FR2674683A1 - Transistor a effet de champ ayant une couche de source d'electrons et une couche semiconductrice supplementaire portant les electrodes. - Google Patents
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Abstract
Un transistor à effet de champ comprend une couche de source d'électrons (28) qui consiste en un semiconducteur dopé ayant un niveau profond négligeable. Une couche de canal (26) formée sur la couche de source d'électrons consiste en un semiconducteur ayant une plus grande affinité pour les électrons que la couche de source d'électrons. La couche de source d'électrons (28) et la couche de canal (26) forment une hétérojonction, et une troisième couche de semiconducteur (32) ayant le même type de dopage que la couche de source d'électrons est formée sur cette dernière. Des électrodes de grille (36), de drain (40) et de source (38) sont formées sur la troisième couche et cette couche est plus faiblement dopée que la couche de source d'électrons.
Description
TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP AYANT UNE COUCHE
DE SOURCE D'ELECTRONS ET UNE COUCHE SEMICONDUCTRICE
SUPPLEMENTAIRE PORTANT LES ELECTRODES
La présente invention concerne un transistor à effet de champ (ou FET), et elle concerne plus particuliè- rement un transistor à effet de champ de puissance. On utilise habituellement un tube à ondes pro- gressives à titre d'amplificateur de puissance pour une bande micro-onde On s'est intéressé récemment à l'utilisa-10 tion de transistors à effet de champ de type métal-semicon- ducteur, ou MESFET, utilisant un semiconducteur composé
consistant en Ga As, à la place de tels tubes à ondes pro- gressives Cependant, pour utiliser un transistor MESFET à la place de tubes à ondes progressives, il est nécessaire15 d'améliorer les caractéristiques de puissance et de gain de ces transistors La figure 1 représente un exemple de tran-
sistor MESFET Le transistor MESFET qui est représenté sur la figure 1 comprend un substrat semi-isolant en Ga As 1 et une couche active en Ga As 2 sur le substrat 1 La couche20 active en Ga As 2 est dopée avec une impureté de type N Une électrode de drain 3 et une électrode de source 4 sont disposées sur la couche active 2 avec un écartement entre
elles Une cavité 5 est formée dans la couche active 2, dans un espace compris entre les électrodes de drain et de25 source Une électrode de grille métallique 6 est formée dans la cavité 5.
La puissance maximale de ce transistor MESFET est déterminée par le produit de son courant de canal maximal If et de sa tension de claquage VB (c'est-à-dire la tension inverse maximale que l'on peut appliquer entre l'électrode 5 de grille 6 et l'électrode de drain 3) D'après un article intitulé "Channel Current Limitations in Ga As MESFETS" par Hatsuaki Fukui paru dans Solid-State Electronics, Vol 22, pages 507- 515, on peut exprimer If par la relation: If = q Vs Nd Z a( 1-Pm) ( 1) Dans cette relation ( 1), q est la charge élémentaire, Vs est une vitesse de saturation, Nd est une concentration de dopage, qui est la quantité de charges par unité de volume, Z est la largeur de la grille, a est l'épaisseur de la couche de Ga As 2 immédiatement au- dessous de l'électrode de15 grille 6 (comme indiqué sur la figure 1), et Pm est le degré d'ouverture du canal au potentiel réduit minimal à l'extrémité de la grille, côté drain Comme on le voit d'après la relation ( 1) ci-dessus, If est proportionnel au produit de l'épaisseur a de la couche active 2, de la20 concentration de dopage Nd dans la couche 2 et de la vites- se de saturation des porteurs Vs dans la couche 2 D'autre part, d'après un article intitulé "Power-Limiting Breakdown Effects in Ga As MESFETS" par William R Frensley, paru dans IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol ED-28,25 N O 8, août 1981, pages 962-970, VB est inversement proportionnel au produit de Nd et a, c'est-à-dire à la quantité
de chargespar unité d'aire Il est donc possible d'augmen- ter le courant de canal maximal If en augmentant la vitesse de saturation Vs, sans augmenter le produit de Nd par a,30 c'est-à-dire sans réduire la tension de claquage VB.
Dans le but d'augmenter le gain, il est nécessai- re d'augmenter la fréquence de transition f T On sait que la fréquence de transition f T est proportionnelle à la vitesse de saturation Vs et inversement proportionnelle à35 la longueur de grille L A la fréquence de transition f T, 3 qui est la fréquence à laquelle le facteur d'amplification en courant est égal à l'unité ( 1), le courant qui circule dans la capacité grille-source Cgs est donné par l'expres- gs sion COT Cgs Vi, dans laquelle Vi est la tension grille-source et WT est égal à 21 rft Ce courant est égal au courant gm Vi qui circule dans le drain, en désignant par gm la transcon- ductance On peut alors exprimer la fréquence de transition f T sous la forme suivante: f T = gm/2 Cgs le terme gm étant égal à &Z Vs/W ú est la constante diélectrique de la couche active 2, Z est la largeur de la grille et W est l'épaisseur de la région de désertion dans la couche active 2 Plus précisément, par définition, gm est égale à 6 Id/S Vg à une tension de drain Vd maintenue15 constante, en désignant par Id un courant de drain et par
Vg une tension de grille D'après la relation ( 1), le cou-
rant de drain Id s'exprime de la façon suivante: Id = q Nd Vs Z(a-a Pm) ( 2) Dans la relation ( 2), a Pm représente l'épaisseur de la couche active 2 On sait que l'épaisseur W de la région de désertion dans la couche active 2 peut s'exprimer de la façon suivante: W = V 2 (Vb-Vg)/q Nd ( 3)
en désignant par Vb un potentiel interne D'après les rela-
tions ( 2) et ( 3), on peut exprimer gm de la façon suivante: gm = E Vs Z 2 E (Vb-Vg) q Nd &.Z Vs ( 4) W On peut exprimer Cgs sous la forme ELZ/W Par conséquent, gs 4 si dans la relation f T = gm/21 T Cgs on remplace gm par l'expression donnée par la relation ( 4) et Cgs par &LZ/W, la fréquence de transition f T peut s'exprimer sous la forme Vs/2-XL Cette expression indique que la fréquence de tran- 5 sition f T est proportionnelle à la vitesse de saturation Vs et est inversement proportionnelle à la longueur de grille
L. On comprend donc que l'augmentation de la vitesse de saturation Vs pour le produit Nd a exigé, pour une ten-
sion VB désirée, est un moyen efficace pour augmenter à la fois la puissance et le gain d'un transistor MESFET Pour des applications dans lesquelles on désire une vitesse de saturation Vs élevée, on peut avantageusement utiliser un transistor à mobilité élevée des électrons (ou HEMT), qui15 est représenté sur la figure 2 Le transistor HEMT de la figure 2 comprend un substrat semi-isolant en Ga As 7, une couche de canal en Ga As non dopé 8 sur le substrat 7, et une couche de source d'électrons 9, fortement dopée, en Alx Ga X As de type N, sur la couche de canal en Ga As non20 dopé 8 Ensuite, on forme une cavité 10, une électrode de grille 11, une électrode de drain 12 et une électrode de source 13 similaires à celles d'un transistor MESFET La couche de canal 8 a une plus grande affinité pour les élec- trons que la couche de source d'électrons 9, ce qui fait25 qu'une hétérojonction est formée entre la couche de source d'électrons 9 et la couche de canal 8 et, par conséquent,
une couche de gaz d'électrons bidimensionnel 14, ayant une vitesse de saturation élevée, est formée à la jonction entre la couche de canal 8 et la couche de source d'élec-30 trons 9.
Dans un transistor HEMT, le nombre maximal de porteurs bidimensionnels par unité d'aire, Ns, c'est-à-dire la quantité maximale de chargespar unité d'aire dans une hétérojonction, peut s'exprimer de la façon suivante: Ns = l 2 r N(E Ec-Ef)/ql (/2 ( 5) Dans cette expression, ú est la constante diélectrique de la couche de canal 8, N est la concentration d'électrons libres de la couche de source d'électrons 9 en Al x Ga 1 x As de type N, a Ec est la différence entre les énergies de 5 bande de conduction de la couche de canal 8 et de la couche de source d'électrons 9 à l'interface entre elles, Ef est le niveau de Fermi, et q est la quantité de charge électri- que On utilise fréquemment x = 0,3 pour la couche de source d'électrons 9 lorsqu'on utilise du silicium à titre10 d'impureté Ainsi, on utilise fréquemment pour la couche de source d'électrons 9 le composé Al 3 Ga O As de type N dopé
avec Si Dans ce cas, la concentration d'électrons libres N n'augmente pas de façon monotone avec le niveau de dopage Si Ceci vient du fait que dans le composé A 10 3 Ga 0,7 As de15 type N dopé avec Si, il se forme un niveau profond que l'on appelle un centre DX La limite supérieure de N est d'envi-
18 -3 ron 1 x 10 cm En substituant les valeurs suivantes 18 - 3 14 N 1 x 10 cm, ú= 8,85 x 10 x 12,5, AEC = 0, 2244 e V, Ef = 0,1 e V et q = 1,6 x 10 9 pour les termes correspon-20 dants dans la relation ( 5) indiquée ci-dessus, on trouve que le nombre maximal de porteurs bidimensionnels Ns est 12 -2 d'environ 1 x 10 cm On a calculé la valeur de AEC en supposant que les bandes d'énergie interdites des composés Al 3 Ga 7 As et Ga As sont respectivement de 1,798 e V et25 1,424 e V, et en multipliant la différence par 0,6 Si l'on utilise la quantité de chargespar unité d'aire, Ns, à la place de la quantité de chargespar unité de volume, Nd a, dans la relation ( 1), on peut exprimer de la manière suivante le courant de canal maximal If pour le transistor30 HEMT Il faut noter qu'à cause du transistor HEMT, aucune région de désertion n'est formée dans la couche de gaz
d'électrons bidimensionnel 14, et par conséquent le terme a.Pm est supprimé.
If = q Vs Ns Z ( 6) 6 En substituant 1,6 x 10 9 (C), 2 x 10 (cm/s), 1 x 102 (cm), et 0,1 (cm) respectivement pour q, Vs, Ns et Z dans la relation ( 6), on voit que If est égal à 0,32 A/mm On sait que pour obtenir une tension de claquage VB de 25 V ou 5 plus pour un transistor MESFET au Ga As, ayant une cavité de grille avec des marches, le produit Nd a doit être de 2,4 x 10 charges/cm 2 Dans ce cas, si l'on suppose que Z = 0,1 cm, le courant If calculé par la relation ( 1) est égal à 400 m A/mm On voit donc que le courant If pour des
transistors HEMT est plus faible que le courant If pour des transistors MESFET.
La tension de claquage VB des transistors HEMT est également inversement proportionnelle au produit de la
quantité de charges électriques par unité d'aire ou de la15 concentration de dopage Nd, et de l'épaisseur a de la couche de source d'électrons 9 Par conséquent, pour obte-
nir le nombre maximal de porteurs bidimensionnels par unité d'aire, Ns, d'environ 1 x 10 cm, la concentration de 18 -3 dopage avec du silicium doit être de 4 x 10 cm, et l'épaisseur a doit être de 350 L En d'autres termes, on peut calculer la concentration d'électrons libres N pour une valeur de Ns d'environ 1 x 10 cm, en substituant les valeurs précitées pour q ú, Ns, 4 Ec, et Ef dans la relation N = q Ns 2/2 (A Ec-Ef), qui est déduite de la25 relation ( 5) D'après le calcul, on voit que la concentration N exigée est de 5,83 x 10 cm Du fait qu'un niveau profond est formé, la concentration d'électrons libres N du composé Alx Ga -x As de type N est d'environ 10 à 20 % du niveau de dopage par le silicium, lorsque x est égal à 0,3.30 Par conséquent, pour obtenir la concentration d'électrons libres N égale par exemple à 15 % du niveau de dopage par le
silicium, la concentration de dopage en silicium doit être: 5,83 x 1017/0,15 = 4 x 1018 cm 3.
Le nombre de porteurs bidimensionnels par unité d'aire, Ns, est déterminé par le produit de l'épaisseur d 7 de la couche de source d'électrons 9, qui fournit les
porteurs bidimensionnels, par la concentration en électrons libres N Par conséquent, l'épaisseur d doit être égale à 12 17 Ns/N = 1 x 10 /5,83 x 10 = 172 Y Du fait que l'électro-
de de grille 11 est une électrode métallique, une région de désertion sera formée dans la couche de source d'électrons 9 D'après la relation ( 3), l'épaisseur W de la région de désertion, lorsque la polarisation de grille est égale à 0 V, est: W = ( 2 úVb/q Nd)12
la tension Vb étant égale à 0,92 V Par conséquent, l'épais-
seur W est de 178 X Dans ces conditions, l'épaisseur a de la couche de source d'électrons 9 est égale à d + W, soit 350 .
La concentration de dopage Nd et l'épaisseur a de la couche de source d'électrons 9 du transistor HEMT sont
respectivement de 4 x 10 cm et 350 X, et par conséquent 12 -2 Nd.a est égal à 14 x 10 cm Cette valeur est notable-
ment supérieure au produit Nd a des transistors MESFET au 12 -2 Ga As ordinaires, qui est égal à 2, 4 x 10 cm Ceci signifie que la tension de claquage VB des transistors HEMT est de 4-5 V, ce qui est très faible Par conséquent, du fait de la possibilité d'avoir une vitesse de saturation Vs élevée, un transistor HEMT a une fréquence de transition f T élevée et un gain amélioré, mais son courant de canal maximal If et sa tension de claquage sont faibles Il est donc difficile d'améliorer la caractéristique de puissance de transistors HEMT. Pour résumer, on peut améliorer la vitesse de saturation Vs de transistors HEMT en Ga As/Al Ga As de type N classiques, mais il existe une limite supérieure sur la concentration en électrons libres pour le composé Al Ga As de type N et du fait de cette limitation, on ne peut pas augmenter le courant de canal maximal If et la tension de 8 claquage est inférieure à la moitié de celle de transistors MESFET. Un transistor à effet de champ conforme à l'in- vention comprend une structure à hérojonction comportant au moins une hétérojonction formée dans cette structure par au moins une couche de source d'électrons et au moins une couche de canal La couche de source d'électrons consiste en un premier matériau semiconducteur dopé ayant un niveau profond qui est pratiquement négligeable La couche de10 canal consiste en un second matériau semiconducteur non dopé dont l'affinité pour les électrons est supérieure à celle de la première couche de semiconducteur Le transis- tor à effet de champ comprend en outre une troisième couche de semiconducteur qui est dopée de façon à avoir le même15 type de conductivité que la couche de source d'électrons. La troisième couche de semiconducteur est formée sur la structure à hétérojonction Une électrode de grille, une électrode de source et une électrode de drain sont formées sur la troisième couche de semiconducteur La concentration de dopage de la troisième couche de semiconducteur est inférieure à la concentration de dopage de la couche de source d'électrons. On peut utiliser Ga As pour le matériau de la couche de source d'électrons, avec In Ga As pour la couche de canal et Ga As pour la troisième couche de semiconduc- teur Selon une variante, on peut utiliser Al Ga As pour la couche de source d'électrons Dans ce cas, on peut utiliser In Ga As et Ga As respectivement pour la couche de canal et pour la troisième couche de semiconducteur Selon un autre30 aspect de l'invention, la structure à hétérojonction peut comprendre une couche de source d'électrons et des couches de canal formées sur les surfaces opposées de la couche de source d'électrons, de façon que des hétérojonctions soient formées sur les côtés opposés de la couche de source35 d'électrons Selon encore un autre aspect de l'invention, 9 la structure à hétérojonction peut comprendre un ensemble
de combinaisons de couches de source d'électrons et de couches de canal, chacune d'elles comprenant une hétéro- jonction formée entre les couches de source d'électrons et 5 de canal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description
qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La suite de la description se10 réfère aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 est une coupe d'un transistor MESFET en Ga As classique.
La figure 2 est une coupe d'un transistor HEMT en Ga As/Al Ga As de type N classique.
La figure 3 est une coupe d'un transistor à effet de champ conforme à un mode de réalisation de la présente invention. Les figures 4 (a)-4 (c) montrent des caractéristi- ques en courant continu du MESFET en Ga As classique qui est
représenté sur la figure 1.
Les figures 5 (a)-5 (c) montrent des caractéristi- ques en courant continu du transistor à effet de champ de la présente invention qui est représenté sur la figure 3. La figure 6 montre des caractéristiques en haute fréquence du transistor MESFET en Ga As représenté sur la figure 1 et du transistor à effet de champ de la présente invention, représenté sur la figure 3. La figure 7 est une coupe d'un transistor à effet de champ conforme à un autre mode de réalisation de la
présente invention.
La figure 8 est une coupe d'un transistor à effet de champ conforme à encore un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 montre un transistor à effet de champ (ou FET) conforme à un mode de réalisation de la présente invention Le transistor qui est représenté sur la figure 3 est un transistor à effet de champ de puissance qui com- prend un substrat 20 en un matériau semi-isolant, par exemple en Ga As Une couche tampon, telle qu'une couche de 5 Ga As non dopé 22, est formée sur la surface supérieure du substrat en Ga As 20 La couche de Ga As non dopé 22 peut par
exemple avoir une épaisseur d'environ 1 Mm. Une structure à hétérojonction 24 est formée sur la couche de Ga As non dopé 22 La structure à hétérojonc-
tion 24 comprend une première couche de semiconducteur qui peut remplir la fonction d'une couche de source d'électrons 28, et une seconde couche de semiconducteur qui peut remplir la fonction d'une couche de canal 26, avec la
couche de canal 26 formée sur la couche de Ga As non dopé15 22 La couche de source d'électrons 28 est formée sur la couche de canal 26 Une hétérojonction est formée à l'in-
terface entre la couche de canal 26 et la couche de source d'électrons 28 Il en résulte qu'une couche de gaz d'élec- trons bidimensionnel 30 est formée dans la couche de canal'20 26, en position adjacente à l'hétérojonction La couche de canal 26 consiste en Inx Ga 1-x As non dopé qui a une vitesse de saturation plus élevée que celle du Ga As La couche de source d'électrons 28 consiste en Ga As dopé avec du sili- cium Le Ga As a une plus faible affinité pour les électrons25 que le composé Anx Gai x As Lorsque le Ga As est dopé, par exemple avec du silicium, qui remplit le fonction d'une impureté, sa concentration de dopage Nd et sa concentration de porteurs sont pratiquement en coïncidence mutuelle La vitesse de saturation Vs du composé Inx Ga x As dépend de la30 proportion x de In, c'est-à-dire qu'elle augmente lorsque x augmente On ne peut pas obtenir l'alignement des réseaux cristallins entre Ga As et In Ga As, et par conséquent x l-x A 5 tprcnéun l'épaisseur de la couche de canal 26 doit être limitée à une épaisseur inférieure à l'épaisseur critique à laquelle35 une dislocation due au défaut d'alignement des réseaux il cristallins pourrait se produire L'épaisseur critique diminue lorsque xaugmente Une proportion x = 15 % et une épaisseur de 150 À conviennent pour la couche de canal en Inx Ga 1 x As, pour former une hétérojonction avec Ga As Par conséquent, dans le mode de réalisation présent, l'épaisseur de la couche de canal 26 est de 150 R L'épaisseur d
de la couche de source d'électrons 28 est calculée à partir du rapport entre la concentration d'électrons bidimension- nelle Ns et la concentration de porteurs N, c'est-à-dire10 Ns/N Du fait que Ns est choisie égale à 0,888 x 10 cm comme on le décrira ultérieurement, lorsque la concentra-
tion de porteurs N dans In Ga As est égale à 1,5 x 10 -3 x 1-x cm, une épaisseur d'environ 60 X est théoriquement suffi-
sante pour l'épaisseur d de la couche 28 Cependant, comme15 on le décrira ultérieurement, la couche de source d'élec- trons 28 est fabriquée par exemple par épitaxie par jets moléculaires, et on choisit une valeur d'environ 100 X pour l'épaisseur de la couche 28, en tenant compte des toléran- ces de fabrication.20 Une troisième couche de semiconducteur, telle qu'une couche de Ga As de type N 32, dans laquelle peut être
formée une région de désertion de grille Schottky, est placée sur la couche de source d'électrons 28 Une cavité à deux marches 34 est formée d'une manière connue dans une25 partie centrale de la couche de In x Ga X As 32 Une électro- de de grille métallique 36 est formée dans la cavité 34.
Une électrode de source 38 et une électrode de drain 40 sont formées sur la couche de Inx Ga x As 32, de part et d'autre de l'électrode de grille 36 La longueur de grille30 de l'électrode de grille 36 est par exemple de 0,5 pm.
La concentration de dopage Nd de la couche de Ga As 32 dans laquelle doit être formée la région de déser-
tion de grille Schottky, est pratiquement égale à la con- centration de porteurs N, comme indiqué ci-dessus, du fait35 que le matériau consiste en Ga As On la choisit donc dans 17 -3 17 _ 3 une plage de 0,5 x 10 cm à 0,8 x 10 cm, soit par exemple 0,8 x 10 7 cm L'épaisseur a de la couche 32 immédiatement au-dessous de l'électrode de grille 36 est choisie égale à 0,11 pm Cette valeur est choisie pour 5 faire en sorte qu'une région de désertion soit établie sur l'épaisseur totale lorsque la polarisation de grille est égale à O volt L'épaisseur W de la région de désertion pour une polarisation de grille de O volt est déterminée 1/2 conformément à l'expression ( 2 ú Vb/q Nd) Lorsque le terme ú est égal à 8,85 x 10 x 12,5, la tension interne -19 Vb est égale à 0,75 V, et q est égale à 1,6 x 10 l'épaisseur W de la région de désertion est d'environ 0,11 pim Par conséquent, l'épaisseur a est choisie égale à 0,11 pm La couche de Ga As non dopé 22, la couche de canal 26, la couche de source d'électrons 28 et la couche de Ga As de désertion de grille Schottky 32 sont fabriquées par
exemple par épitaxie par jets moléculaires, la cavité est formée par gravure, et les électrodes de grille, de source et de drain 36, 38, 40 sont fabriquées par exemple par20 dépôt en phase vapeur.
Dans la structure Ga As/In 0,15 Ga 0,85 As du transis- tor à effet de champ construit de la manière décrite ci-
dessus, du fait que la bande d'énergie interdite du Ga As est de 1,424 e V et celle du composé In Ga As est 0,15 0,85 égale à 1,194 e V, la différence de bande d'énergie inter- dite A Eg entre les deux matériaux est de 0,23 e V, et par conséquent le terme L Ec est égal à 0,138 e V, du fait qu'on considère qu'il est égal à 0,6 fois L Eg Contrairement à ceci, dans la structure Al 3 Ga 7 As/Ga As d'un transistor30 HEMT classique, du fait que la bande d'énergie interdite du composé Al 3 Ga O 7 As est égale à 1,798 e V et celle du composé Ga As est égale à 1,424 e V, la différence de bande d'énergie interdite est de 0,374 e V, et par conséquent le terme àEc, qui est égal à 0,6 fois A Eg, est égal à35 0, 224 e V Par conséquent, le terme A Ec de la structure 13 Ga As/In 0, 15 Ga 0,85 As est environ 0,615 fois celui de la structure A 10,3 Ga O 7 As/Ga As Ceci signifie que la structure Ga As/In 0,15 Ga 0,85 As a une plus faible concentration d'élec- trons bidimensionnelle Ns. 5 Cependant, la vitesse de saturation Vs du composé 7 In 15 Ga 85 As est d'environ 2,4 x 10 cm/s, ce qui est 0,15 0,85 environ 1,2 fois la vitesse de saturation Vs du composé Al Ga As, qui est d'environ 2,0 x 10 cm/s Dans les 0,3 0,7 conditions dans lesquelles la concentration de porteurs et l'épaisseur de la couche de source d'électrons en Ga As 28 sont respectivement égales à 1,5 x 1018 cm et 100 A, comme indiqué précédemment, et en supposant que le niveau de Fermi soit de 0,1 e V, la concentration d'électrons bidimensionnelle Ns est: Ns = l 2 EN( A Ec Ef) /ql 1/2 = l 2 x 8,85 x 10 14 x 12 N 5 x 1,5 x 1018 x 0,038/( 1,6 x 1-9)l 1/2 = 0, 888 x 1012 La concentration d'électrons bidimensionnelle Ns du mode de réalisation présent est réduite à environ 89 % de celle du transistor HEMT à structure A 10 3 Ga O 7 As/Ga As classique,
12 -dsss 'ee qui est égale à 1,0 x 10, comme indiqué ci-dessus Cepen-
dant, dans ce mode de réalisation, on peut calculer, d'après la relation ( 6), que le courant de canal maximal If25 est égal à 342 m A/mm pour la même largeur de grille de 0,1 cm que le transistor HEMT classique Ce courant de canal maximal s'élève jusqu'à environ 1,07 fois celui du transistor HEMT classique, qui est égal à 320 m A/mm. On peut calculer au moyen de la relation ( 1) le courant maximal If dans la couche de Ga As de désertion de grille Schottky, 32, avec l'application d'une polarisation directe Pour le calcul, on suppose que a est égale à 0,11 lim, comme indiqué ci-dessus Comme indiqué dans 14 l'article précité de H Fukui, le terme Pm est donné par la relation Pm = 0,94 (Ec L/Wp)/2, dans laquelle Ec est un champ électrique critique, L est une longueur de grille et Wp est une tension de pincement de grille globale Wp est 5 référencée à l'état de polarisation zéro, et elle est par conséquent égale à la tension de barrière, par exemple 0,75 V Si l'on suppose que la vitesse de saturation est égale à 1,4 x 107 cm/s, L est égale à 0,5 pm et Ec est égale à 0,29 e V, comme indiqué dans l'article de Fukui, Pm est égal à 0,397 Dans ces conditions, d'après la relation ( 1), le courant If est égal à 119 m A/mm Par conséquent, le courant de canal maximal qui circule entre le drain et la source est de 461 m A/mm (= 342 m A/mm + 119 m A/mm), ce qui est supérieur au courant de canal maximal d'un transistor15 MESFET au Ga As classique, qui est de 400 m A/mm Dans ce cas, la tension de polarisation directe appliquée est par exemple de 1,5 V. De plus, la quantité de charges par unité d'aire du mode de réalisation qui est envisagé est: 1,5 x 1018
_ 3 1 O 17 _ 3 -
cm x 1 x 10-6 cm + 0,8 x 1017 cm x 1,1 x 10-5 cm =
2,38 x 1012 charges/cm 2 Cette valeur est inférieure à la quantité de charges par unité d'aire envisagée précédem-
ment pour le transistor HEMT, qui est de 2,4 x 1012 charges/cm 2 En outre, on peut atteindre la tension de25 claquage d'environ 25 V. Les figures 4 (a)-4 (c) et les figures 5 (a)-5 (c) montrent le courant de canal maximal If, la tension de claquage VB et la transconductance gm du transistor MESFET au Ga As classique (figures 4 (a)-4 (c)) et du transistor à30 effet de champ du mode de réalisation de la présente inven- tion qui est représenté (figures 5 (a)-5 (c)), dans des conditions dans lesquelles la largeur de grille est de 150 pm dans les deux transistors Le transistor MESFET au Ga As classique a un courant If de 400 m A/mm, une tension VB de 27 V et une transconductance gm maximale (gmmax) de m S/mm (Vds = 3 V), tandis que le transistor à effet de champ du mode de réalisation de la présente invention a une
tension VB de 25 V, un courant If de 460 m A/mm et une transconductance gm de 221 m S/mm (Vds = 3 V) En d'autres 5 termes, dans le mode de réalisation de la présente inven- tion, les paramètres If et gm sont améliorés sans dégrada-
tion de la tension de claquage VB Comme indiqué ci-dessus, gm s'exprime sous la forme _Z Vs/W, et dans le mode de réalisation présent, du fait que la vitesse de saturation10 Vs est améliorée, la transconductance gm est également améliorée.
La figure 6 montre la caractéristique en haute fréquence à 14,25 G Hz d'un transistor à effet de champ adapté de façon interne (c'est-à-dire avec auto-adaptation)15 ayant une largeur de grille globale de 10,5 mm, qui est fabriqué conformément à la présente invention, comparée à celle d'un transistor à effet de champ adapté de façon interne, de type classique, ayant la même largeur de grille On voit que la puissance de sortie saturée (Psat)20 et le gain dans la région linéaire (GLP) sont tous deux améliorés de 1 d B. A la place de Ga As comme dans le mode de réali- sation de la figure 3, on peut utiliser Alx Gai x As (avec 0 < x < 0,2) pour la couche de source d'électrons 28 En outre, bien que la structure à hétérojonction 24 soit représentée sur la figure 3 sous une forme comprenant la couche de source d'électrons 28 et la couche de canal unique 26 au-dessous de la couche 28, des couches de canal 261 et 262 peuvent être formées sur les surfaces supérieure et inférieure de la couche de source d'électrons 281, de façon à former des hétérojonctions des deux côtés de la couche de source d'électrons 281, comme représenté sur la figure 7 De façon similaire au mode de réalisation repré- senté sur la figure 3, le mode deréalisation de la figure35 7 comprend également un substrat en Ga As 201, une couche en 16 Ga As non dopé 221, une couche en Ga As 321 dans laquelle est formée une région de désertion, une cavité 341, une élec- trode de grille 361, une électrode de source 381 et une électrode de drain 401 La couche de source d'électrons 281 peut consister en Ga As ou en Alx Ga 1 As (avec O < x < 0,2), comme dans le mode de réalisation de la figure 3 De plus, bien que la structure à hétérojonction 24 de la figure 3 consiste en une combinaison d'une couche de source d'élec- trons et d'une couche de canal, elle peut comprendre un10 ensemble de telles combinaisons, comme représenté sur la figure 8 Sur la figure 8, on utilise deux combinaisons de ce type, dans lesquelles une combinaison comprend une couche de source d'électrons 263 et une couche de canal 282, et l'autre comprend une couche de source d'électrons 264 et une couche de canal 283 Le transistor à effet de champ de la figure 8 comprend également un substrat en Ga As 202, une couche en Ga As non dopé 222, une couche en Ga As 322 dans laquelle doit être formée une région de désertion, une cavité 342, une électrode de grille 362, une électrode de source 382 et une électrode de drain 402 Dans cet exem- ple également, on peut utiliser Al x Ga x As (avec O < x < 0,2) pour les couches de source d'électrons 282 et 283. Cependant, dans ce cas, on doit sélectionner l'épaisseur et
la concentration de dopage de chaque couche de source25 d'électrons de façon que la somme des sommes de quantités de charges par unité d'aire des couches de source d'élec-
trons respectives et de la quantité de charges par unité d'aire de la couche de Ga As 322 dans laquelle doit être formée une région de désertion de grille Schottky en Ga As,30 soit inférieure à la valeur indiquée ci-dessus, de 2,4 x 1012 charges/cm 2 En outre, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, on utilise une couche de Ga As ( 32, 321 ou 322)pour la troisième couche de semiconducteur dans laquelle doit être formée une région de désertion de grille Schottky, mais on peut utiliser à la place une
couche de In Gai x As (avec x > O).
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (4)
1 Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure à hétérojonction ( 24) ayant au moins une hétérojonction formée par au moins une couche 5 de source d'électrons ( 28) en un premier matériau semicon- ducteur dopé ayant un niveau profond négligeable, et au moins une couche de canal ( 26) en un second matériau semi- conducteur non dopé, ayant une plus forte affinité pour les électrons que la couche de source d'électrons ( 28); une couche ( 32) d'un troisième matériau semiconducteur, formée sur la structure à hétérojonction ( 24), et dopée de façon à avoir le même type de conductivité que la couche de source d'électrons ( 28), la concentration de dopage de la troisiè- me couche ( 32) étant inférieure à celle de la couche de15 source d'électrons ( 28); et des électrodes de grille ( 36), de drain ( 40) et de source ( 38) formées sur la couche du troisième matériau semiconducteur ( 32).
2 Transistor à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: une couche de source d'électrons ( 28) en un premier matériau semiconducteur dopé ayant un niveau profond pratiquement négligeable; une couche de canal ( 26) en un second matériau semiconducteur non dopé, ayant une plus grande affinité pour les électrons que la couche de source d'électrons ( 28), cette couche de canal ( 26) étant25 placée en contact avec une surface de la couche de source d'électrons ( 28); une couche ( 32) d'un troisième matériau
semiconducteur, formée sur la surface de la couche de source d'électrons ( 28) qui est opposée à la surface de cette dernière avec laquelle la couche de canal ( 26) est en30 contact, la couche ( 32) du troisième matériau semiconduc- teur étant dopée de façon à avoir le même type de conducti-
vité que la couche de source d'électrons ( 28), et la con- centration de dopage de la couche ( 32) du troisième maté- riau semiconducteur étant inférieure à celle de la couche35 de source d'électrons ( 28); et des électrodes de grille ( 36), de drain ( 40) et de source ( 38) formées sur la couche
( 32) du troisième matériau semiconducteur.
3 Transistor à effet de champ selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la couche de source d'élec-
trons est une couche de Ga As ( 28), la couche de canal est une couche de In Ga As ( 26), et la couche du troisième maté- riau semiconducteur est une couche de Ga As ( 32).
4 Transistor à effet de champ selon la revendication 3, caractérisé en ce que la concentration de dopage de la couche de canal ( 26) est d'environ 1,5 x 1018 cm et la concentration de dopage de la couche ( 32) du troisième matériau semiconducteur est comprise entre environ 0,5 x 1017 cm et environ 0,8 x 1017 cm Transistor à effet de champ selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la couche de source d'élec- trons est une couche de Al Ga As ( 28), la couche de canal est
une couche de In Ga As ( 26) et la couche du troisième maté- riau semiconducteur est une couche de Ga As ( 32). 6 Transistor à effet de champ selon la revendi-
cation 1, caractérisé en ce que la structure à hétérojonc- tion comprend une couche de source d'électrons ( 281) et
deux couches de canal ( 261, 262) qui sont respectivement disposées sur les surfaces opposées de la couche de source d'électrons ( 281).25 7 Transistor à effet de champ selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la structure à hétérojonc-
tion comprend un ensemble de combinaisons d'une couche de source d'électrons ( 263, 264) et d'une couche de canal* ( 282, 283), chaque combinaison formant une hétérojonction
entre sa couche de source d'électrons et sa couche de canal.
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