FR2463511A1

FR2463511A1 - Transistor a porteurs de charge chauds

Info

Publication number: FR2463511A1
Application number: FR8017366A
Authority: FR
Inventors: John Martin Shannon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-08-08
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1981-02-20
Also published as: CA1157961A; IE801633L; IE50185B1; ES494024A0; AU6107680A; GB2056166B; DE3027599A1; IT8024018A0; NL186126C; US4862238A; GB2056166A; ES8104639A1; FR2463511B1; DE3027599C2; AU536182B2; NL8004470A; IT1132331B

Abstract

TRANSISTOR COMPORTANT UNE ZONE DE BASE 2 D'UN PREMIER TYPE DE CONDUCTIVITE, DANS LAQUELLE LE PASSAGE DU COURANT EST ASSURE PAR DES PORTEURS DE CHARGE MAJORITAIRES CHAUDS 7. LES MOYENS DE FORMATION D'UNE COUCHE D'ARRET EMETTEUR-BASE COMPORTENT UNE ZONE 4 DONT L'EPAISSEUR ET LA CONCENTRATION DE DOPAGE DE CONDUCTIVITE OPPOSE SONT GRANDES AU POINT QUE LADITE ZONE D'ARRET 4 N'EST PAS APPAUVRIE SUR AU MOINS UNE PARTIE DE SON EPAISSEUR PAR LA (LES) ZONE(S) D'EPUISEMENT QUI EXISTE(NT) AU POTENTIEL ZERO PRES DE LA COUCHE D'ARRET. L'APPLICATION D'UNE TENSION DE POLARISATION (V) ENTRE LA BASE 2 ET L'EMETTEUR 5 DU TRANSISTOR EST NECESSAIRE POUR APPORTER LESDITS PORTEURS 7 AYANT DES ENERGIES SUPERIEURES AU SAUT D'ENERGIE DE LA COUCHE D'ARRET BASE-COLLECTEUR, CE QUI AMELIORE LE RENDEMENT DE COLLECTEUR DU TRANSISTOR. L'APPORT DESDITS PORTEURS 7 PEUT AVOIR LIEU PAR RUPTURE A EFFET D'AVALANCHE OU A EFFET ZENER DE LADITE ZONE D'ARRET. IL EST POSSIBLE D'OBTENIR UNE FAIBLE CAPACITE D'EMETTEUR EN INSERANT ENTRE LE CONTACT D'EMETTEUR 5 ET LADITE ZONE D'ARRET 4 UNE ZONE A MOINS FORTE CONCENTRATION DE DOPAGE 6, DE SORTE QUE LES ZONES D'EPUISEMENT SONT DAVANTAGE ETENDUES. LA COUCHE D'ARRET PEUT ETRE COMPLETEMENT APPAUVRIE 1. APPLICATION TRANSISTORS HAUTE-FREQUENCE.

Description

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"Transistor à porteurs de charge chauds."

L'invention concerne un transistor comportant un corps semiconducteur muni d'une zone de base d'un premier type de conductivité, dans lequel le passage du courant est assuré par des porteurs de charge majoritaires chauds, et de moyens de formation de couches d'arrêt qui, conjointement avec ladite zone de base, forment des couches d'arrêt émetteur-base et base-collecteur, alors que lesdits moyens de formation d'une couche d'arrêt émetteur-base comportent une zone d'arrêt ayant

une concentration de dopage déterminant un second type de con-

ductivité opposé au premier.

Un tel transistor est connu du brevet américain (US-PS) NO 4 149 174. Un tel transistor peut être appelé transistor "à électrons chauds" ou transistor "à trous chauds", selon

que les porteurs de charge majoritaires chauds sont des élec-

trons ou des trous.

Un porteur de charge "chaud" est un porteur de charge qui

n'est pas en équilibre thermique avec le réseau cristallin.

Ainsi, les électrons chauds sont nantis d'énergies qui dépas-

sent de plus de quelques k.T l'énergie de la limite de bande de conductivité (k et T étant dans cet ordre la constante de Boltzmann et la température cristalline), alors que les trous chauds sont nantis d'énergies inférieures de quelques k.T à

l'énergie de la limite de bande de valence.

De tels transistors peuvent avoir des effets négligeables d'accumulation de porteurs de charge minoritaires tant dans la zone d'émetteur que dans la zone de base, et conviennent par conséquent à l'utilisation à une vitesse de commutation ou à une fréquence élevées. De plus, ils peuvent avoir une faible résistance de base du fait que l'on choisit pour la

zone de base une concentration de dopage élevée du premier ty-

pe de conductivité, et ils peuvent être relativement insensi-

bles aux inhomogénéités dans le dopage de base. Voilà pourquoi de tels transistors peuvent offir des avantages considérables en comparaison des transistors bipolaires conventionnels n-p-n

ou p-n-p.

Suivant un mode de réalisation décrit dans ledit brevet américain, lesdits moyens de formation d'une couche d'arrêt

émetteur-base comportent une zone d'arrêt ayant une concentra-

tion de dopage déterminant un type de conductivité opposé à celui de la zone de base. Cette zone d'arrêt sépare la zone

de base et une zone d'émetteur ayant le même type de conduc-

tivité que ladite zone de base, et forme avec celles-ci des

zones d'épuisement. La zone d'arrêt a une épaisseur suffisam-

ment faible pour fusionner dans ladite zone de couche d'arrêt ces zones d'épuisement formées en potentiel zéro, de sorte

qu'au potentiel zéro, ladite zone d'arrêt entière est appau-

vrie sensiblementEn porteurs de charge mobiles dudit premier

type de conductivité ainsi que dudit second type de conducti-

vité opposé.

Dans les transistors décrits dans ledit brevet américain, on a choisi une couche d'arrêt émetteur-base dont le saut

d'énergie est supérieur à celui de la couche d'arrêt base-

collecteur, de sorte que la plupart des porteurs de charge

chauds introduits dans la zone de base ont des énergies suffi-

samment élevées pour vaincre la couche d'arrêt base-collec-

teurs, alors que l'on obtient un bon rendement de collecteur.

Un rendement de collecteur élevé est souhaitable, notamment

pour l'obtention d'une forte amplification de courant du trans-

sistor en circuit à émetteur commun. Souvent, il est désirable aussi de disposer d'une faible capacité d'émetteur, notamment dans le cas de fonctionnement à haute vitesse de commutation

ou à haute fréquence.

L'invention vise à procurer une amélioration des moyens de formation d'une couche d'arrêt émetteur-base, permettant d'augmenter l'énergie des porteurs émis par rapport au saut

d'énergie de la couche d'arrêt base-collecteur ainsi que d'ob-

tenir des structures pouvant avoir une capacité d'émetteur

plus faible.

Conformément à l'invention, un transistor du genre décrit dans le préambule est remarquable en ce que l'épaisseur et la concentration de dopage de ladite zone d'arrêt sont suffisants pour qu'au moins sur une partie de son épaisseur, ladite zone d'arrêt n'est pas occupée par la (les) zone(s) d'épuisement qui, au potentiel zéro, se situe(nt) à proximité de ladite

couche d'arrêt émetteur-base, alors que l'appruamon d'une ten-

sion de polarisation entre la base et l'émetteur du transistor est nécessaire pour réaliser un support desdits porteurs de charge majoritaires chauds nantis d'énergies supérieures au

saut d'énergie de la couche d'arrêt base-colllecteur.

Il faut une tension de polarisation d'une certaine valeur

pour pouvoir provoquer ledit apport de porteurs de charge ma-

joritaires chauds à la zone de base. Cet apport peut être réalisé par ladite tension de polarisation du fait que cette tension de polarisation assure que ladite (lesdites) zone(s) d'épuisement s'étend(ent) sur l'entière épaisseur de la zone d'arrêt, entre la zone d'émetteur et la zone de base; c'est une configuration dite de "punch-through". Il existe aussi d'autres manières pour réaliser ledit apport, par exemple du

fait que, dans ladite zone d'arrêt, ladite tension de polarisa-

tion soit provoque un claquage à avalanche, soit amène les porteurs de charge à passer par effet tunnel entre les bandes de conductivité et de valence. Tant que ledit apport n'a pas

été réalisé, la partie non appauvrie de la zone d'arrêt entra-

ve l'émission de porteurs de charge chauds dans la zone de ba-

se, et la tension de polarisation appliquée a pour effet que l'énergie de la répartition de porteurs de charge à émettre est augmentée par rapport à la couche d'arrêt base-collecteur. De ce fait, lorsqu'une émission se produit, l'énergie des porteurs

de charge émis peut être sensiblement supérieure au saut d'é-

nergie de la couche d'arrêt base-collecteur, de sorte que l'on obtient un rendement de collecteur élevé. Comme décrit dans la

3 suite de cet exposé, il est possible d'obtenir une faible ca-

pacité d'émetteur en utilisant la tension de polarisation ap-

pliquée pour l'extension de la (des) zone(s) d'épuisement se

situant à proximité de la couche d'arrêt émetteur-base au po-

tentiel zéro, notamment d une zone moins fortement dopée est incorporée à la structure d'émetteur, et si l'on utilise une

configuration dite de "punch-through".

La zone d'arrêt peut se situer entre la zone de base et soit un contact ohmique de l'émetteur, soit un contact Schottky de l'émetteur. La zone d'arrêt peut être séparée du contact ohmique ou du contact de Schottky par une zone moins fortement dopée de l'un desdits types de conductivité; si

cette zone moins fortement dopée est du premier type de con-

ductivité, elle forme en outre une zone d'épuisement avec la

zone d'arrêt. A la suite de l'extension des zones d'épuise-

ment dans la zone moins fortement dopée et la zone d'arrêt, de telles structures peuvent avoir une capacité d'émetteur

extrêmement faible.

Suivant un mode de réalisation déterminé, les moyens de formation d'une couche d'arrêt émetteur-base peuvent donc comporter un contact de Schottky se trouvant sur une face

du corps semiconducteur, alors que ladite zone d'arrêt se si-

tue entre le contact de Schottky et la zone de base, et qu'au

moins une partie de l'épaisseur de ladite zone d'arrêt se si-

tue en dehors de la zone d'épuisement existant au potentiel zéro à proximité dudit contact de Schottky. La combinaison de la zone d'arrêt au moins partiellement non appauvrie et du contact de Schottky peut produire une forte couche d'arrêt

émetteur-base pour l'injection de porteurs de charge majori-

taires très chauds dans la zone de base, de sorte que le ren-

dement de collecteur s'en trouve amélioré. Comparativement à un émetteur de Schottky dépourvu d'une telle zone d'arrêt, la

capacité d'émetteur, elle aussi, peut être plus faible, notam-

ment si l'on a prévu des zones supplémentaires pour atteindre une extension encore plus forte de la zone d'épuisement. Ainsi, ladite zone d'arrêt du type de conductivité opposé peut être séparée du contact de Schottky par une zone moins fortement dopée ayant soit le second type de conductivité, soit le

premier type de conductivité.

En général, on donnera la préférence à une zone de base plus fortement dopée, pour diminuer l'extension des zones

d'épuisement dans la zone de base et pour réduire la résistan-

ce de base. C'est pour cela que ladite zone de base a de pré-

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férence une concentration de dopage d'au moins 10 atomes dopants/cm, et qu'elle peut être considérée comme une zone semiconductrice à dopage dégénéré. De plus, pour éviter une

épaisseur excessive de la zone d'arrêt d'émetteur, qui con-

trarierait son incorporation dans la structure du transistor, il est en général nécessaire que la concentration de dopage

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soit supérieure à 10 atomes dopants/cm

La description suivante, en regard des dessins annexés,

le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment

l'invention peut être réalisée.

Les figures 1 et 2 sont des schémas énergétiques pour des transistors conformes à l'invention, tant sous tension

de polarisation qu'à potentiel zéro.

La figure 3 est une coupe transversale d'un exemple

d'un tel transistor avec ses connexions possibles au circuit.

La figure 4 est une coupe transversale d'un autre exemple d'un tel transistor avec ses connexions possibles au circuit.

La figure 5 est un schéma énergétique relatif à une va-

riante du transistor de la figure 1, tant sous tension de

polarisation qu'au potentiel zéro.

La figure 6 est un schéma énergétique relatif à un autre

transistor conforme à l'invention, tant sous tension de pola-

risation qu'au potentiel zéro.

La figure 7 est une coupe transversale d'un exemple du

transistor de la figure 6.

A remarquer que toutes les figures sont schématiques et qu'elles ne sont pas représentées à l'échelle; pour plus de

clarté et de commodité, les dimensions et les proportions con-

cernées de certaines parties de ces figures sont représentées

à une échelle agrandie ou à une échelle réduite. Sur les dif-

férentes figures, des parties identiques ou similaires sont

indiquées en général par les mêmes références.

Le transistor représenté sur la figure 1 comporte un

corps semiconducteur monocristallin muni de zones semiconduc-

trices 1 à 4. La zone 2 est une zone de base fortement dopée d'un premier type de conductivité (à savoir de type n dans

cet exemple). Conjointement avec la zone de base 2, les mo-

yens de formation de couches d'arrêt 1 et 4, 5 forment res-

pectivement une couche d'arrêt base-collecteur et une couche d'arrêt émetteur-base. Le courant traversant la zone de base 2 (depuis la couche d'arrêt émetteur-base vers la couche d'arrêt base-collecteur) est provoqué par des porteurs de charge majoritaires chauds (dans cet exemple, ce sont donc des électrons chauds pour la zone de base 2 de type n), qui

sont indiqué par les flèches 7.

La couche d'arrêt base-collecteur est formée par une zone d'arrêt 1 ayant une concentration de dopage caractéristique du second type de conductivité (le type p dans cet exemple)

dont la valeur détermine la hauteur d'une barrière de poten-

tiel empêchant le passage de porteurs de charge du premier type (dans cet exemple, des électrons) à partir de la zone

de base 2 ainsi que de la zone de collecteur 3. La zone d'ar-

rêt 1 a donc une épaisseur suffisamment faible pour permettre de fusionner dans une zone 1 les zones d'épuisement qu'elle forme au potentiel zéro avec tant les zones de base que les zones de collecteur, de sorte que, même au potentiel zéro, toute la zone 1 est sensiblement appauvrie en porteurs de charge mobiles des deux types. La zone de collecteur 3 a le même type de conductivité (type n) que la zone de base 2, mais est moins fortement dopée. De préférence, la concentration de dopage de la zone de base est d'au moins 10 atomes donneurs/ cm La formation et l'utilisation de telles zones d'arrêt

fortement appauvrie 1 pour les couches d'arrêt base-collec-

teur des transistors à électrons chauds (ou à trous chauds) sont décrites en détail dans le brevet américain US-PS NO

4 149 174. Pour maintenir la zone d'arrêt 1 fortement appau-

vrie au potentiel zéro, il faut que l'épaisseur et le niveau de dopage de la zone 1 répondent à des conditions déterminées

qui sont décrites dans ledit brevet US-PS NI 4 149 174.

La couche d'arrêt émetteur-base est constituée d'une couche métallique 5, qui forme un contact de Shottky, et d'une zone d'arrêt 4 ayant une concentration de dopage du type de conductivité (type a) opposé à celui de la zone de base 2. A noter que le brevet US-PS NO 4 149 174 décrit des transistors dont la couche d'arrêt émetteur-base est formée soit par un contact de Schottky, soit par une zone d'arrêt fortement appauvrie. Toutefois, conformément à l'invention, la zone d'arrêt 4 se situe entre le contact de Shottky 5

et la zone de base 2, alors que son épaisseur et sa concentra-

tion de dopage sont suffisamment grandes pour qu'au potentiel

zéro, au moins une partie de son épaisseur se situe en de-

hors de la zone d'épuisement voisine du contact de Shottky 5.

Par conséquent, s'il n'est pas appliqué de tension de polari-

sation à l'émetteur de Shottky 5 et à la zone de base 2, la zone d'arrêt 4 n'est pas appauvrie sur au moins une partie de son épaisseur, et se comporte comme une couche de type à,

ce qui est indiqué par p sur la figure 1.

La ligne a de la figure 1 représente l'énergie électro-

nique et l'allure du potentiel dans la structure du transis-

tor dans des conditions d'équilibre thermique et de potentiel

zéro. La ligne b de la figure 1 représente la situation analo-

gue de la zone de base 2 et de la zone de collecteur 3, le potentiel ayant dans cet ordre une valeur VBE et une valeur VCE par rapport à l'émetteur 5. L'application d'une tension de polarisation V est nécessaire pour établir l'apport BE d'électrons chauds 7 ayant des énergies supérieures au saut d'énergie de la couche d'arrêt base- collecteur. Dans l'exemple

de la figure 1, il n'y a pas d'injection d'une quantité impor-

tante d'électrons chauds 7 à partir de l'émetteur 5 dans la

zone de base 2 avant que la tension de polarisation base-

émetteur VBE soit suffisamment grande pour étendre la zone d'épuisement sur toute l'épaisseur de la zone d'arrêt 4. Dans cette situation, connue en anglais sous le nom "punch-through", la zone d'épuisement traverse la zone 4, entre l'émetteur 5

et la zone de base 2, ce qui résulte dans un passage de cou-

rant par émission thermionique d'électrons 7. La ligne b de la figure 1 montre la situation se présentant lorsque la valeur VBE est juste assez grande pour appauvrir toute la

zone 4. Comme le permet de constater la comparaison des li-

gnes a et b de la figure 1, il faut une tension de polarisa-

tion VBE d'au moins une valeur déterminée avant qu'il ne se produise une circulation de courant, ce qui a pour effet que le potentiel de la zone d'arrêt base-collecteur 1 est décalé à un niveau plus bas (plus positif) par rapport à l'émetteur , de sorte que, s'il se produit une injection de porteurs de charge (ligne b), l'énergie des porteurs de charge émis 7 a augmenté jusqu'à un niveau considérable par rapport au

saut d'énergie de la couche d'arrêt base-collecteur 1. L'in-

corporation d'une zone d'arrêt émetteur-base 4 ayant une

épaisseur non appauvrie au potentiel zéro, fait donc accrol-

tre le rendement de collecteur de la couche d'arrêt base-

collecteur 3. De cette façon, on peut atteindre des rende-

ments de collecteur de 75 % et davantage.

La valeur de tension de polarisation VBE qui est né-

cessaire pour appauvrir complètement la zone 4, dépend de l'épaisseur et de la concentration de dopage de la zone 4

située entre le contact de Shottky 5 et la zone de base 2.

Dans un cas typique, celles-ci peuvent être choisies de façon qu'il faut une tension de polarisation VBE d'au moins 0,5 volt pour provoquer le "punch-through", de sorte que l'énergie des porteurs de charge émis est augmentée d'une quantité analogue. Si le transistor fonctionne sdus une tension de

polarisation émetteur-base supérieure au niveau minimal né-

cessaire pour provoquer le "punch-through", le saut d'énergie

de la couche d'arrêt émetteur-base est diminué et, par con-

séquent, le courant traversant la zone de base 2 est augmen-

té en intensité. Sur la figure 1, cette situation est illus-

trée par la ligne d.

Toutefois, une telle zone d'arrêt 4 qui, au potentiel zéro, n'est pas appauvrie sur toute son épaisseur, peut avoir

une concentration de dopage importante au point que la ten-

sion de polarisation VBE provoque à proximité de la zone d'arrêt soit un claquage à avalanche soit un claquage à effet

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Zener avant qu'une condition de "punch-through" soit atteinte.

Une telle situation est illustrée sur la figure 2. Sur la figure 2, les lignes indiquées par les références E,(a) et Ev(a) représentent dans cet ordre les bords de la bande de guidage et de la bande de valence au potentiel zéro, alors que les lignes indiquées par les références E c(b) et EV (b)

représentent ces bords dans le cas d'une tension de polarisa-

tion VBE appliquée entre l'émetteur 5 et la base 2. Du fait que, dans cette configuration modifiée, la concentration de dopage de Ja zone d'arrêt 4 est plus grande, la tension de

polarisation VBE appliquée forme dans les couches d'épuise-

ment de la zone 4 un champ électrique suffisamment grand pour provoquer à proximité de la zone d'arrêt 4 un claquage, soit à avalanche soit à effet Zener, de sorte qu'il se produit un apport d'électrons chauds 7 qui sont injectés dans la zone de base 2 avec des énergies notablement supérieures au saut d'énergie de la couche d'arrêt base-collecteur 1. Comme le montre la figure 2, la tension de polarisation VBE appliquée donne aux bandes d'énergie une incurvation plus forte que celle correspondant au saut d'énergie (Ec - Ev). Dans le cas d'un claquage Zener, le champ résultant est assez élevé pour détacher des électrons des atomes du réseau de silicium, de sorte qu'il se produit un passage direct par effet tunnel des électrons de la bande de valence à la bande de guidage, comme indiqué par la flèche 7a sur la figure 2. Dans le cas

d'un claquage à avalanche, le champ résultant est suffisam-

ment élevé pour accélérer les porteurs de charge 7b entre les collisions avec les atomes du réseau de silicium au point que, lors de la collision, ils sont à même d'engendrer des paires électron-trou, les électrons chauds 7c étant injectés

dans la zone de base 2, alors que les trous chauds se diri-

gent vers l'émetteur 5, comme indiqué par la flèche 17 sur

la figure 2.

La tension de polarisation utilisée pour un tel émet-

teur modifié sur la base d'un claquage à avalanche ou d'un

claquage Zener, est par exemple supérieure à 1,5 volt.

La figure 3 représente un exemple d'un transistor tel que schématisé sur la figure 1 ou la figure 2. Abstraction faite de l'incorporation de la zone d'arrêt 4, la structure de ce transistor est égale à celle des transistors décrits dans le brevet américain US-PS NO 4 149 174, et il est possi-

ble de la réaliser de la même manière, c'est-à-dire par im-

plantation ionique. La zone de collecteur 3 est constituée par une couche de silicium épitaxiale de type n formée sur un substrat de silicium fortement dopé 13 du même type de conductivité. Une zone annulaire non appauvrie de type p, qui doit faire fonction d'anneau de protection autour du bord de la zone d'arrêt 1, est élaborée dans la couche épitaxiale 3, par exemple par voie de diffusion comme décrit dans le brevet américain US-PS NO 4 149 174. A travers une fenêtre pratiquée dans une couche isolante 10 par exemple en silice et se trouvant à la surface de la couche épitaxiale, on forme ensuite, par implantation ionique, des zones 1, 2 et 4 dans

la couche épitaxiale 3.

A travers une fenêtre plus petite pratiquée dans la couche 10, on peut procéder d'abord à l'implantation de la zone d'arrêt 4 et ensuite, après élargissement de la fenêtre, aux implantations successives de la zone de base 2 et de la

zone d'arrêt 1. L'ensemble de la dose et de l'énergie ioni-

ques implantées pour la zone 4 doit être suffisamment grand pour assurer non seulement que la zone 4 inverse le dopage de fond de type n des zones 2 et 3 de type n, mais aussi que ladite zone se trouve au moins en partie au-delà de la

zone d'épuisemment qui, au potentiel zéro, existe à proximi-

té du contact de Schottky 5, de sorte qu'au moins une partie

de la zone 4 forme une zone non appauvrie de type p au po-

tentiel zéro. L'énergie ionique choisie pour la formation de la zone de base 2 peut être telle que la concentration de dopage résultante a sa valeur maximale à quelque distance

de la zone d'arrêt 4. Si l'on applique des tensions de po-

larisation à l'émetteur 5 et aux contacts de base et de col-

lecteur 8 et 9, cette distance provoque une chute de poten-

2 4635 1t tiel entre l'émetteur 5 et la partie non appauvrie de la zone

de base 2, de sorte que, si la tension de polarisation aug-

mente, le potentiel de la zone d'arrêt de collecteur 1 est

décalé vers des niveaux encore plus bas par rapport à l'émet-

teur 5. Cette particularité augmente encore davantage le

rendement de collecteur et est décrite dans le brevet améri-

cain US-PS NO 4 149 174.

Dans un exemple de réalisation typique, il est possible

d'implanter, pour la formation de la zone d'arrêt non appau-

vrie 4, des ions de bore à énergie 1 KeV ou des ions d'indium à énergie 4 KeV, par exemple en raison d'au moins 10 ions par cm2, d'implanter pour la formation de la zone de base 2 des ions d'arsenic à énergie 10 KeV à raison de 1014 à 1015 ions par cm, et d'implanter pour la formation de toute la zone d.'arrêt appauvrie 1 des ions de bore à énergie 5 KeV ou des ions d'indium à énergie 20 KeV, à raison de 5 x 10 à

13 2-

x 10 ions par cm. La couche épitaxiale 3 peut avoir une résistivité de par exemple 5 ohms.cm ou de 10 ohms.cm et une

épaisseur de par exemple 12 microns. Dans de telles condi-

tions d'implantation et en fonction des conditions de chauffa-

ge et de refroidissement, on peut estimer que la crête de la répartition d'arsenic implantée se produira dans la couche épitaxiale à environ 15 nm ou davantage de sa surface, pour

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une concentration d'environ 10 à 10 atomes d'arsenic par cm3. La zone d'arrêt 4 de type p est formée à moins de 10 nm de la surface, et sa concentration de dopage est tellement importante qu'on estime qu'au potentiel zéro, elle n'est pas appauvrie sur une distance dépassant largement la moitié de son épaisseur. La distance entre les zones d'arrêt 4 et 1 peut être estimée à environ 25 nm ou davantage. La largeur de la zone d'arrêt 1 peut être estimée à environ'15 nm. Après

traitement thermique des implantations, les couches métalli-

ques 5, 8 et 9 sont formées de la façon connue. Les couches 8 et 9 (par exemple en aluminium) forment dans cet ordre des

contacts ohmiques pour la zone de base 2 et le substrat col-

lecteur 13. La couche 5 forme le contact de Schottky pour e

l'émetteur du transistor et est par exemple en or ou en nic-

kel. Les conditions de chauffage déterminent la quantité de chaque dose de dopage implantée qui devient électriquement active, ainsi que la production ou non d'une diffusion de quelque importance. Si la dose d'ions de bore ou d'indium

implantée pour la formation de la zone d'arrêt 4 est d'envi-

ron 1014 ions par cm2 et s'il s'effectue ensuite un traite-

ment thermique sous vide d'une durée de 15 minutes et à une

température d'environ 7500C, des calculs permettent de cons-

tater que la concentration de dopage active résultante de la zone 4 se situe en moyenne entre 5 x 1019 et 1020 atomes par cm et que la tension de polarisation VBE appliquée provoque le "punch-through" des zones d'épuisement situées dans la zone d'arrêt résultante 4. Il est possible d'augmenter dans une certaine mesure la concentration de dopage active de zone d'arrêt 4 en utilisant une température de chauffage plus

élevée, et de l'aufgienter dans une plus grande mesure en uti-

lisant une plus grande dose. En opérant de la sorte, il est possible d'augmenter la concentration active de la zone 4 au point que le claquage et l'apport d'électrons chauds qui en résulte peuvent être réalisés par un effet d'avalanche ou de Zener se produisant dans les zones d'épuisement, au lieu de par un "punch-through". En général,pour réduire la diffusion des ions implantés, il faut éviter de pratiquer un traitement

thermique prolongé à une température supérieure à 8500C. Tou-

tefois, à l'aide d'un faisceau de laser ou d'un faisceau électronique à courtes impulsions, le traitement thermique peut s'effectuer par chauffage localisé à des températures

plus élevées.

Lors du fonctionnement dans la configuration de circuit

illustrée sur la figure 3, l'émetteur 5 est polarisé négati-

vement par rapport au contact de base 8, qui, à son tour,

est polarisé négativement par rapport au contact de collec-

teur 9. Comme déjà précisé dans ce qui précède, il ne se pro-

duit pas de passage de courant de quelque importance entre

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l'émetteur 5 et le contact de collecteur 9, tant que la ten-

sion appliquée entre l'émetteur 5 et le contact de base 5 n'est pas suffisante pour appauvrir la zone d'arrêt tout son épaisseur ou pour provoquer un claquage à avalanche ou un claquage Zener. Comme le montre la figure 3, il est possible

d'appliquer un signal d'entrée (par exemple de haute fré-

quence) entre l'émetteur 5 et le contact de base 8 ainsi que

de dériver un signal de sortie amplifié de la charge R insé-

rée entre les contacts de base et de collecteur 8 et 9. A la suite de son rendement de collecteur élevé, le transistor

peut présenter une forte amplification de courant.

Il sera clair que, tout en restant dans le cadre de l'invention, il existe de nombreuses variantes de cette

* structure de transistor. Comme le montre par exemple la fi-

gure 4, il est possible que l'émetteur de Schottky 5 et sa zone d'arrêt 4 soient annulaires et qu'ils s'étendent autour

du contact de base 8. Suivant ce mode de réalisation à émet-

teur externe, il est possible d'élaborer la zone d'arrêt peu

profonde 4 de type n de façon qu'elle soit noyée dans l'an- 20. neau de protection plus profond de type p 11 de la zone d'arrêt

appauvrie 1. Comme le montre la figure 4, il n'est pas nécessaire que l'anneau de protection 11 de type p soit

formé au cours d'une étape de dopage distincte; il est pos-

sible aussi de le former au cours des implantations des zo-

nes d'arrêt 1 et 4 en effectuant ces implantations après l'implantation destinée à la formation de la zone de base 2 et en opérant à travers une fenêtre légèrement élargie dans la couche 10. Un processus analogue est décrit dans le

brevet américain US-PS 4 149 174.

Il est possible aussi d'utiliser d'autres particula-

rités décrites dans le brevet américain US-PS NO 4 149 174.

Ainsi, il est possible par exemple d'augmenter la concen-

tration de dopage de la couche 3 adjacente à la zone d'ar-

rêt 1 en implantant à nouveau des donneurs. Une telle aug-

mentation locale du dopage peut être contenue en deça d'une limite se situant à 15 nm de la zone d'arrêt 1, et sert à agrandir la taille du champ électrique de cette zone de façon à rendre plus rapide la chute de tension dans la zone 3 et à

améliorer le rendement de collecteur.

La figure 5 montre une autre variante de réalisation conforme à l'invention, dans laquelle une zone moins fortement dopée 6 est incorporée à la structure d'émetteur, entre le contact de Schottky 5 et la zone d'arrêt principale 4. En vue du "punch-through", il faut que cette zone 6 elle aussi soit

appauvrie complètement sous tension de polarisation émetteur-.

base, de façon à permettre l'émission d'électrons chauds dans

la zone detlbase 2, à partir du contact de Schottky. Il est pos-

sible de combiner une zone à concentration de dopage pareille-

ment faible 6 avec une zone d'arrêt 4 à claquage à effet d'a-

valanche et de Zener. L'adjonction de la zone 6 a pour effet

que la zone d'épm'sement voisine de la couche d'arrêt émetteur-

base est élargie davantage en comparaison de la structure de la figure 1, de sorte que la capacité d'émetteur du transistor est réduite. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 5, la zone 6 a le même type de conductivité que la zone d'arrêt 4 (type a), mais il est possible aussi de lui donner le même type de conductivité que la zone de base 2 (type n). La concentration de dopage de la zone 6 est par

17 3

exemple d'environ 10 atomes par cm

Il est possible de réaliser la structure de la figure -

5 en utilisant des énergies ioniques un peu plus élevées pour

l'implantation des zones 4, 2 et 1, de sorte que la concen-

tration maximale en dopeur implanté pour la formation de la

zone 4 se trouve à quelque distance de la surface de la cou-

che épitaxiale. La zone 6 peut être formée par le dopant se trouvant entre cette concentration maximale et la surface,

quoique de préférence, sa concentration de dopage soit réa-

lisée au cours d'une étape distincte, par exemple par une

implantation distincte en dose plus faible.

Dans une variante de la structure de transistor de la figure 5, le contact de Schottky 5 est remplacé par une zone d'émetteur fortement dopée i type n. Dans ce cas, la couche d'arrêt émetteur-base est constituée exclusivement par les zones d'arrêt 4 et 6 de type a, formant des jonctions p-n

avec la zone de base 2 et cette zone d'émetteur. Il est éga-

lement possible de modifier les structures de transistor de la figure 1 et de la figure 2 en remplaçant le contact de Schottky 5 par une zone d'émetteur fortement dopée de type n. Conformément à l'invention, la figure 6 montre une structure de transistor à électrons chauds, dans laquelle

la couche d'arrêt émetteur-base est constituée exclusive-

ment par la zone d'arrêt 4 de type p, qui forme des jonctions p-n tant avec la zone de base 2 de type n qu'avec une zone

d'émetteur faiblement dopée 6 de type n. Une couche 15 cons-

titue un contact ohmique pour la zone d'émetteur 6 et con-

siste par exemple en un métal tel que l'aluminium ou en un

matériau semiconducteur fortement dopé de type n. D'une ma-

nière analogue à celle employée pour les transistors à émet-

teur de Schottky représentés sur les figures 1 à 5, il faut appliquer une tension de polarisation VBE entre la zone de base 2 et le contact d'émetteur 15 pour étendre les zones d'épuisement des deux jonctions p-n sur toute l'épaisseur de la zone 4 ou pour pnmoquer le claquage à avalanche ou le

claquage Zener de la zone d'arrêt 4. Comme pour lestransis-

tors des figures 1 à 5, cela augmente l'énergie des porteurs

de charge émis 7 par rapport à la couche d'arrêt base-col-

lecteur. Toutefois, la capacité d'émetteur peut être plus

faible par rapport à celle des transistors des figures 1 à 5.

Un transistor ayant une structure telle que montrée sur la figure 6 peut être réalisé de la même façon que ceux des

figures 1 à 5, c'est-à-dire par voie d'implantation ionique.

Pour l'élaboration de la zone 6 et de la couche de contact on agit par exemple comme suit: après avoir formé par implantation ionique les zones 1, 2 et 4 dans une couche de silicium épitaxiale, on peut procéder successivement au dépôt d'une couche de silicium à résistivité élevée et d'une couche de silicium fortement dopée de type n sur une partie de la zone d'arrêt 4 de type a, dans une fenêtre pratiquée

dans une couche isolante, afin d'obtenir respectivement la zo-

ne 6 etla couche 15. La couche à résistivité élevée consiste

par exemple en du silicium amorphe, qui est cristallisé en-

suite au faisceau laser ou au faisceau électronique utilisés

pour le traitement thermique des implantations. Pour permet-

tre d'obtenir le contact de base, le dépôt de la couche de silicium fortement dopée de type n peut se réaliser de façon que cette couche entre en contact avec une partie de la zone

de base 2.

La figure 7 montre un autre mode de réalisation de la structure de transistor de la figure 6, structure qui peut

être obtenue par épitaxie par voie de rayonnement moléculaire.

Le transistor comporte un substrat fortement dopé 13 de type n par exemple en arséniure de gallium, sur lequel on fait croltre d'une manière conventionnelle, par exemple par épitaxie liquide, une couche épitaxiale moins fortement dopée de type n, consistant en le même matériau. Ensuite, par épitaxie par voie de rayonnement moléculaire, on dépose sur la surface de la couche 3 des couches successives d'arséniure ayant les épaisseurs et les concentrations de dopage requises pour les zones 1, 2, 4 et 6. Ensuite, par voie d'attaque au faisceau

ionique ou d'un autre procédé d'attaque, les deux couches su-

périeures sont éliminées sur toute leur épaisseur, sauf sur la partie o elles sont masquées pour la formation de la zone 6 et de la zone d'arrêt 4. Après cela, de façon analogue, les deux autres couches sont éliminées sur toute leur épaisseur, sauf sur la partie o elles sont masquées pour la formation de la zone de base 2 et de la zone d'arrêt 1. Pour la création des contacts d'émetteur, de base et de collecteur 15, 8 et 9, on procède ensuite au dépôt de couches métalliques formant des contacts ohmiques avec le semiconducteur. Le cas échéant, la formation du contact 15 peut s'effectuer avant l'élimination des couches, ledit contact 15 pouvant servir alors de masque

lors de la définition des zones 6 et 4 par attaque ionique.

Au lieu d'enlever du matériau pour déterminer la taille des zones 1 et 2, on peut procéder aussi à un bombardement de protons localisé pour former des zones semi-isolantes autour des zones

1 et 2.

Les transistors décrits dans ce qui précède étaient des transistors à électrons chauds munis de zones de base 2 de

type n. Toutefois, tout en restant dans le cadre de l'inven-

tion, il est également possible d'utiliser des transistors

à trous chauds; dans ce cas, les zones de base et de collec-

teur 2 et 3 seraient de type a, et les zones d'arrêt 1 et 4

seraient dopées par des atomes donneurs.

Les transistors montrés sur les figures 3, 4 et 7 sont munis d'une seule couche d'arrêt émetteur-base. Toutefois, les transistors réalisés conformément à l'invention peuvent être munis de plusieurs émetteurs formant plusieurs couches d'arrêt émetteur-base conjointement avec une zone de base 2. Il est possible d'utiliser de tels transistors à plusieurs émetteurs par exemple pour le fonctionnement à plus grandes puissances ou comme transistors de commutation rapide à intégrer dans

des circuits logiques.

Il est possible d'intégrer les structures de transistor à électrons chauds ou à trous chauds conformes à l'invention

dans d'autres zones semiconductrices et de les munir de con-

tacts pour la formation de composants plus complexes tel qu'un thyristor ou un circuit intégré. Dans les dispositifs montrés sur les figures 3, 4 et 7, la zone de collecteur 3 fait partie d'une couche épitaxiale formée sur un substrat 13 du même type de conductivité, alors qu'une connexion d'électrode 9 élaborée sur la zone 3 est en contact avec la face arrière du substrat 13. Toutefois, l'on peut imaginer aussi des dispositifs et des

circuits intégrés comportant des transistors conformesà l'in-

vention dans lesquels la zone de collecteur 3 fait partie d'u-

ne couche du premier type de conductivité qui, par exemple en

vue de l'isolation, est élaborée sur un substrat du second ty-

pe de conductivité opposé, et dans lesquels une connexion d'électrode formée sur la zone de collecteur 3 est en contact avec la surface de la couche épitaxiale, par exemple avec une zone superficielle plus fortement dopée et avec une couche enterrée

pour diminuer la résistance en série. -

Dans les transistors représentés sur les figures 3, 4 et 7, la couche d'arrêt base-collecteur est enterrée dans le corps semiconducteur, audessous de la couche d'arrêt émetteur- base limitrophe de la surfacedu corps. Toutefois, sans sortir

du cadre de l'invention, on peut également imaginer des -

transistors dont la couche d'arrêt émetteur-base est enterrée dans le corps semiconducteur, au-dessous d'une ou plusieurs

couches d'arrêt collecteur-base. Ainsi, la couche d'arrêt col-

lecteur-base peut comporter un contact de Schottky avec la zone de base 2, et la couche d'arrêt émetteur-base peut être constituée par une zone d'arrêt 4 qui, au potentiel zéro, n'est pas appauvrie sur une partie de son épaisseur, alors que la zone d'émetteur est une zone semiconductrice du même type de

conductivité que la zone de base 2.

Dans les transistors décrits dans ce qui précède, la cou-

che d'arrêt base-collecteur est constituée par une zone d'arrêt

1, qui, au potentiel zéro, est appauvrie sur pratiquement tou-

te son épaisseur. Toutefois, dans certaines applications, il

peut être préférable de disposer d'une zone d'arrêt base-col-

lecteur 1 qui, au potentiel zéro, n'est pas appauvrie sur une partie de son épaisseur. Dans cette situation, l'intensité du courant d'arrêt peut être plus faible que dans la situation

o la zone 1 est complètement appauvrie.

Claims

REVENDICATIONS: 1. Transistor comportant un corps semi-conduc- te[r muni l'une zone de base (2) d'un premier type de conductii-té, dans lequel le passage du courant est assu- par des porteurs de charge majoritaires chauds (7), et de moyens de formation de couches d'arrêt (1 et 4) qui, co?-io nt-meiit. avec ladite zone de base, forment des cou- he.s d'atrrttmnetteur-ba-,e e+ base-collecteur, alors que lesdits moyens de formation d'une couche d'arrgt émetteur-

1.0 ha.ie comportent une zone d'acre+ (4) avant une concentra-

tion de dopage déterminant un second type de conductivité oppose au premier, caract'érise en ce que l'épaisseur et la concentration de dopace de ladite zone d'arrt (4) sont

suffisants polar qu'au moins sur une partie de son épais-

seur, ladite zone d'arrêt (4) ne soit pas oc ru-)e par la

(]es) zone (s) d'épuisement qui, au potentiel zéro, se si-

tue (nt) à proximité de ladite couche d'arrêt émetteur-

has,' alors que]'application d'une tension de polarisa-

tion entre la base (2) et l'émetteur.(5) du transistor est nécessaire pour réaliser lun apport desdits porteurs de charge majoritaires chauds (7) nantis d'énergie supérieure

au saut d'6ner:ie de la coche d'arrgt base-collecteur.

2. Transistor selon la revendication -, caractiri-

se en ce que les moyens de formation d'une couche d'arrtt émetteur-base comportent ur contact de Schottky (5) se trouvant sur une face du corps semiconducteur, alors que ladi+e zone d'arret se situe entre le contact de Schottky (5) et la zone de base (2), et qu'au moins une partie de ] '&paisseur de ladite zone d'arr.t (4) se situe en dehors

dle la zone d'6épuisement existant au potentiel zéro à pro-

ximite dudit contact de Schottky.

3. T-ansis+or selon la revendication 2, caractéri-

s6 en ce que ladite zone d'arrêt (4) du second type de con-

dlCicvi+ ePst séparée du contact de Schottky (5) par une zone (6) qui est moins fortement dopée que ladite zone d'arr9t.

4. Transistor selon la revendication 1, caractéri-

sA en ce que la zone d'arrAt (4) se situe entre la zone de base (2) et un contact ohmique (15) de l'6metteur et que la zone d'arrêt est séparée du contact ohmique par une zone (6) qui est moins fortement dopée que la zone d'arrêt.

5. Transistor selon la revendication 3 ou 4, ca-

ractérisé en ce que ladite zone (6) moins fortement. dopée est du premier type de conductivité et forme avec la zone

d'arrêt une zone d'épuisement.

6. Transistor selon la revendivtion 3 ou 4, ca-

ractérisé en ce que ladite zone (6) moins fortement dopée

est du second type de conductivité.

7. Transistor selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que ladite zone de base (2) a une concentration de dopage déterminant le type de

3

conductivité, égaie à au moins 102 atomes/cm3.

8. Transistor selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé en ce que l'application de ladi-

te tension de polarisation prqduit l'apport desdits por-

teurs de charge majoritaires chauds du fait d'étendre la-

dite (lesdites) zone (s) d'épuisement sur toute l'épais-

seur de la zone d'arrgt (4), entre la zone d'émetteur et

la zone de base (2).

9. Transistor selon l'une des revendications 1 à

7, caractérisé en ce que l'application de ladite tension

de polarisation produit l'apport desdits porteurs de char-

ge majoritaires chauds par claquage à. effet d'avalanche

de ladite zone d'arrêt (4).

10. Transistor- selon l'une quelconque des reven-

dications t à 7, caractérisé en ce que l'application de ladite tension de polarisatiorn produit l'apport desdits porteurs de charge m.s39itsaies chauds par effet tunnel

dans ladite zone d'arrêt (4).