FR2629639A1 - Self-powered integrated component of the junction type and method for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Le composant intégré autoalimenté à jonction comprend un substrat monocristallin orienté 1, sur lequel est formée une couche mince 2 d'un matériau supraconducteur haute température ou semiconducteur comportant une discontinuité 21 divisant la couche mince 2 en deux régions 2a, 2b afin de créer une jonction (jonction Josephson ou jonction P-N). Un composé lamellaire d'insertion d'ions 3 est en contact avec l'une 2bdes deux régions 2a, 2b pour former l'un des pôles + de polarisation du composant, tandis qu'un matériau 5 constituant une source d'ions est en contact avec l'autre région 2a pour former l'autre pôle (-) de polarisation du composant. Une couche 4 d'un matériau séparateur conducteur ionique est disposée entre les couches 3 et 5 définissant les pôles (+,-) et sur une partie du matériau supraconducteur ou semiconducteur au niveau de la discontinuité 21 définissant la jonction. Application aux composants intégrés de type diode ou transistor, notamment pour constituer des mémoires.
Description
La présente invention concerne un composant intégré autoalimenté ainsi qu'un procédé et une installation pour la réalisation d'un tel composant.
On sait réaliser sous forme intégrée divers composants tels que des diodes, transistors, pouvant assurer diverses fonctions telles que la modulation ou l'amplification d'un signal ou encore la mise en mémoire d'une information.
La tendance à créer des produits à très grande intégration comportant un nombre élevé de composants individuels réunis sur une même plaquette de circuit intégré conduit à des limites dues à la difficulté d'accéder au coeur du système et à la difficuité de construire des structures tridimensionnelles.
Dans les circuits intégrés actuels, les divers composants sont alimentés à partir d'une source d'énergie extérieure. Il est donc nécessaire de relier chaque composant à la source d'énergie par des conducteurs de connexion dont le trajet doit être étudié avec soin. Lorsqu'un composant est implanté à une grande profondeur au sein du circuit intégré, loin de la périphérie, il n'est plus possible d'effectuer des connexions optimales entre la source d'énergie et le composant et l'efficacité du système est réduite.
Dans le cas de circuits intégrés à grande échelle, tels que les circuits intégrés VLSI, l'ensemble des connexions nécessaires pour fournir de l'énergie aux différents composants constitue un réseau dont la complexité, le volume et le poids sont un frein à l'accroissement de la capacité et de l'efficacité #du système.
On connait par ailleurs, notamment par la demande de brevet européen 201 422 des piles solides qui peuvent être incorporées à des circuits intégrés. Dans ce cas, la source d'énergie n'est plus extérieure au circuit intégré, mais elle constitue toujours un composant spécifique qui doit être relié par des connexions, au sein même du circuit intégré, avec chacun des composants formés dans le circuit intégré. La juxtaposition, au sein de circuits intégrés, de piles solides intégrables et de composants tels que des diodes ou des transistors est un perfectionnement intéressant mais ne permet pas de résoudre complètement les problèmes de limitation des performances dues aux liaisons avec la source d'énergie dans les circuits intégrés à grande échelle.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre la réalisation d'architectures nouvelles dans lesquelles il n'est plus nécessaire de relier par des conducteurs de liaison chacun des composants d'un circuit intégré avec une source d'énergie spécifique.
Ces buts sont atteints, notamment dans le cas d'une application à une mémoire à jonction, grâce à un composant intégré auto-alimenté à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat monocristallin orienté, sur lequel est formée une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température ou semiconducteur comportant une discontinuité divisant ladite couche mince en des première et seconde régions afin de créer une jonction, une couche mince d'un premier matériau déposée sur l'une desdites première et seconde régions de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour former l'un des pôles de polarisation du com#posant, une couche d'un matériau séparateur conducteur ionique disposée sur ladite discontinuité, sur ladite couche mince d'un premier matériau et sur une partie de celle des première et seconde régions non recouverte de la couche mince dudit premier matériau, et une couche d'un second matériau déposée sur ladite couche d'un matériau séparateur conducteur ionique et également en contact avec celle des première et seconde régions non recouverte de la couche mince dudit premier matériau, pour former l'autre p81e de polarisation du composant, l'un des premier et second matériaux étant constitué par un matériau constituant une source d'ions et l'autre des premier et second matériaux étant constitué par un composé lamellaire d'insertion d'ions.
Selon un premier mode de réalisation, le premier matériau comprend un premier matériau constituant une source.
d'ions pour former le pôle négatif de polarisation sur la première région de la couche de matériau supraconducteur ou semiconducteur et le second matériau comprend un composé lamellaire d'insertion d'ions pour former le pôle positif de polarisation sur une partie de la seconde région de la couche de matériau supraconducteur ou semiconducteur.
Selon un second mode de réalisation, le premier matériau comprend un composé lamellaire d'insertion d'ions pour former le ple positif de polarisation sur la seconde région de ~ la courbe de matériau supraconducteur ou semiconducteur et le second matériau comprend un matériau constituant une source d'ions pour former le ple négatif de polarisation sur une partie de la première région de la couche de matériau supraconducteur ou semiconducteur.
Selon une première application, ladite couche mince formée sur le substrat moncocristallin orienté est composée d'un matériau supraconducteur haute température comportant une discontinuité présentant une faible largeur de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètres pour séparer ladite couche mince en des première et seconde régions afin de créer une jonction
Josephson.
Josephson.
Selon une deuxième application ladite couche mince formée sur le substrat monocristallin orienté est composée d'un matériau semiconducteur dopé comportant une interface séparant ladite couche mince en une première région d'un premier type de conductivité (P ou N) et une seconde région d'un second type de conductivité (N ou P) afin de créer une jonction P-N.
Le choix des matériaux peut être effectué de la manière suivante
Le substrat monocristallin orienté est en un matériau choisi dans le groupe comprenant le saphir A1203, Sorti03 (100), Si
(100), Zr02 (100), MgO (100).
Le substrat monocristallin orienté est en un matériau choisi dans le groupe comprenant le saphir A1203, Sorti03 (100), Si
(100), Zr02 (100), MgO (100).
Le matériau supraconducteur haute température est choisi dans le groupe YBaCuO, comprenant notamment des compositions de type Y Ba2 Cu3O7, mais peut aussi présenter une composition du type BiCaSrCuO.
Le composé lamellaire d'insertion d'ions est une substance de formule MX ou M2X3 où M est choisi dans le groupe In,
Bi, Sb et X est choisi dans le groupe S,- Se, Te, ou de formule
MPX3 où M est un métal choisi dans le groupe Fe, Ni et Co et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou de formule MX2 où M est un métal de transition choisi dans le groupe Ti, Hf, Zr, Mo et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou encore de formule P205 ou V205 ou V6013.
Bi, Sb et X est choisi dans le groupe S,- Se, Te, ou de formule
MPX3 où M est un métal choisi dans le groupe Fe, Ni et Co et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou de formule MX2 où M est un métal de transition choisi dans le groupe Ti, Hf, Zr, Mo et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou encore de formule P205 ou V205 ou V6013.
Le matériau séparateur conducteur ionique est constitué par un matériau conducteur superionique, cristallin, ou un verre de formule B2S3-Li2 S -Li2SO4 ou BO 2 Lui20 2 Li2SO4 ou B203-Li20-LiX ou B2S3-Li2S-LiX où X est choisi dans le groupe Cl,
Br, I.
Br, I.
Le matériau constituant la source d'ions est constitué par du lithium, ou l'un des métaux alcalins Na, K, Cs ou encore de l'argent ou du cuivre.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un composant intégré auto-alimenté à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
a) faire croître sur un substrat monocristallin orienté par épitaxie par jets moléculaires une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions susceptibles de définir une jonction,
c) déposer par épitaxie par jets moléculaires sur la seconde région du matériau supraconducteur ou semiconducteur une couche d'un composé lamellaire d'insertion d'ions,
d) déposer par jets moléculaires une couche d'un matériau séparateur conducteur ionique sur ladite discontinuité, sur une partie de ladite première région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur et sur la couche d'un composé lamellaire d'insertion d'ions, et
e) déposer par jets moléculaires une couche d'un matériau constituant une source d'ions sur la couche d'un matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la première région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
a) faire croître sur un substrat monocristallin orienté par épitaxie par jets moléculaires une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions susceptibles de définir une jonction,
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e) déposer par jets moléculaires une couche d'un matériau constituant une source d'ions sur la couche d'un matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la première région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
Selon une variante de réalisation, le procédé de réalisation d'un composant intégré autoalimenté à jonction est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
a) faire croîtra sur un substrat monocristallin orienté par épitaxie par jets moléculaires une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions susceptibles de définir une jonction,
c) déposer par épitaxie par jets moléculaires sur la première région du matériau supraconducteur ou semiconducteur une couche d'un matériau constituant une source d'ions.
a) faire croîtra sur un substrat monocristallin orienté par épitaxie par jets moléculaires une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions susceptibles de définir une jonction,
c) déposer par épitaxie par jets moléculaires sur la première région du matériau supraconducteur ou semiconducteur une couche d'un matériau constituant une source d'ions.
d) déposer par jets moléculaires une couche d'un matériau séparateur conducteur ionique sur ladite discontinuité de faible largeur, sur une partie de ladite seconde région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur et sur la couche de matériau constituant une source d'ions, et
e) déposer par jets moléculaires une couche d'un composé lamellaire d'insertion d'ions sur la couche de matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la seconde région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
e) déposer par jets moléculaires une couche d'un composé lamellaire d'insertion d'ions sur la couche de matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la seconde région de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
Selon un premier mode de réalisation, on fait croître sur un substrat monocristallin orienté par épitaxie par jets moléculaires une couche mince d'un matériau supraconducteur haute température et lton crée ensuite une discontinuité présentant une faible largeur de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètres, dans la couche mince de matériau supraconducteur pour définir des première et seconde régions susceptibles de définir une jonction
Josephson.
Josephson.
Dans ce cas, l'étape consistant à créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur peut être réalisée par gravure d'une ligne de faible largeur par jet d'ions, jet d'électrons ou faisceau laser.
L'étape consistant à créer une discontinuité dans la couche mince de matériau supraconducteur peut aussi être réalisée par modification de la composition initiale de la couche mince selon une ligne de faible largeur par une technique telle que l'implantation ionique.
Selon un second mode de réalisation envisageable, on forme sur le substrat monocristallin orienté une couche mince d'un matériau semiconducteur dans laquelle on effectue un dopage pour définir une première région d'un premier type de conductivité (P ou N) et une seconde région d'un second type de conductivité (N ou P) séparées par une interface pour définir une jonction P-N.
L'invention concerne encore une installation à ultravide pour la fabrication de composants intégrés autoalimentés à jonction Josephson, caractérisée en ce qu'elle comprend des première, deuxième et troisème chambres à ultravide pour la réalisation de dépôts épitaxiaux par jets moléculaires, interconnectées entre elles et équipées chacune d'un spectromètre de masse quadripolaire (QUAD) et d'un appareil de diffraction électronique (RHEED), une chambre d'analyse en communication avec les première, deuxième et troisième chambres et équipée de moyens de spectroscopie à rayons X (XPS), de spectroscopie Auger, de spectroscopie de pertes électroniques (ELS) et de spectroscopie
Raman, et des bras magnétiques de manipulation pour transférer sans contact à l'air des cellules entre les première, deuxième et troisième chambres et la chambre d'analyse.
Raman, et des bras magnétiques de manipulation pour transférer sans contact à l'air des cellules entre les première, deuxième et troisième chambres et la chambre d'analyse.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui fait suite de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'une installation à ultravide pour la fabrication d'un composant intégré autoalimenté, selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'un composant constituant une diode Josephson;;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction Josephson réalisé conformément à l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction Josephson selon une variante de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction P-N réalisé conformément à l'invention, et
- la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention, du type transistor NPN, et
- la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention, du type transistor PNP.
- la figure 1 est une vue schématique d'une installation à ultravide pour la fabrication d'un composant intégré autoalimenté, selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'un composant constituant une diode Josephson;;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction Josephson réalisé conformément à l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction Josephson selon une variante de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté à jonction P-N réalisé conformément à l'invention, et
- la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention, du type transistor NPN, et
- la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention, du type transistor PNP.
La présente invention concerne d'une manière générale un composant intégré autoalimenté, c'est-à-dire un composant capable d'assurer une fonction sans qu'il soit nécessaire de le relier à une source d'énergie extérieure.
Des exemples de composants intégrés autoalimentés selon l'invention peuvent être constitués par des dispositifs semiconducteurs en silicium ou arsénure de gallium, tels que des diodes ou des transistors, incorporés dans un élément formant source d'énergie qui applique directement localement au composant incorporé l'énergie nécessaire au fonctionnement de ce composant.
On décrira cependant en premier lieu dans la suite de la description, à titre d'exemple, un composant intégré autoalimenté de type particulier, qui incorpore une jonction
Josephson d'un matériau supraconducteur à haute température.
Josephson d'un matériau supraconducteur à haute température.
Ainsi, le composant unique qui va être décrit assure la combinaison de deux fonctions qui sont simultanément créées dans le composant, lequel constitue une structure élémentaire pouvant servir à l'élaboration d'architectures de circuits à très grande intégration, tels que des mémoires. La première fonction est constituée par la génération d'énergie électrique tandis que la seconde fonction peut être notamment une fonction mémoire, amplification, décalage de fréquence ou modulation.
Le principe de la génération d'énergie électrique est fondé sur le transfert rapide d'ions, comme dans le cas de piles solides intégrables décrites dans le document EP-A-201 422. La fonction spécifique supplémentaire présentée par un composant selon l'invention est due à l'incorporation d'au moins une couche supplémentaire de matériau spécifique entre les diverses couches nécessaires pour assurer la fonction génération d'énergie électrique.
Un composant selon la présente invention consiste ainsi en une structure multicouche réalisée- de manière à présenter une fonction de génération d'énergie électrique et une autre fonction électronique telle qu'une fonction mémoire, la structure multicouches étant réalisée sous la forme d'un seul dispositif autonome fabriqué dans un emplacement donné au cours d'un procédé de fabrication créant simultanément la double fonction.
Dans l'exemple considéré, la couche supplémentaire 2 (Fig 2) est constituée par un matériau supraconducteur haute température présentant une discontinuité 21 séparant la couche 2 en deux régions 2a, 2b et constituant une jonction Josephson. La couche 2 peut ainsi être réalisée en un matériau de la famille YBaCuO, ayant une composition proche de YBa2Cu307, comme indiqué par exemple dans l'article de J.Moreland et al. intitulé "Josephson affect above 779K in a YBaCuO break junction" paru dans Appl. Phys. Lett. 51 pp.
540, 541 (1987) ou dans l'article de G.J. Cui et al. intitulé "Josephson affects observed in constricted Y-Ba-Cu-O films et liquid nitrogen temperaturen paru dans "Solid State Commu 64 pp 321-324 (1987).
Le matériau supraconducteur peut encore être du type
BiCaSrCuO
On décrira maintenant en référence à la figure 3 une structure et un procédé de réalisation d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention qui est du type à jonction Josephson et permet de combiner une fonction d'alimentation en courant et une fonction mémoire au sein d'une même unité.
BiCaSrCuO
On décrira maintenant en référence à la figure 3 une structure et un procédé de réalisation d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention qui est du type à jonction Josephson et permet de combiner une fonction d'alimentation en courant et une fonction mémoire au sein d'une même unité.
Un substrat monocristallin orienté 1 offrant une face propre permettant une croissance épitaxiale peut être réalisé en un matériau tel que par exemple le saphir Al203, SrTiO3 (100), Si (100), MgO (100) ou ZrO2 (100) cubique stabilisé à l'yttrium.
On fait naître au sommet de ce substrat sur la face prévue à cet effet une couche 2 de matériau supraconducteur haute température, par épitaxie à jets moléculaires (procédé MBE).
La couche 2 de matériau supraconducteur est séparée en deux parties ou régions 2a, 2b par une rainure ou discontinuité 21 très fine présentant une largeur de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètres. Les deux régions 2a, 2b de la couche mince 2 forment la jonction Josephson.
La rainure 21 divisant en deux moitiés 2a, 2b la couche 2 de matériau supraconducteur de type YBaCuO peut être formée à l'aide d'un jet d'ions, d'un jet d'électrons ou encore d'un faisceau laser. La discontinuité 21 peut encore être réalisée par modification locale de la composition de la couche mince 2 par exemple par implantation ionique.
On dépose ensuite sur la partie 2b de la couche 2 une mince couche 3 d'un composé lamellaire d'insertion d'ions pour former le pale positif de polarisation du composant, La couche 3 qui constitue en quelque sorte la cathode de la source d'énergie présente au sein même du composant est réalisée sous la forme de feuillets orientés perpendiculairement à la surface de la couche 2 et permet un échange électronique comme indiqué dans le document
EP-A-201 422.
EP-A-201 422.
La cathode 3 peut être réalisée en une substance de formule MX ou M2X3 où M est choisi dans le groupe In, Bi, Sb et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou de formule MPX3 où M est un métal choisi dans le groupe Fa, Ni et Co et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou de formule MX2 où M est un métal de transition choisi dans le groupe Ti, Hf, Zr, Mo et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou encore de formule P205 ou V205 ou V6013.
Un matériau séparateur conducteur ionique 4 est déposé par la même technique de jets moléculaires sur une partie de la première région 2a de la couche 2 de matériau supraconducteur ainsi que sur la région 44 formée au niveau de la discontinuité 21 et sur la couche 3 du composé lamellaire d'insertion d'ions.
Le matériau de la couche 4 assure une double fonction.
D'une part, il contribue à établir le faible lien de la jonction
Josephson au niveau de la couche 2 de matériau supraconducteur, par la zone 44 située au-dessus de la discontinuité 21, d'autre part il sépare la source d'ions de l'échangeur électronique et assure le transfert rapide d'ions. Le matériau séparateur de la couche 4 est un matériau bon conducteur ionique qui est en même temps un bon isolant électronique.
Josephson au niveau de la couche 2 de matériau supraconducteur, par la zone 44 située au-dessus de la discontinuité 21, d'autre part il sépare la source d'ions de l'échangeur électronique et assure le transfert rapide d'ions. Le matériau séparateur de la couche 4 est un matériau bon conducteur ionique qui est en même temps un bon isolant électronique.
Le matériau séparateur 4 peut être constitué par un matériau conducteur superionique, cristallin, ou un verre de formule B2S 37Li 2S-Li2SO4 ou B202-Li20-Li2SO4 ou B2O3-Li2O-LiX ou
B2S3-Li2S-LiX où X est choisi dans le groupe Cl, Br, I.
B2S3-Li2S-LiX où X est choisi dans le groupe Cl, Br, I.
Une mince couche 5 de lithium est déposée au sommet de la structure représentée sur la figure 3 et recouvre le matériau séparateur 4 tout en assurant également un contact avec la partie 2a de la couche 2 formant la jonction Josephson. La mince couche 5 sert de source d'ions pour la fonction "source d'énergie" du composant et joue ainsi le rôle d'anode formant le pôle négatif de polarisation du composant.
La fonction du composant de la figure 3 est la suivante
Le transfert d'ions de l'anode 5 à la cathode 3 crée une force électromotrice V et agit ainsi comme une source d'énergie électrique pour le composant. La tension V est appliquée à la jonction Josephson de la couche 2 et assure la polarisation de celle-ci.
Le transfert d'ions de l'anode 5 à la cathode 3 crée une force électromotrice V et agit ainsi comme une source d'énergie électrique pour le composant. La tension V est appliquée à la jonction Josephson de la couche 2 et assure la polarisation de celle-ci.
La figure 4 montre un composant dont la fonction est analogue à celle du composant de la figure 3 mais qui constitue une variante de réalisation et présente une structure légèrement différente de celle du composant de la figure 3.
Selon le mode de réalisation de la figure 4, après l'étape de formation de la couche 2 en matériau supraconducteur et réalisation de la discontinuité 21,- au lieu de déposer comme selon la figure 3 une couche 3 d'un composé lamellaire d'insertion d'ions sur la région 2b pour former un pôle positif de polarisation, on dépose sur la région 2a de la couche 2, par épitaxie par jets moléculaires une mince couche 15 de lithium pour former le pôle négatif de polarisation du composant.
On dépose ensuite, comme dans le mode de réalisation de la figure 3, par jets moléculaires une couche 14 d'un matériau séparateur conducteur ionique. Dans le cas de la figure 4, la couche 14 recouvre la couche 15 de lithium, une partie de la région 2b de la couche 2 de matériau supraconducteur ainsi que la région 44 formée au niveau de la discontinuité 21.
Comme on peut le voir sur la figure 4, on dépose en dernier lieu par jets moléculaires une mince couche 13 d'un composé lamellaire d'insertion d'ions de manière à recouvrir la couche de matériau séparateur 14 tout en assurant également un contact avec la partie 2b de la couche 2 formant la jonction
Josephson afin de former le pôle positif de polarisation du composant.
Josephson afin de former le pôle positif de polarisation du composant.
Les couches 13, 14 et 15 de la structure de la figure 4 peuvent être formées à partir des mêmes matériaux que respectivement les couches 3, 4 et 5 de la structure de la figure 3.
La figure 5 montre un composant intégré à jonction qui peut jouer un rôle analogue à celui des composants décrits en référence aux figures 3 et 4, et peut notamment servir de mémoire.
Le composant de la figure 5 qui est également autoalimenté peut être obtenu par des techniques semblables à celles qui ont été déjà décrites si ce n'est que la couche mince 2 de matériau supraconducteur est remplacée par une couche mince 2' de matériau semiconducteur dopé pour définir des régions de types de conductivité différents.
Ainsi, dans le cas du composant représenté sur la figure 5, la première étape consiste à former sur le substrat 1 une couche mince 2' de matériau semiconducteur qui dans une première région 2'a est dopé de manière à définir un premier type de conductivité et dans une seconde région 2'b contiguë séparée de la première région par la limite 21' est dopé de manière à définir un second type de conductivité. Les régions 2'a et 2'b jouent ainsi des rôles analogues aux régions 2a et 2b des figures 3 et 4 et la limite 21' entre les deux régions 2'a et 2'b joue le même rôle que la séparation 21 pour définir une jonction. Les premier et second types de conductivité correspondent aux types N et P dans le cas d'une polarisation dans le sens direct et aux types P et N dans le cas d'une polarisation de la jonction en inverse.
Le dépôt des couches 3 à 5 ou 13 à 15 des figures 3 et 4 peut s'effectuer sur la couche 2' du composant de la figure 5 -de manière analogue à ce qui a été décrit plus haut, afin de fournir sur les régions 2'a et 2'b les tensions de polarisation nécessaires à la jonction. On a représenté sur la figure 5 des couches 3 à 5 analogues à celles de la figure 3, mais il est naturellement possible de substituer aux couches 3 à 5 de la figure 5, des couches 13 à 15 semblables à celles représentées sur la figure 4.
Par ailleurs, on a représenté sur la figure 5 une seule jonction P-N définissant un composant de type diode, mais il est naturellement possible de réaliser sur le même composant au sein de la couche mince 2' de matériau semiconducteur dopé plusieurs jonctions différentes polarisées par un ensemble de couches analogues aux couches 3 à 5 ou 13 à 15 afin de définir des structures auto-alimentées de type transistor par exemple.
On a représenté à titre d'exemples de façon schématique sur les figures 6 et 7 des structures de transistors respectivement de type NPN et PNP. Sur la figure 6, une première jonction P-N 21' entre deux régions 2'a, 2'b respectivement dopées N et P jouant le rôle d'émetteur et de base est polarisée par les couches 3 à 5 comme dans le cas de la diode de la figure 5 tandis que la deuxième jonction P-N 21" entre les deux régions 2'b et 2'c respectivement dopées P.et N jouant le rôle de base et de collecteur est polarisée par la même couche 3 de polarisation positive.De façon similaire, sur la figure 7, une première jonction P-N 21' entre deux régions 2'a, 2'b respectivement dopées P et N jouant le rôle d'émetteur et de base est polarisée par des couches 13 à 15 semblables aux couches 13 à 15 de la figure 4, tandis que la deuxième jonction P-N 21" entre les deux régions 2'b et 2'c respectivement dopées N et P jouant le rôle de base et de collecteur est polarisée par la même couche 15 de polarisation négative.
On décrira maintenant en référence à la figure 1 un exemple d'installation à ultravide adaptée pour la fabrication d'un composant intégré autoalimenté selon l'invention.
L'installation 100 comprend essentiellement trois chambres 101, 102, 103 d'épitaxie par jets moléculaires interconnectées de manière à permettre d'effectuer l'ensemble des différentes étapes de fabrication du composant sous ultravide sans contact avec l'air ambiant ou des milieux polluants.
Chaque chambre 101, 102, 103 est équipée d'un spectromètre de masse quadripolaire (QUAND) pour contrôler la composition du produit et d'un appareil de diffraction électronique (RHEED) pour contrôler la structure du produit.
Un substrat monocristallin orienté est introduit dans un dispositif d'introduction 105 ou 105' puis dans la première chambre 101 dans laquelle est formée par épitaxie par jets moléculaires la mince couche dematériau supraconducteur par exemple de type YBaCuO à l'aide d'une évaporation simultanée d'yttrium, de baryum et de cuivre qui sont ensuite oxydés.
La première chambre est également équipée d'un canon à ions ou d'un canon à électrons afin de former la rainure 21 séparant la couche mince 2 en deux régions 2a et 2b.
La cellule constituée par le substrat 1 muni de sa première couche mince 2 est ensuite transférée dans la deuxième chambre 102 dans laquelle on procède à l'évaporation sous vide de la couche 3 du composé lamellaire d'insertion d'ions si l'on veut obtenir le composant de la figure 3. Le dépôt de la mince couche de matériau d'intercalation 3 est effectué de telle sorte que les feuillets de cette couche soient perpendiculaires à la surface de la couche de matériau supraconducteur 2.
La cellule comprenant la structure constituée du substrat 1, de la couche 2 et de la couche 3 est ensuite transférée dans la troisième chambre 103 dans laquelle on procède d'abord à l'évaporation sous vide d'une mince couche 4 d'un matériau séparateur conducteur ionique tel que 8203-Li20-Li2S04 par exemple.
On procède ensuite, dans la même troisième chambre 103 à l'évaporation d'un matériau métallique tel que le lithium destiné à constituer la couche 5 du composant.
Dans le cas de la fabrication de la structure représentée sur la figure 4, la cellule comprenant le substrat 1 muni de sa première couche mince est d'abord transférée de la première chambre 101 à la troisième chambre 103 pour former successivement des couches 15 et 14 puis la cellule comprenant la structure constituée du substrat 1 et des couches 2, 15 et 14 est transférée de la troisième chambre 103 à la deuxième chambre 102 pour le dépôt de la mince couche de matériau d'intercalation 13.
Le composant réalisé par cette suite d'opérations de dépôts de couche minces fonctionne comme une mémoire autoalimentée. La tension de polarisation est appliquée entre la couche de lithium 5;15 (borne - ) et la couche 3 ; 13 (borne +) formée par le matériau d'intercalation, sur les deux régions 2a, 2b de la jonction Josephson.
Dans l'installation de la figure 1, l'ultravide est maintenu en dessous de 10 10 torr et les températures sont maintenues à des niveaux compatibles avec ceux auxquels fonctionnent les matériaux supraconducteurs, par exemple au niveau de l'azote liquide.
Chaque chambre 101, 102, 103 fonctionne indépendamment des autres chambres, mais les chambres sont interconnectées notamment par des sas 151, 152 et des bras magnétiques 107 permettent de déplacer les cellules d'une chambre à l'autre.
Une chambre d'analyse 104 est en liaison avec les différentes chambres de travail 101, 102, 103 et est équipée de moyens 140 de spectroscopie à rayons X, de spectroscopie Auger, de spectroscopiede pertes électroniques et de spectroscopie Raman, pour permettre un contrôle de la structure produite à chaque étape de la mise en oeuvre du procédé de fabrication.
Selon une variante de réalisation ne mettant pas en oeuvre de matériau supraconducteur, on forme dans la première chambre 101 par des techniques classiques la couche mince 2' de matériau semiconducteur dopé afin de définir deux régions 2'a et 2'b par exemple respectivement de type N et P (cas de la figure 5). Les fonctions des autres chambres 102, 103, 104 peuvent rester identiques à celles qui ont été décrites plus haut.
A la fin du processus de fabrication sous ultravide dans les chambres 101, 102, 103, 104, les cellules sont transférées dans une enceinte 108 sous atmosphère controlée, dite boîte à gants pour y être stockées.
Claims (17)
1. Composant intégré auto-alimenté à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat monocristallin orienté (1), sur lequel est formée une couche mince (2,2') d'un matériau supraconducteur haute température ou semiconducteur comportant une discontinuité (21,21') divisant ladite couche mince (2,2') en des première (2a,2'a) et seconde (2b,2'b) régions afin de créer une jonction, une couche mince (15;3) d'un premier matériau déposée sur l'une desdites première (2a,2'a) et seconde (2b,2'b) régions de la couche mince (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour former l'un des pôles (- ; +) de polarisation du composant, une couche (14;4) d'un matériau séparateur conducteur ionique disposée sur ladite discontinuité (21,21'), sur ladite couche mince (15;3) d'un premier matériau et sur une partie de celle des première (2a,2'a) et seconde (2b,2'b) régions non recouverte de la couche mince (15;3) dudit premier matériau, et une couche (13;5) d'un second matériau déposée sur ladite couche (14;4) d'un matériau séparateur conducteur ionique et également en contact avec celle des première (2a,2'a) et seconde (2b,2'b) régions non recouverte de la couche mince (15;3) dudit premier matériau, pour former l'autre pôle (+ ; -) de polarisation du composant, l'un des premier et second matériaux étant constitué par un matériau constituant une source d'ions et l'autre des premier et second matériaux étant constitué par un composé lamellaire d'insertion d'ions.
2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau comprend un premier matériau constituant une source d'ions pour former le pole négatif de polarisation sur la première région (2a,2'a) de la couche (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur et en ce que le second matériau (13) comprend un composé lamellaire d'insertion d'ions pour former le pôle positif de polarisation sur une partie de la seconde région (2b,2'b) de la couche (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur.
3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau (3) comprend un composé lamellaire d'insertion d'ions pour former le pale positif de polarisation sur la seconde région (2b,2'b) de la courbe (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur et en ce que le second matériau (5) comprend un matériau constituant une source d'ions pour former le pôle négatif de polarisation sur une partie de la première région (2a,2'a) de la couche (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur.
4. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat monocristallin orienté (1) est en un matériau choisi dans le groupe comprenant le saphir
Al203, SrTiO3 (100), Si (100), ZrO2 (100), MgO (100).
5. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couche mince (2) formée sur le substrat moncocristallin orienté (1) est composée d'un matériau supraconducteur haute température comportant une discontinuité (21) présentant une faible largeur de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètres pour séparer ladite couche mince (2) en des première (2a) et seconde (2b) régions afin de créer une jonction Josephson.
6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau supraconducteur haute température (2) est choisi dans le groupe YBaCuO, comprenant notamment des compositions de type Y Ba2 Cu307 ou dans le groupe BiCaSrCuO.
7. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite couche mince (2') formée sur le substrat monocristallin orienté (1) est composée d'un matériau semiconducteur dopé comportant une interface (21') séparant ladite couche mince (2') en une première région (2'a) d'un premier type de conductivité (P ou N) et une seconde région (2'b) d'un second type de conductivité (N ou P) afin de créer une jonction P-N.
8. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le composé lamellaire d'insertion d'ions (3;13) est une substance de formule MX ou M2X3 où M est choisi dans le groupe In, Bi, Sb et X est choisi dans le groupe S, Se,
Te, ou de formule MPX3 où M est un métal choisi dans le groupe Fa,
Ni et Co et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou de formule
MX2 où M est un métal de transition choisi dans le groupe Ti, Hf,
Zr, Mo et X est choisi dans le groupe S, Se, Te, ou encore de formule P205 ou V205 ou V6013
9.Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau séparateur conducteur ionique (4;14) est constitué par un matériau conducteur superionique, cristallin, 2 24 cristallin, ou un verre de formule B2S3-Li2S -Li2S04 ou B203
Li20 4 B203 ou Li20-LiX ou B2S3-Li2S-LiX où X est choisi dans le groupe Cl, Br, I.
10. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau (5;15) constituant la source d'ions est constitué par du lithium, ou l'un des métaux alcalins
Na, K, Cs, ou encore de l'argent ou du cuivre.
11. Procédé de réalisation d'un composant intégré auto-alimenté à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
a) faire croître sur un substrat monocristallin orienté (1) par épitaxie par jets moléculaires une couche mince (2,2') d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité (21,21') dans la couche mince (2;2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions (2a, 2b;;2'a,2'b) susceptibles de définir une jonction,
c) déposer par épitaxie par jets moléculaires sur la seconde région (2b,2'b) du matériau supraconducteur ou semiconducteur une couche (3) d'un composé lamellaire d'insertion d'ions,
d) déposer par jets moléculaires une couche (4) d'un matériau séparateur conducteur ionique sur ladite discontinuité (21,21'), sur une partie de ladite première région (2a,2'a) de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur et sur la couche (3) d'un composé lamellaire d'insertion d'ions, et
e) déposer par jets moléculaires une couche (5) d'un matériau constituant une source d'ions sur la couche (4) d'un matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la première région (2a,2'a) de la couche mince (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
12. Procédé de réalisation d'un composant intégré auto-alimenté à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
a) faire croître sur un substrat monocristallin orienté (1) par épitaxie par jets moléculaires une couche mince (2,2') d'un matériau supraconducteur haute température ou d'un matériau semiconducteur,
b) créer une discontinuité (21,21') dans la couche mince (2;2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur pour définir des première et seconde régions (2a, 2b, 2'a,2'b) susceptibles de définir une jonction,
c) déposer par épitaxie par jets moléculaires sur la première région (2a,2'a) du matériau supraconducteur ou semiconducteur une couche (15) d'un matériau constituant une source d'ions.
e) déposer par jets moléculaires une couche (13) d'un composé lamellaire d'insertion d'ions sur la couche (14) de matériau séparateur conducteur ionique et sur une partie de la seconde région (2b;2'b) de la couche mince (2,2') de matériau supraconducteur ou semiconducteur, les diverses étapes a) à e) étant effectuées de façon successive sous ultravide.
d) déposer par jets moléculaires une couche (14) d'un matériau séparateur conducteur ionique sur ladite discontinuité de faible largeur (21,21'), sur une partie de ladite seconde région (2b,2'b) de la couche mince de matériau supraconducteur ou semiconducteur et sur la couche de matériau constituant une source d'ions, et
13. Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce que l'on fait croître sur un substrat monocristallin orienté (1) par épitaxie par jets moléculaires une couche mince (2) d'un matériau supraconducteur haute température et l'on crée ensuite une discontinuité (21) présentant une faible largeur de l'ordre de quelques dixièmes de nanomètres, dans la couche mince (2) de matériau supraconducteur pour définir des première et seconde régions (2a, 2b) susceptibles de définir une jonction Josephson.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape consistant à créer. une discontinuité (21) dans la couche mince (2) de matériau supraconducteur est réalisée par gravure d'une ligne de faible largeur par jet d'ions, jet d'électrons ou faisceau laser.
15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape consistant à créer une discontinuité (21) dans la couche mince (2) de matériau supraconducteur est réalisée par modification de la composition initiale de la couche mince (2) selon une ligne de faible largeur par une technique telle que l'implantation ionique.
16. Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce que l'on forme sur le substrat monocristallin orienté (1) une couche mince (2') d'un matériau semiconducteur dans laquelle on effectue un dopage pour définir une première région (2'a) d'un premier type de conductivité (P ou
N) et une seconde région (2'b) d'un second type de conductivité (N ou P) séparées par une interface (21) pour définir une jonction
P-N.
17. Circuit intégré incorporant un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ou réalisé selon l'une quelconque des revendications Il à 16.
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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Family Applications (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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