FR2576711A1 - Transistor a effet de champ a heterojonction - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP A HETEROJONCTION. CE TRANSISTOR COMPORTE ESSENTIELLEMENT DEUX COUCHES 13, 8 DE GAZ ELECTRONIQUE BI-DIMENSIONNEL FORMEES DANS DES PARTIES D'UNE COUCHE SEMI-CONDUCTRICE 2 VOISINES D'UNE PREMIERE ET D'UNE SECONDE HETEROJONCTION 12, 7. UNE ELECTRODE DE GRILLE 4 COMMANDE LA CIRCULATION D'UN COURANT ENTRE UNE ELECTRODE DE SOURCE 5 ET UNE ELECTRODE DE GRILLE 6. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP A HETEROJONCTION FONCTIONNANT A GRANDE VITESSE.
Description
La présente invention concerne un transistor à effet de champ à
hétérojonction qui utilise une couche d'un gaz électronique bidimensionnel formé à une interface à hétérojonction. Le transistor à haute mobilité des électrons
représenté sur la figure 1 est conventionnellement connu.
Dans le transistor à haute mobilité des électrons représenté sur la figure 1, une couche 2 de GaAs non dopée et une couche 3 de AlxGalxAs de type N sont fornées successivement par croissance épitaxiale.sur un substrat 1 de GaAs semi-isolant. Une électrode de grille de Schottky, une électrode de source 5 et une électrode
de drain 6 sont formées sur la couche 3 de AlxGalxAs.
L'électrode de source 5 et l'électrode de drain 6 atteignent la couche GaAs à travers la couche 3 de AlxGal_ xAs de type N. Dans le transistor à haute mobilité des électrons représenté sur la figure 1, une hétérojonction 7 est formée entre la couche 3 de AlxGalxAs de type N et la
couche 2 de GaAs. Une couche 8 de gaz électronique bi-
dimensionnel est formée dans une partie de la couche 2 de GaAs voisine de l'hétérojonction 7. Cela appara t en se référant au diagramme de bande d'énergie de la figure 2. Comme cela est représenté, un puits de potentiel à peu près en forme de triangle inversé est formé à un bord de bande de conduction Ec dans la partie de la couche 2 de GaAs voisine de l'hétérojonction 7. Des électrons qui migrent depuis la couche 3 de AlxGalxAs de type N vers la couche 2 de GaAs sous l'effet d'une différence d'énergie au bord de bande de conduction Ec entre la couche 3 de AlxGalxAs de type N et la couche 2 de GaAs s'accumulent dans ce puits formant ainsi la couche 8 de gaz électronique bi-dimensionnelo Un gradin DEc
du bord de bande de conduction Ec à l'interface de l'hé-
térojonction 7 est d'environ 0,3 eV lorsque le rapport
de composition x de A1 est 0,3.
Le transistor à haute mobilité des électrons représenté sur la figure 1 est appelé un transistor à haute mobilité des électrons direct. En plus de ce type, un transistor à haute mobilité des électrons dit inverse, (dont le diagramme de bande d'énergie représenté sur la figure3) est connu, dans lequel l'ordre de superposition de la couche GaAs et de la couche 3 de AlxGal-xAs de type N est inversé. En outre, pour augmenter la
concentration ns de la couche 8 de gaz électronique bi-
dimensionnel, des couches de AlxGalxAs de type N sont formées sur les deux côtés d'une couche GaAs afin d'obtenir un transistor à effet de champ dit à double hétérojonction (dont le diagramme de bande d'énergie est représenté sur la figure 4) qui combine des transistors à haute mobilité des électrons direct et inverse ayant une couche
de GaAs commune.
Le transistor à haute mobilité des électrons direct, le transistor à haute mobilité des électrons
inverse et le transistor à effet de champ à double hété-
rojonction ont des caractéristiques communes de structure dans lesquelles des circuits de courant sont parallèles à la surface du substrat et une haute mobilité des électrons à la couche de gaz électronique bidimensionnel
formée dans une partie d'une couche GaAs voisine de l'hé-
térojonction est utilisée.
Le transistor à haute mobilité des électrons direct, le transistor à haute mobilité des électrons
inverse et le transistor à effet de champ à double hétéro-
jonction posent encore un problème de faible précision de mise en forme plane comme dans un transistor à effet de champ conventionnel à GaAs. En raison de ce problème, leurs longueurs de grille ne peuvent être raccourcies au-delà d'une certaine limite. En plus de cela, les transistors conventionnels à haute mobilité d'électrons
ont une densité de courant limitée qui limite leurs perfor-
mances. Un objet de l'invention est donc de proposer un transistor à effet de champ à hétérojonction qui ne présente pas les inconvénients précités de la technique antérieure et qui utilise efficacement une haute mobilité des électrons d'un transistor à haute mobilité des électrons. L'invention concerne donc un transistor à effet !0 de champ à hétérojonction comportant: une première, une seconde et une troisième couches semi-conductrices qui sont superposées les unes sur les autres; une première hétérojonction formée entre la première et la seconde couches semi-conductrices, une seconde hétérojonction
formée entre la seconde et la troisième couches semi-
conductrices; une première et une seconde couches de gaz bi-dimensionnel formées dans des parties de la seconde couche semi-conductrice voisines respectivement de la première et de la seconde hétérojonctions; et une électrode de grille; une électrode de source et une électrode de drain formées sur l'une ou l'autre de la première et de la troisième couches semi-conductrices, la première couche de gaz électronique bi-dimensionnel s'étendant à partir d'une partie correspondant à l'électrode de grille vers l'électrode de drain et ayant une extrémité virtuellement connectée à l'électrode de drain, la seconde couche de gaz électronique bidimensionnel s'étendant depuis une partie correspondant à l'électrode de grille jusqu'à l'électrode de source et ayant une extrémité connectée virtuellement a l'électrode de source et le nombre des électrons qui migrent dans la première et la seconde couches de gaz électronique bidimensionnel étant modulé dans la partie de la seconde couche semiconducr-'ce correspondant à l'électrode de grille par une tension appliquée à cette électrode de grille, contrôlant ainsi le courant qui circule entre l'électrode de source et l'électrode de drain. Avec cette structure, la longueur effective de grille est définie par l'épaisseur de la seconde couche semi-conductrice. Par conséquent, si l'épaisseur de la seconde couche semi-conductrice est déterminée avec précision, la longueur de grille peut être facilement raccourcie et la densité de courant peut être augmentée
comparativement à un composant conventionnel.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la
description qui va suivre de plusieurs exemples de
réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: i5 La figure 1- est une coupe d'un transistor à haute mobilité des électrons direct conventionnel, La figure 2 est un diagramme de bande d'énergie du transistor à haute mobilité des électrons direct, représenté sur la figure 1, La figure 3 est un diagramme de bande d'énergie d'un transistor à haute mobilité des électrons inverse conventionnel, La figure 4 est un diagramme de bande d'énergie d'un transistor à effet de champ à double hétérojonction conventionnel, La figure 5 est une coupe d'un transistor à effet de champ à hétérojonction selon un mode de réalisation de l'invention, Les figures 6A et 6B sont des diagrammes de bande d'énergie destinés à expliquer le fonctionnement du transistor à effet de champ à hétérojonction représenté sur la figure 5, et La figure 7 est un diagramme de bande d'énergie destiné à expliquer le fonctionnement d'un transistor à effet de champ à hétérojonction selon Ai autre mode
de réalisation de l'invention.
Un transistor à effet de champ à hétérojonction selon un mode de réalisation de l'invention sera maintenant
décrit en se référant aux dessins annexés.
Dans un transistor à effet de champ àhétérojonction de ce mode de réalisation, tel que représenté sur la figure 5, une couche 9 de AlxGalxAs de type N, une couche 2 de GaAs non dopée et une couche 3 de AlxGalxAs de type N sont formées successivement
par croissance épitaxiale sur un substrat 1 de GaAs semi-
isolant, par exemple par un procédé MBE (ou un procédé MO-CVD). Une électrode de grille de Schottky 4, par exemple en Ti/Pt/Au, une électrode de source 5, par exemple AuGe/Ni et une électrode de drain 6, par exemple en AuGe Ni sont formées sur la couche 3 de AlxGalxAs de type N. Une couche 10 de type N+ allant jusqu'à la couche 2 de GaAs et une couche 11 de type N+ allant jusqu'à la couche 9 de AlxGalxAs de type N sont formées respectivement sous l'électrode de source 5 et l'électrode de drain 6. Dans le transistor à effet de champ à hétérojonction de ce mode de réalisation, une hétérojonction 12 est formée entre la couche 9 de AlxGal_ xAs de type N et la couche 2 GaAs. Une couche 13 de gaz électronique bi-dimensionnel est formée dans une partie de la couche 2 de GaAs près de l'hétérojonction 12 et une couche 8 de gaz électronique bi- dimensionnel est formée dans une partie de la couche 2 de GaAs voisine de l'hétérojonction 7. Ces deux couches 8 et 13 de gaz électronique bidimensionnel sont formées normalement sur toute, la longueur des hétérojonctions 7 et 12. Mais, dans ce mode de réalisation, des parties inutiles des couches de gaz électronique bi-dimensionnel sont éliminées par des ions implantés, par exemple H+, B+ ou similaire de manière que les couches 8 et 13 de gaz électronique
bi-dimensionnel soient présentes dans les parties néces-
saires s'étendant à partir de parties au-dessous des électrodes 4 de grille de Schottky jusqu'aux couches 10 et 11 de type N+. Par conséquent, les couches 8 et 13 de gaz électronique bi-dimensionnel ne se chevauchent verticalement (dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat) que dans une partie au-dessous de l'électrode de grille de Schottky 4. Dans le but d'éliminer localement une couche de gaz électronique bi-dimensionnel, un procédé de gravure peut être utilisé en plus du procédé
d'implantation d'ions mentionné ci-dessus.
Le fonctionnement du transistor à effet de champ à hétérojonction de la figure 5 selon ce mode de
réalisation de l'invention sera maintenant expliqué.
Comme le montre la figure 6A, dans un état d'équilibre dans lequel aucune tension n'est appliquée à l'électrode 4 de grille de Schottky, l'électrode de source 5 et l'électrode de drain 6, les couches 8 et 13 de gaz électronique bi-dimensionnel formées dans les parties de la couche 2 de GaAs respectivement voisines
des hétérojonctions 7 et 12 sont séparées.
Lorsqu'une tension de polarisation prédéterminée est appliquée entre la source et le drain, une tension de grille est appliquée à l'électrode 4 de grille de Schottky comme le montre la figure 6B. Quand la tension de grille change, la concentration ns de la couche 8 de gaz électronique bidimensionnel sur le côté de la source est contrôlée de sorte que le nombre des électrons
qui migrent depuis la couche 8 de gaz électronique bi-
dimensionnel vers la couche 13 de gaz électronique bi-
dimensionnel sur le côté du drain au-delà d'une barrière de potentiel présente dans la couche 2 de GaAs entre les couches 8 et 13 de.gaz électronique bi-dimensionnel dans la direction indiquée par la flèche A sur la figure est modulé, ce qui contrôle le courant qui circule entre la source et le drain. Il apparait ainsi, que, dans ce mode de réalisation, la distance (pratiquement égale à l'épaisseur de la couche 2 de GaAs) entre les couches 8 et 13 de gaz électronique bi-dimensionnel définit une longueur de grille effective. Le transistor à effet de champ à hétérojonction de ce mode de réalisation présente des avantages. Dans ce transistor à effet de champ, la longueur effective de grille est déterminée par l'épaisseur de la couche 2 de GaAs comme cela a été expliqué ci-dessus. L'épaisseur de la couche 2 de GaAs peut être contrôlée avec précision, O o de l'ordre de quelques A à quelques dizaines de A en utilisant un procédé MBE ou un procédé MO-CVD. Par conséquent, la longueur de grille peut être facilement raccourcie sans être limitée par une précision de mise en forme plane, comparativement au transistor à haute mobilité d'électrons conventionnel. Etant donné que les couches 8 et 13 de gaz électronique bi-dimensionnel fonctionnent comme des circuits de courant entre la source et le drain et entre la grille et le drain, la mobilité
des électrons est extrêmement élevée comme dans le tran-
sistor à haute mobilité d'électrons conventionnel. En outre, des électrons migrent dans la couche 2 de GaAs au-dessous de l'électrode 4 de grille de Schottky dans la direction indiquée par la flèche A et par conséquent, un courant circule dans le sens opposé. Le courant par unité de surface, c'est-à-dire la densité de courant, est donc très élevé comparativement au transistor à haute mobilité.d'électrons conventionnel dans lequel un courant
circule parallèlement à la couche 2 de GaAs.
Ce mode de réalisation de l'invention permet donc de réaliser un transistor à effet de champ à
hétérojonction à grande vitesse et a hautes performances.
Dans ce mode de réalisation, si l'épaisseur de la couche GaAs est choisie écale au trajet libre moyen des électrons dans GaAs, un fonctionnement dit balistique
peut aussi être obtenu.
Un mode de réalisation a été décrit ci-dessus.
Mais l'invention n'est pas limitée à ce mode particulier de réalisation et diverses modifications et variantes peuvent y être apportées sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. Par exemple, l'électrode de source 4 de ce mode de réalisation peut être utilisée
comme une électrode de drain à volonté, et réciproquement.
Dans ce cas, et comme le montre la figure 7, le nombre
des électrons qui migrent depuis une couehe de gaz élec-
tronique bi-dimensionnel sur le côté de source vers celle qui se trouve sur le côté de drain peut être modulé par
la tension de grille.
Dans ce dernier mode de réalisation, une couche de GaAs de type P peut être utilisée au lieu de la couche 2 de GaAs non dopée. En outre, le substrat 1 de GaAs semi-isolant, la couche de GaAs et les couches 3 et 9 de AlxGalxAs de type N peuvent être remplacées par d'autres types de substrats ou de couches semi-conductrices.Dans le mode de réalisation cidessus, des couches 10 et 11il de type N+ sont connectées aux couches 8 et 13 de gaz électronique bi-dimensionnel. Mais des couches d'alliage peuvent être formées au lieu des couches
10 et 11 de type N+ et des couches 8 et 13 de gaz électro-
nique bi-dimensionnel peuvent y être connectées.
Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans sortir
du cadre ni de l'esprit de l'invention.
9 i2576711
Claims (5)
1. Transistor à effet de champ à hétérojonction, caractérisé en ce qu'il comporte une première (9), une seconde (2) et une troisième (3) couches semi-conductrices qui sont superposées successivement les unes sur les autres, une première hétérojonction.(12) formée entre ladite première et ladite seconde couches semi-conductrices, une seconde hétérojonction (7) formée
entre ladite seconde et ladite troisième couches semi-
conductrices, une première (13) et une seconde (8) couches de gaz électronique bi-dimensionnel formées dans des
parties de ladite seconde couche semi-conductrice respec-
tivement près de ladite première et de ladite seconde hétérojonctions, une électrode de grille (4), une électrode de source (5) et une électrode de drain (6) formées sur l'une ou l'autre de ladite première ou de ladite troisième couches semi-conductrices, dans lequel ladite première couche (13) de gaz électronique bi-dimensionnel s'étend depuis une partie correspondant. à ladite électrode de grille jusqu'à ladite électrode de drain et à une extrémité virtuellement connectée à ladite électrode de drain, ladite seconde couche (8) de gaz électronnique bi-dimensionnel s'étendant depuis une partie correspondant à ladite électrode de grille jusqu'à ladite électrode de source et ayant une extrémité virtuellement connectée à ladite électrode de source, et dans lequel le nombre des électrons qui migrent entre ladite première et ladite seconde couches électroniques bi-dimensionnelles est modulé dans la partie de ladite seconde couche semi-conductrice correspondant à ladite électrode de grille par une tension appliquée à ladite électrode de grille en contrôlant ainsi le courant qui circule entre
ladite électrode de source et ladite électrode de drain.
2. Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première (9), ladite seconde 3- (2)etladite troisième (3) couches semiconductrices sont formées successivement sur un substrat semi-conducteur (1).
3. Transistor selon la revendication 2, carac-
térisé en ce que ledit substrat semi-conducteur (1) est
un substrat de GaAs.
4. Transistor selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite première (9) et ladite troisième (3) couches semi-conductrices sont des couchesdeAlxGalxAs de type N et ladite seconde couche semi-conductrice (2) étant une couche de GaAs
non dopée ou une couche de TaAs de type P.-
5. Transistor selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 4, caractérisé en ce que la première (13) et la seconde (8) couches de gaz électronique bi-dimensionnel ne se chevauchent qu'audessous de ladite
électrode de grille (4).
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