FR2766919A1 - Transducteur de pression hydrostatique et/ou de temperature - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un transducteur de pression et/ ou de température comportant : - un premier super-réseau (8) à puits couplés, constitué d'une alternance de couches de semiconducteurs III-V à bande interdite large, ayant une épaisseur L1 et à bande interdite étroite, ayant une épaisseur L2 , de pas P=L1 +L2 , ce premier super-réseau étant dopé par des impuretés de type donneur, à une première concentration, présentant une première résistivité (R1 ) en fonction de la température et de la pression,- un second super-réseau (12) à puits couplés, constitué d'une alternance de couches de semiconducteurs III-V à bande interdite large, ayant une épaisseur L'1 , et à bande interdite étroite, ayant une épaisseur L'2 , ce second super-réseau étant dopé par des impuretés de type donneur, à une seconde concentration, présentant une seconde résistivité (R2 ) en fonction de la température et de la pression, et dont la dépendance en température (ST2 ) est différente de celle (ST1 ) de la première résistivité.

Description

TRANSDUCTEUR DE PRESSION HYDROSTATIQUE ET/OU DE TEMP < RATURE
Domaine technique et art antérieur
La présente invention a pour objet un transducteur de pression hydrostatique et/ou de température destiné à mesurer en particulier la pression à laquelle est soumis un fluide à des températures pouvant aller jusqu'à 200"C. I1 convient en particulier aux hautes pressions, typiquement de 5 à 20x107Pa avec une résolution et une précision comparables voire même supérieures à celles des jauges de pression connues.

Le transducteur de l'invention est un transducteur comportant au moins une couche semiconductrice sensible à la pression.

Les capteurs à base de semiconducteurs sont utilisés depuis une vingtaine d'années. Ils ont habituellement appel à une structure comportant quatre jauges de silicium disposées en pont de Wheatstone.

Celles-ci sont dopées intentionnellement par des impuretés acceptrices, de telle sorte qu'elles présentent une conductivité de type p. Les jauges sont réalisées par diffusion ou implantation des impuretés dans un substrat de silicium de conductivité de type n.

L'effet utilisé est la piézorésistivité, qui se manifeste par le fait que la résistance électrique de chaque jauge varie en fonction de la contrainte uni- ou biaxiale à laquelle elle est sournise.

Afin de pouvoir utiliser cet effet pour un capteur de pression, il est nécessaire de transformer la pression hydrostatique à mesurer en un système de contraintes uni- ou biaxiales parallèles à la surface du semiconducteur. A cette fin, on grave la face arrière de façon à former un diaphragme en regard des jauges, et la cavité ainsi obtenue est scellée au moyen par exemple d'une plaque de Pyrex ou d'une autre tranche de silicium.

L'emploi de capteurs de pression réalisés par cette technologie est limité à 1300C en raison de l'apparition des courants de fuite de la jonction p-n à partir de cette température.

Même si des avancées importantes dans ce domaine ont été obtenues en utilisant des substrats SOI
(Silicium On Insulator), le fonctionnement à haute pression (au-dessus d'une centaine de bars) nécessite l'utilisation d'un diaphragme trop épais (plusieurs centaines de lum) qui induit d'une part une nonlinéarité importante, d'autre part des phénomènes d'hystérésis ou de vieillissement liés à des problèmes de déformation plastique et de relaxation mécanique au niveau du scellement.

En conséquence, l'obtention d'une réponse en pression élevée libre d'hystérésis et de dérive temporelle pour un capteur devant fonctionner à haute pression doit reposer sur la mise en oeuvre d'un phénomène physique différent.

Des matériaux semiconducteurs ont été étudiés sous pression hydrostatique, leur comportement en pression permettant la mise en évidence de propriétés électroniques utilisables pour la réalisation de composants micro-électronique ou optoélectroniques.

Parmi ces matériaux figurent notamment les semiconducteurs dits III-V, composés cristallins à fraction molaire égale d'éléments de la colonne III
(aluminium, gallium, indium) et de la colonne V
(phosphore, arsenic, antimoine) de la classification périodique. Ces semiconducteurs peuvent être dopés de type n par un élément de la colonne IV ou VI, en particulier par du silicium, de l'étain, du tellure, ou du sélénium.

Les matériaux III-V les plus simples sont des composés binaires tels que GaAs ou AlAs. On sait également fabriquer des composés ternaires (ex.

AlxGalxAs) ou quaternaires (ex. : A1,Ga,Inl-,-,As) , que l'on peut considérer comme des alliages de composés binaires, et dont on peut moduler les propriétés optiques ou électroniques en modifiant les fractions molaires des différents binaires dont ils sont composés.

En particulier, l'alliage AlxGalxAs peut, à la différence du silicium, présenter une variation notable de ses propriétés électroniques sous l'effet de la pression hydrostatique.

La possibilité de réaliser des capteurs de pression à base de semiconducteurs 111-V (AlGaAs) pouvant fonctionner à haute température (0-200"C) sous pression hydrostatique (0-2 kbar) est décrite dans le document FR-2 661 558.

Dans ce document, un capteur de pression comporte une première et une deuxième zones résistives sensibles à la pression et à la température. Chacune de ces première et deuxième zones comporte un premier et un second plots de part et d'autre de la zone résistive.

Le courant circule, dans la première zone, dans une couche d'alliage semiconducteur ayant une certaine composition et un premier dopage, faible, typiquement de l'ordre de 810;6 atomes/cm3.

Le courant circule, dans la deuxième zone, dans une seconde couche d'alliage semiconducteur ayant une composition voisine de celle de la couche d'alliage de la première zone et un second dopage, élevé, typiquement supérieur à 2.1018 atomes/cm3.

Du fait des deux compositions de base identiques et des dopages différents, les deux zones du capteur ont des sensibilités voisines en pression mais des sensibilités différentes en température.

La variation de résistivité des couches avec la température, et donc des résistances des éléments résistifs correspondants, dépend fortement de la concentration en ions donneurs, c'est-à-dire en dopants.

Les mesures de résistance R1 et R2 des première et seconde zones sont exploitées de la manière suivante : des données, correspondant à des courbes d'équirésistance, pour chacune des première et deuxième zones, sont tracées dans un plan pression-température et sont mémorisées.

Chaque couple de mesure R1, R2 permet donc de déduire un couple pression-température, avec une certaine précision.

Un exemple de courbes d'équirésistance est donné sur la figure 1, les courbes associées à l'élément R1, de plus faible dopage, étant en traits interrompus, tandis que les courbes associées à l'élément R2, de plus fort dopage, sont en traits pleins.

Par conséquent, dans le capteur décrit dans le document FR-2 661 558, on assemble deux éléments sensibles de résistance R1 (T, P) et R2(T,P) possédant un coefficient de pression voisin, mais des coefficients de température différents. On peut extraire, de la mesure simultanée de R1(T,P) et R2(T,P) les informations de température et de pression. Cependant, et comme on peut le constater sur la figure 1, l'extraction de ces informations n'est réalisée de manière commode que lorsque les sensibilités en température des deux couches sont suffisamment différentes, afin d'avoir un bon croisement des courbes associées à la première résistance et des courbes associées à la deuxième résistance. En pratique, ceci conduit à utiliser une couche à faible dopage, et une couche à fort dopage.

Bien que satisfaisant à certains égards, ce type de capteurs pose néanmoins certains problèmes. En particulier, une couche fortement dopée présente un coefficient de température ST=(1/R) (dR/dT) qui est très négatif à la température ambiante, aux alentours de 20"C : il est, typiquement, de l'ordre de -1 à -2/"C.

Par conséquent, on a pu réaliser un capteur du type de celui décrit dans le document FR-2 661 558, avec une bonne résolution à haute pression et température supérieure à 1000C, c'est-à-dire dans les conditions environnementales d'un puits de pétrole, au prix d'une dérive thermique très élevée de l'une des deux couches résistives à température ambiante. Ceci rend impossible le contrôle du capteur à température ambiante.

Or, la possibilité de réaliser un tel contrôle est importante, en particulier dans le cas d'application aux forages pétroliers ou aux exploitations pétrolières. Un opérateur doit en effet pouvoir contrôler ou calibrer un tel capteur sur le terrain, avant son introduction dans le puits, en cours de forage ou après forage.

Par ailleurs, les capteurs connus, du type décrit dans le document FR-2 661 558 ne peuvent être optimisés qu'à l'aide du paramètre de composition x de l'alliage III-V choisi (par exemple : AlxGalxAs).

I1 est donc souhaitable de réaliser un capteur pouvant fonctionner dans un domaine de températures plus large que les capteurs connus. Un bon capteur doit de préférence posséder une faible sensibilité à la température, tout en conservant une bonne sensibilité à la pression.

Le problème de la dérive de ST à basse température, est illustré sur la figure 1 où les courbes P=f(T) du réseau R2 présentent, pour une température inférieure à 70 C, une pente importante.

Ce problème est également illustré par les courbes de la figure 2 qui représentent l'évolution des résistances de matériaux respectivement faiblement et fortement dopés, en fonction de la température. Les faisceaux de courbe associés à chacun des deux matériaux évoluent à peu près de la même manière en pression : la valeur de Sp=(1/R)(dR/dP) est approximativement la même pour les deux réseaux de courbe. Mais, à température T inférieure à 70 C, les courbes du matériau le plus fortement dopé (R2) dérivent très fortement par rapport aux courbes du matériau le plus faiblement dopé (R1).

Enfin, un capteur de bonne qualité doit de préférence présenter un rapport ST/SD au plus égal à quelques bars/Kelvin. Si, par exemple, Sp est de l!ordre de 0,25 kbar-l, un ST/SP=1 bar/K nécessiterait un coefficient ST de l'ordre de 2,5.10-4 K1. Or, les capteurs actuels, pour lesquels ST peut dériver jusqu'à 1 à %/"C, ne satisfont pas à cette condition.

Exposé de l'invention
L'invention a pour objet un transducteur de pression et/ou de température comportant - un premier super-réseau à puits couplés, constitué
d'une alternance de couches de semiconducteurs III-V
à bande interdite large, ayant une épaisseur L1, et à
bande interdite étroite, ayant une épaisseur L2, de
pas P=L1+L21 ce premier super-réseau étant dopé par
des impuretés de type donneur, à une première
concentration, présentant une première résistivité en
fonction de la température et de la pression, - un second super-réseau à puits couplés, constitué
d'une alternance de couches de semiconducteurs III-V
à bande interdite large, ayant une épaisseur L'1, et
à bande interdite étroite, ayant une épaisseur L'2,
ce second super-réseau étant dopé par des impuretés
de type donneur, à une seconde concentration,
présentant une seconde résistivité en fonction de la
température et de la pression, et dont la dépendance
en température est différente de celle de la première
résistivité.

L'invention a également pour objet un transducteur de pression et/ou de température, comportant au moins une première et une seconde couches de super-réseaux à puits couplés, constitués d'alternances de couches de semi-conducteurs III-V à bande interdite large, ayant une épaisseur L1 (L'l), et à bande interdite étroite, d'épaisseur L2 (L'2), de pas
P=L1+L2 (P'=L'1+L'2) , de compositions voisines mais de dopages, par des impuretés de type donneur, différents, ces couches de super-réseaux ayant des résistivités présentant un même coefficient de pression (Sp) entre 50"C et 1500C mais des coefficients de température (ST) de signes opposés entre 50"C et 1500C.

La structure de super-réseau dans un transducteur selon l'invention supprime la diffusion des électrons due au désordre d'alliage apparaissant dans les capteurs connus, du type de ceux décrits dans
FR-2 661 558.

Dans un super-réseau du transducteur selon l'invention, le mode de diffusion par les rugosités d'interface se superpose aux modes de diffusion tels que les impuretés ionisées ou les phonons acoustiques et optiques.

Du fait du couplage entre les puits quantiques, les positions énergétiques des minibandes de conduction ne sont pas celles des énergies des bandes de conduction du capteur alliage. L'écart énergétique entre les minibandes de conduction F-X du super-rseau est plus faible que celui des bandes de conduction de l'alliage.

Globalement la mobilité des électrons, dans le super-réseau, diminue légèrement lorsque la température croit sur tout le domaine de températures 0-200"C.

Ceci est l'une des causes d'une sensibilité à la température plus faible, dans le super-réseau, sur tout le domaine de températures 0-200"C.

L'obtention d'un coefficient de température stable sur un large domaine de températures permet d'étendre le fonctionnement du transducteur à ce même domaine.

Un transducteur selon l'invention permet d'obtenir deux valeurs de résistivité, pour une même pression et une même température. La résolution d'un système de deux équations à deux inconnues permet de déterminer avec précision la température et la pression du milieu environnant le transducteur.

La stabilisation de la sensibilité à la température est encore meilleure si l'on procède à la mise en parallèle de deux couches de super-réseau.

On mesure alors la résistance équivalente des deux couches. La mesure étant très stable en température, on réalise une mesure de la pression.

La sensibilité en température du transducteur peut être modulée en agissant sur les épaisseurs L1, L2 et L'1, L'2 des super-réseaux. Dans les transducteurs connus, par exemple à base de couche AlyGal-,As, la sensibilité est ajustée en contrôlant le paramètre x de composition. Or, ce contrôle est plus difficile à réaliser qu'un contrôle des épaisseurs Li, L'i.

I1 en résulte également qu'une fabrication reproductible de transducteurs selon l'invention est plus aisée à réaliser que celle de transducteurs à base d'alliage selon l'art antérieur.

Les deux super-réseaux à puits couplés peuvent être constitués, par exemple, d'alternances de couches
AlAs et GaAs.

En particulier, dans ce cas, les deux superréseaux peuvent avoir des périodes P et P' comprises entre 3,5 nm et 4,5 nm, et des compositions en aluminium L1 et - comprises entre 28% et 34%.

L1 + L2 L'1+L'2
Le dopage peut être réalisé par des éléments des colonnes IV ou VI du tableau périodique.

Par ailleurs, le dopage de l'un et/ou de l'autre des super-réseaux peut être uniforme ou bien de type planaire, dans le semiconducteur à bande large ou dans le semiconducteur à bande étroite.

Le premier super-réseau peut être dopé à une première concentration, faible, comprise par exemple entre 1016 et 1017 cl~3.

Le second super-réseau peut être dopé à une seconde concentration, forte, comprise par exemple entre 1018 et 1019cm-3.

Eventuellement, les deux super-réseaux peuvent être séparés par une ou plusieurs couches d'isolation en matériau III-V.

Une telle couche peut être par exemple en alliage AlxGa1xAs non dopé, de composition en aluminium comprise entre 0,25 et 0,5 et d'épaisseur comprise entre 50 et 400 nm.

On peut avoir aussi l'empilement de couches suivant - une couche en GaAs non dopé, d'épaisseur comprise
entre 50 nm et 400 nm, - une couche graduelle de AlGaAs non dopé de
composition en aluminium variant de 0,05 à 0,4 et
d'épaisseur comprise entre 50 nm et 400 nm, - une couche en alliage AlGaAs de composition en
aluminium comprise entre 0,25 et 0,5 (par exemple
0,4)
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisatIon, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- La figure 1 représente des courbes équirésistances de deux couches d'un transducteur de l'art antérieur, dans le plan pression-température.

- La figure 2 donne, pour un transducteur de l'art antérieur, les variation de la résistance électrique d'une couche faiblement dopée (R1) et d'une couche fortement dopée (R2), en fonction de la température.

- La figure 3 est une vue en perspective d'un exemple de transducteur conforme à l'invention.

- La figure 4 est une vue de dessus du transducteur représenté sur la figure 3,
- la figure 5 est une vue en perspective d'un transducteur conforme à l'invention, selon une variante,
- la figure 6 donne la variation de la sensibilité en température ST, en fonction de la température, pour deux couches de super-réseaux dopées à des concentrations différentes,
- la figure 7 donne la variation de la sensibilité en pression Sp, en fonction de la température, pour deux couches de super-réseaux dopées à des concentrations différentes,
- les figures 8 et 9 représentent les variations des résistances R1 et R2 en fonction de la température, pour des pressions différentes, R1 et R2 correspondant à des couches de super-réseaux de dopages différents,
- la figure 10 donne des courbes d'équirésistance dans le domaine (P,T) pour des couches de super-réseaux de dopages différents.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Le transducteur T représenté sur la figure 3 comprend un substrat 2 en matériau III-V, par exemple en GaAs. Ce substrat est rendu semi-isolant, par exemple par introduction de chrome.

L'épaisseur de ce substrat est par exemple de l'ordre de 600 um.

Sur ce substrat 2 on dépose par épitaxie une couche tampon 4 de GaAs non dopé, par exemple d'épaisseur comprise entre 100 et 400 nm. Cette couche permet d'offrir aux couches suivantes une surface d'appui de bonne planéité et de bonne qualité cristallographique. De même que les couches semiconductrices suivantes, elle peut être déposée par épitaxie par jet moléculaire (MBE).

On dépose ensuite, toujours par épitaxie, une couche de séparation 6 en matériau III-V. Par exemple, une couche graduelle de AlGaAs non dopé, de composition en aluminium variant de 0,05 à 0,4 et d'épaisseur comprise entre 50 nm et 400 nm.

Cette couche est suivie par une couche 7 en matériau III-V, par exemple une couche d'alliage
AlGaîxAs, de composition x de l'ordre de O, 0,4.

L'épaisseur de cette couche peut être comprise entre 50 nm et 400 nm (par exemple : 200 nm).

On dépose ensuite un super-réseau 8, qui constitue la première couche semiconductrice sensible à la pression et à la température. Ce super-réseau est obtenu par dépôt alterné de couches de matériau semiconducteur à grand gap (d'épaisseur L1) et de couches de matériau semiconducteur à gap plus faible
(d'épaisseur L2). On utilise par exemple une alternance de couches AlAs, d'épaisseur L1, et de couches GaAs, d'épaisseur L2. On définit alors la concentration en aluminium x et la période P du super-réseau par
L2
x = et P=L1+L2.

L1 + L2
x est également la fraction d1AlAs sur une période du super-réseau. Les couches successives de matériaux semiconducteurs GaAs et AlAs peuvent être déposées par épitaxie, en raison du faible désaccord de maille entre ces deux matériaux (5,653 A pour GaAs et 5,661 A pour AlAs).

En fonction de la période P du super-réseau, on peut avoir une structure à puits couplés ou une structure à puits découplés. On cherche de préférence à avoir une structure à puits fortement couplés, qui autorise une meilleure circulation du courant.

Typiquement, un super-réseau GaAs-AlAs peut avoir une période P comprise entre 3,5 nm et 6 nm, une composition x en aluminium comprise entre 28% et 34% et une épaisseur de quelques centaines de nanomètres.

Le super-réseau 8 est intentionnellement dopé de type n avec un élément de la colonne IV (Si, Ge, Sn) ou VI (S, Se, Te) du tableau périodique. Le dopant préféré est le silicium. Un dopage faible est par exemple compris entre 5.1016cl~3 et 1017cl~3.

Le dopage peut être uniforme sur toute la période du super-réseau. I1 peut être aussi de type planaire, dans GaAs ou AlAs. Pour un dopage uniforme, la vitesse de dépôt de GaAs est égale à la vitesse de dépôt de AlAs, et cette vitesse est par exemple de l'ordre de 0,2 nm/s.

On forme ensuite, par épitaxie, sur le premier super-réseau 8, un système d'isolation 10 constitué d'une ou plusieurs couches en matériau III-V, non intentionnellement dopées.

Ce système peut être formé d'une couche, par exemple constituée d'un alliage AlxGalxAs non dopé de composition en aluminium x=0,4 et d'épaisseur comprise entre 0 et 400 nm.

On peut aussi avoir une première couche, par exemple en GaAs non dopé, d'épaisseur comprise entre 50 et 400 nm, puis une couche graduelle de AlGaAs non dopé, de composition en aluminium variant de 0,05 à 0,4 et d'épaisseur comprise entre 50 et 400 nm et, ensuite, une couche en alliage AlGaAs de composition en aluminium comprise entre 0,25 et 0,5 (par exemple 0,4) et d'épaisseur comprise entre 50 et 400 nm.

Le rôle de ce système dtisolation est de minimiser la fraction du courant qui passe dans le premier super-réseau 8, dans les zones où celui-ci est empilé avec un second super-réseau 12.

Sur cette couche de séparation 10 est formé un second super-réseau 12, sensible à la pression et à la température. Ce second super-réseau est obtenu par dépôt alterné de couches (d'épaisseur L'1) de matériau semi-conducteur à grand gap (par exemple : GaAs) et de couches (d'épaisseur L'2) de matériau semi-conducteur à gap plus faible (par exemple : AlAs).

Ce second super-réseau peut avoir par exemple une période P' (P'=L'!-L'2) comprise entre 3,5 nm et 4,5 nm, une composition x (L'2/(L'1;L'2)) en aluminium comprise entre 28% et 34% et une épaisseur cie quelques centaines de nanomètres. I1 a, de préférence, la même composition que le premier super-réseau 8 : même période, même composition en aluminium, même épaisseur.

I1 est fortement dopé, avec un dopage compris par exemple entre 1018cm-3 et 1019cm-3.

Le dernier système de couches 14 est une encapsulation. Ce peut être, par exemple, une couche de
GaAs non dopé, d'épaisseur comprise entre 0 et 200 nm.

L'encapsulation peut aussi être réalisée par un système de couches comprenant un super-réseau non dopé de même période et de même concentration en aluminium que le super-réseau 12, ayant une épaisseur comprise entre 74 nm et 185 nm (par exemple : 92,5 nm), puis une couche de GaAs non dopé d'épaisseur comprise entre 0 et 200 nm (par exemple : 20 nm).

On dépose ensuite, par épitaxie, une couche 16 de prise de contact électrique, par exemple en matériau
III-V dopé n+. Ce peut être une couche de GaAs dopé avec du silicium à une concentration de l'ordre de 1019cm3, d'épaisseur comprise entre 5 et 50 nm.

La structure se termine par le dépôt de plots de métallisation 18, par exemple par la technique "lift-off". Ces plots sont par exemple constitués d'un alliage d'or-germanium-nickel formé entre 450"C et 500"C.

A ce stade de la fabrication intervient un processus de gravure des différentes couches, destiné à conduire en particulier à la structure des figures 3 et 4. La couche 16 est tout d'abord éliminée en dehors des plots métalliques, par gravure. Ensuite, on effectue une première gravure des couches 4 à 14 de manière à former un premier et un second ilots respectivement dans une première zone 2a, à droite des figures 3 et 4 et dans une seconde zone 2b, à gauche des figures 3 et 4, séparées par une tranchée 20. Ces îlots sont taillés de façon à ce que ne subsistent que les couches semiconductrices épitaxiées uniquement dans les deux zones 2a et 2b ; ailleurs, le substrat 2 est découvert.

Dans la seconde zone 2b, on effectue ensuite une seconde gravure du super-réseau supérieur 12 et de la couche 14 à l'exception des plots métalliques 22a et 22b de sorte que, en dehors de ces derniers, la couche de séparation 10 constitue la couche externe.

Les plots de métallisation de l'îlot de la première zone la portent respectivement les référence 22c et 22d.

Ces deux îlots, dans les zones 2a et 2b, constituent deux éléments résistifs dont la valeur de la résistance électrique varie avec la pression et la température, la dépendance en température de ces deux éléments étant très différente.

De façon connue, il est ensuite préférable de passiver le transducteur en le recouvrant d'une couche de passivation puis en effectuant des ouvertures juste en regard des plots de contacts 22a-22d ; ces derniers reçoivent ultérieurement une nouvelle couche de métallisation dépassant de la couche de passivation.

La zone 2a correspond aux plots 22c-22d, qui correspondent au super-réseau 12. Ce super-réseau est le super-réseau fortement dopé. I1 a une résistivité plus petite que le super-réseau 8 (faiblement dopé).

De préférence, comme représenté sur la figure 4, le canal de conduction de l'élément résistif de la première zone 2a est donc plus étroit et plus long que le canal de conduction de l'élément résistif de la seconde zone 2b, de façon à ce que les résistances électriques des deux éléments soient du même ordre de grandeur. Cette configuration est obtenue lors de la première gravure des couches et des super-réseaux 4 à 14.

Dans une telle structure, les courants électriques dominants qui sont susceptibles d'être appliqués par des sources de courant extérieures entre les plots 22a et 22b d'une part et 22c et 22d d'autre part suivent essentiellement les chemins indiqués schématiquement par les flèches F1 et F2.

En particulier, dans le premier élément résistif dans lequel les deux couches actives sont empilées, le courant appliqué entre les plots 22c et 22d circule essentiellement dans le super-réseau supérieur 12 grâce à la présence de la couche de séparation 10 qui permet de minimiser la fraction de courant qui passe dans le super-réseau inférieur 8.

Si les sources de courant délivrent des courants constants et connus, les tensions délivrées entre les plots 22a et 22b, d'une part, et 22c et 22d, d'autre part, sont essentiellement représentatives de la résistivité respective du super-réseau inférieur 8 et du super-réseau supérieur 12. Par ailleurs, les résistivités des super-réseaux 8 et 12 sont essentiellement représentatives de la température et de la pression auxquelles est soumis le transducteur.

De façon à ce que les deux îlots, respectivement des zones 2a et 2b, soient soumis à la même pression et à la même température, il est souhaitable que la distance d séparant les deux îlots, représentée sur la figure 4, soit la plus faible possible, typiquement comprise entre 20 um et 100 um.

La seconde gravure du super-réseau 12 et de la couche 14 dans la seconde zone 2b est réalisée de manière à limiter l'épaisseur de gravure de la partie de la couche 10 constituant la couche externe du transducteur. Celle-ci sert alors de couche de protection.

A cet effet, la gravure du super-réseau 12 peut être réalisé par gravure ionique réactive anisotrope avec, par exemple, un contrôle temporel de l'arrêt de la gravure. On peut aussi utiliser, comme représenté sur la figure 5, une couche d'arrêt de gravure 24 déposée par épitaxie sur la couche 10, juste avant l'épitaxie du second super-réseau 12.

Cette couche d'arrêt de gravure 24 présente une très faible épaisseur de façon à ne pas perturber le fonctionnement du transducteur, typiquement une épaisseur de 20 nm, et elle est réalisée en un matériau très différent de celui du super-réseau 12, par exemple en GaAs ou mieux en AlAs.

Le transducteur de l'invention peut être monté dans un ensemble tel que celui représenté dans le document FR-A-2 629 640. En outre, d'autres procédés de fabrication que celui décrit ci-dessus peuvent être envisagés.

En particulier, il est possible - d'épitaxier uniquement les couches 4 à 7, 14 et 16,
et le super-réseau 8,
6, le super-réseau 12 puis deux couches identiques à
la couche 14 et à la couche 16, - puis de graver l'ensemble de ces couches en
s arrêtant sur le super-réseau 8 pour former le
premier îlot.

On forme ensuite les 4 plots métalliques par "lift off".

Dans cette configuration, les couches actives sont séparées, une pour chaque élément résistif ; la couche de séparation 10 n'est donc plus nécessaire.

Les variations des résistivités des couches sensibles 8 et 12 avec la température, et donc des résistances des éléments résistifs correspondants, dépendent de la concentration en ions donneurs. Ceci ressort clairement des courbes données dans les figures 6 à 10 ci-dessous.

Sur ces figures, sont représentées les variations des propriétés de deux super-réseaux constituant un capteur.

Le premier super-réseau est en GaAs-AlAs, de période P=3,7 nm, et de composition en aluminium x=31%.

Il est dopé n avec du silicium en concentration jx1010cm3. Le second super-réseau a la même composition, et les mêmes paramètres P et x, mais il est dopé avec du silicium à une concentration égale à 1 0l8cm~3 .

La résistance électrique, les sensibilités à la pression et à la température du premier de ces superréseaux sont notées respectivement R1, S-l et 5T . La résistance électrique, et les sensibilités à la pression et à la température du second super-réseau sont notées respectivement R2, SP2 R ST2
Les dépendances en pression et en température des résistances de ces deux super-réseaux ont été déterminées expérimentalement.

La figure 6 donne les variations de la sensibilité à la température, en 10-6/ C, des deux super-réseaux, en fonction de la température en "C. Sur cette figure, les deux courbes du haut (I et II) correspondent aux réseaux faiblement dopés, et les deux courbes du bas (III et IV) aux réseaux fortement dopés.

Les courbes I et III correspondent à une pression
P=2kbars, tandis que les courbes II et IV correspondent à une pression de 0 kbar.

Sur cette figure, on voit que les sensibilités en température des deux super-réseaux sont de signes différents sur la majeure partie du domaine de température. De plus, les valeurs maximum de 5 (réseau le plus dopé) sont de l'ordre de -3.1030C1, ce qui est très inférieur aux valeurs de l'ordre de 2E constatées pour les couches fortement dopées dans les capteurs de l'art antérieur.

A composition identique, les deux super-réseaux ont une sensibilité à la pression Sp à peu près identique, comme le montre la figure 7.

Les figures 8 et 9 donnent les variations des résistances R1 et R2 des éléments résistifs en fonction de la température, pour des pressions de bars (courbes I et III) et de 330 bars (courbes II, IV). On voit, d'après ces figures, que les sensibilités en pression et en température des deux éléments résistifs sont voisines sur tout le domaine de température, contrairement à ce qui avait été constaté pour les capteurs de l'art antérieur (voir figure 2 plus haut).

En particulier, la couche résistive à dopage élevé ne présente pas de dérive, à température ambiante, du type de celle qui avait été constatée dans le cas de la couche résistive à dopage élevé du dispositif de l'art antérieur.

Les équations d'état R1(T,P) et R2 (T, P) projetées dans le plan pression-température permet d'établir des courbes d'équirésistance telles que représentées sur la figure 10. Les courbes associées à
R1 sont les courbes en trait plein et les courbes associées à R2 sont les courbes en trait interrompu.

Sur ce diagramme, on constate que les intersections des courbes équirésistances R1 et R2 correspondent à un seul couple (pression-température)
De plus, les courbes équiréslstances Rl ne sont pas parallèles aux courbes R2, et ceci même à température ambiante. Il est donc possible d'utiliser un tel capteur à une température inférieure à je 0C ou à 50"C, par exemple pour le contrôler ou le calibrer.

Les exemples ci-dessus montrent que l'utilisation d'un super-réseau à puits couplés permet d'étendre le domaine de fonctionnement d'un capteur de pression et/ou de température sur une plus large gamme : le capteur possède une faible sensibilité à la température, y compris aux températures T < 50 C ou 70"C.

Dans un capteur selon l'invention, comportant au moins deux couches de super-réseaux, de compositions identiques ou voisines mais de dopages différents, ces couches ont même coefficient de pression S, et des coefficients de température ST faibles, mais de signes opposés sur la plus large gamme de températures possible. Pour l'exemple donné les sensibilités en température sont de signes opposés à P=2kbar, sur la gamme 50"C-175"C. L'assemblage de deux couches actives de résistances R1(T,P) et R2(T,P) permet de déduire des mesures de R1 et R2 l'information sur T et P.

Lorsque les coefficients ST des deux couches de super-réseaux se compensent (ST1 de signe opposé à ST2 sur une certaine gamme de températures, de préférence la plus large possible), les coefficients Sp étant voisins, on peut réaliser un montage électrique en parallèle de ces deux couches. La mesure est alors celle de la résistance équivalente des deux couches, et est très stable en température. On en déduit des valeurs du rapport ST/SD de l'ordre de 3-4 bar/"C sur toute la gamme de températures et de pression concernée. On réalise ainsi une capteur de pression.

On attribue le comportement des super-réseaux, dans un capteur selon l'invention, au positionnement relatif des niveaux DX du dopant de chaque super-rsau par rapport aux minibandes de conduction du pseudoalliage. La pression permet de modifier la structure de bande du super-réseau de telle manière que le minimum de la bande de conduction se déplace, par exemple d'environ 10 meV/kbar dans le cas des matériaux à base de GaAs et AlAs. L'énergie d'activation des centres DX augmente donc sous l'effet de la pression. Ceci conduit à une capture plus importante sur les centres donneurs.

La concentration d'électrons libres diminue donc dans le semi-conducteur, ce qui a pour conséquence une augmentation de la résistance.

Par le choix de la période P et du taux d'aluminium x de chaque super-réseau, on peut optimiser la structure. En fait, pratiquement, on peut faire varier les grandeurs L1, L'1 et L2, L'2 (largeurs des puits et largeurs des barrières) de manière à faire varier la position du minimum r de la bande de conduction, et à modifier le couplage entre puits. On dispose donc, pour chaque super-réseau, de deux paramètres libres : L1 (L'1) et L2 (L'2) . Au contraire, la structure connue selon le document FR-2 661 558 n'offre qu'un seul paramètre libre, le paramètre de concentration en aluminium x.

Le choix de la période P de la concentration x détermine, dans un capteur selon l'invention, les position des minima d'énergie des bandes du superréseau. On peut alors optimiser l'effet de pression. En effet, dans le cas d'une conduction de type F, le minimum de la bande de conduction varie par exemple d'environ 10 meV/kbar (dans le cas GaAs/AlAs). Dans le cas d'une conduction de type X, le minimum se déplace d'environ -0,8 meV/kbar (cas de GaAs/AlAs).

L'optimisation permet d'obtenir une conduction de type r et une énergie d'activation (différence entre le bas de la minibande de conduction et le niveau DX) la plus grande possible. Le choix d'un couple de valeurs
(période P, concentration en aluminium x) permet donc d'obtenir le coefficient de pression souhaité.

Par ailleurs, les super-réseaux utilisés sont des structures à courte période : augmenter la période a pour effet de diminuer le couplage entre les puits, donc de diminuer l'énergie d'activation des niveaux donneurs, c'est-à-dire de minimiser l'effet de la pression. On cherche donc à obtenir la période la plus faible possible, ce qui est technologiquement difficile à réaliser dans de bonnes conditions. Une période comprise entre 3,5 nm et 6 nm semble un bon compromis.

En ce qui concerne l'influence du paramètre x
(concentration d'aluminium dans le cas de GaAs-AlAs), un calcul du coefficient de pression Sp en fonction de x a été réalisé pour un super-réseau de période 3,7 nm, avec un dopage uniforme sur toute la période et compris entre 7.1016cm-3 et 1018cl3. Le maximum de sensibilité semble être obtenu pour des concentrations x comprises entre 30% et 33%. Pour des dopages faibles, le maximum de sensibilité en pression semble être obtenu pour une concentration de 32%. Or, l'effet sur la structure de bande d'une variation de la composition x est analogue à l'effet d'une variation de la pression (1% de variation de la composition correspond à environ 1 bar de variation de pression) : le capteur étant conçu pour fonctionner sur l'intervalle de pression 0-2 kbars, une concentration x d'environ 31% optimise le coefficient de sensibilité en pression Sp sur cet intervalle.

La sensibilité à la température ST résulte d'une part de la structure de super-réseaux, mais également de la concentration en dopants dans les super-réseaux.

La couche la moins dopée présente un nombre de porteurs n qui sature à partir de la température ambiante, tandis que la mobilité u est légèrement décroissante en fonction de la température. Typiquement la mobilité, dans des couches à faible dopage (de tordre de 7.10l6crn~J), est de l'orclre de 1000cm2/v.s à ternpérature ambiante. La résistance est donc croissante sur l'intervalle de température 0-200"C, ce que l'on peut d'ailleurs constater sur le figure 8. La sensibilité en température ST est donc positive. Le fait que la résistance soit croissante sur l'intervalle 0-200"C présente un autre avantage, pour le traitement du signal issu du capteur. En effet, ST ne s annulant pas, les moyens de traitement du signal n'ont pas à tenir compte d'un passage de ST par 0.

Dans le super-réseau à dopage plus élevé, le nombre de porteurs augmente avec la température sans saturer dans la gamme 0-200"C. La mobilité passe par un maximum et décroît légèrement à haute température (le dopage étant très élevé, la diffusion par les impuretés ionisées est importante) . La résistance est alors décroissante sur toute la gamme de températures. La sensibilité en température ST est donc négative.

Dans les deux cas, la sensibilité en pression
Sp est typiquement de l'ordre de 25%/bar. ST étant inférieur à 3.10-3K-1, on obtient bien un rapport ST/S? au plus égal à quelques bars/K.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Transducteur de pression et/ou de température comportant : - un premier super-réseau (8) à puits couplés,

constitué d'une alternance de couches de

semiconducteurs III-V à bande interdite large, ayant

une épaisseur L1 et à bande interdite étroite, ayant

une épaisseur L2, de pas P=Ll+L2, ce premier super

réseau étant dopé par des impuretés de type donneur,

à une première concentration, et présentant une

première résistivité (R1) en fonction de la

température et de la pression, - un second super-réseau (12) à puits couplés,

constitué d'une alternance de couches de

semiconducteurs III-V à bande interdite large, ayant

une épaisseur L'1, et à bande interdite étroite,

ayant une épaisseur L ' 2, ce second super-réseau étant

dopé par des impuretés de type donneur, à une seconde

concentration, présentant une seconde résistivité

(R2) en fonction de la température et de la pression,

et dont la dépendance en température ( ST2 ) est

différente de celle (spi ) de la première résistivité.

2. Transducteur de pression et/ou de température, comportant au moins une première et une seconde couches (18, d2) de super-réseaux à puits couplés, constitués d'alternances de couches de semiconducteurs III-V à bande interdite large, ayant une épaisseur L1 (L'1), et à bande interdite étroite, d'épaisseur L2 (L'2) , de pas P=Ll+L2 (P'=L'1+L'2) de compositions voisines mais de dopages, par des impuretés de type donneur, différents, ces couches de super-réseaux ayant des résistivités présentant un même coefficient de pression (Sp) entre 50"C et 1500C mais des coefficients de température (ST) de signes opposés entre 50"C et 1500C.

3. Transducteur selon l'une des revendications 1 ou 2, les deux super-réseaux (8, 12) à puits couplés étant constitués d'alternances de couches AlAs et GaAs.

4. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 3, les épaisseurs L1 et L'1 des deux super-réseaux étant sensiblement égales, de même que les épaisseurs

L2 et L'2.

5. Transducteur selon la revendication 3, les deux super-réseaux ayant des périodes P et P' comprises entre 3,5 nm et 6 nm et des compositions en aluminium

L1 et Ll comprises entre 28% et 342.

L1 + L2 L'1+L'2

6. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 5, les super-réseaux étant dopés par des éléments des colonnes IV ou VI du tableau périodique.

7. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 6, le dopage de l'un et/ou de l'autre des superréseaux étant uniforme.

8. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 6, le dopage de l'un et/ou de l'autre des superréseaux étant de type plantaire, dans le semiconducteur à bande large ou dans le semiconducteur à bande étroite.

9. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 8, le premier super-réseau étant dopé à une première concentration comprise entre 1016 et 1017 cl~3.

10. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 9, le second super-réseau étant dopé à une seconde concentration comprise entre 10l8 et 1019cl~3.

11. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 10, les deux super-réseaux étant séparés par un système d'isolation en matériau III-V.

12. Transducteur selon la revendication 11, le système d'isolation étant une couche d'alliage AlxGalxAs non dopé, de composition en aluminium comprise entre 0,25 et 0,5 et d'épaisseur comprise entre 50 et 400 nm.

13. Transducteur selon la revendication 11, le système d'isolation comportant - une couche en GaAs non dopé, d'épaisseur comprise

entre 50 nm et 400 nm, - une couche graduelle de Aléas non dopé de

composition en aluminium variant de 0,05 à 0,4 et

d'épaisseur comprise entre 50 nm et 400 nm, - une couche en alliage Aléas de composition en

aluminium comprise entre 0,25 et 0,5.

14. Capteur de pression comportant un transducteur selon l'une des revendications 1 à 13, les deux super-réseaux étant montés électriquement en parallèle.