characterized in that it comprises at least one p-channel field effect transistor produced according to one of the preceding claims, so as to lower the average effective mass m / of the holes for the p-channel transis¬ tor and correspondingly increase the transconductance and the current density thereof.
EP93904106A 1992-01-22 1993-01-21 Quantum well p-channel field effect transistor, and integrated circuit having complementary transistors Withdrawn EP0623244A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2189345A (en) * 1986-04-16 1987-10-21 Philips Electronic Associated High mobility p channel semi conductor devices
FR2619250B1 (en) * 1987-08-05 1990-05-11 Thomson Hybrides Microondes DOUBLE HETEROJUNCTION HYPERFREQUENCY TRANSISTOR
US4994866A (en) * 1988-01-07 1991-02-19 Fujitsu Limited Complementary semiconductor device
JPH02202029A (en) * 1989-01-31 1990-08-10 Sony Corp Compound semiconductor device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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