CHAPITRE II:
DIODE SIMPLE BARRIERE VARACTOR
INTRODUCTION
Dans ce chapitre, nous nous proposons de fabriquer et de caractériser
des hétérostructures comportant des simples barrières. L'objectif est
essentiellement de bloquer tout courant de conduction, la barrière de potentiel
s'opposant au transfert de charge entre émetteur et collecteur. A cette
condition, et pour des composants comportant des zones adjacentes à la barrière
étendues, la diode présente des variations de capacité tout à fait comparables
à celles rencontrées pour des diodes de type Schottky. L'avantage cependant par
rapport à ces composants conventionnels réside dans la symétrie des
caractéristiques capacité-tension par rapport à une structure
métal-semiconducteur qui présente un effet de redressement. Par ailleurs, ces
nouvelles structures offrent la possibilité d'augmenter très fortement les
tensions admissibles en intégrant sur une même épitaxie plusieurs barrières
élémentaires. Au niveau des applications, les non-linéarités induites sur le
courant de déplacement sont utilisables dans les dispositifs de multiplication
de fréquence.
1. MOTIVATIONS
Pour illustrer les avantages liés à l'utilisation
d'hétérostructures, nous présentons sur la figure II.1, d'une part, les
caractéristiques courant-tension (I (V)) en traits pleins et capacité-tension
(C (V)) en traits pointillés, pour une structure métal - semiconducteur, et
d'autre part, celles obtenues avec une hétérostructure à simple barrière de
potentiel. Dans le premier cas, la variation de capacité résultant de la
désertion progressive du semiconducteur peut s'observer entre la tension de
Built-in (Vbi) et la tension où l'on observe le claquage par
avalanche. En revanche, pour une structure de type simple barrière utilisée en
varactor *, des variations de capacité
identiques peuvent être observées en polarisations directe et inverse. Dans le
cas idéal, la plage de tension où l'on note l'absence de conduction est limitée
par les phénomènes de claquage par avalanche. Nous verrons par la suite que
ceci n'est vrai que pour des barrières très opaques.
Si à présent, on applique une tension alternative, qui
joue le rôle de signal de pompe, aux bornes de la diode non polarisée, les
non-linéarités de capacité vont introduire une distorsion du courant qui peut
être mise à profit pour créer des fréquences harmoniques et ainsi multiplier la
fréquence du signal incident. Ce mécanisme de multiplication de fréquences, à
l'aide d'une non-linéarité de capacité, est très largement utilisé pour
réaliser des doubleurs de fréquence voire des dispositifs utilisant des
harmoniques supérieures. Pour des composants de type Schottky (figure II.2a),
la multiplication de rang élevé, cas d'un tripleur ou d'un quintupleur,
présente une moindre efficacité de conversion entre le signal incident et le
signal multiplié, car il y a répartition de l'énergie électrique sur l'ensemble
des harmoniques, avec un report préférentiel sur ceux de rang faible.
Généralement, on pallie cette difficulté grâce à l'emploi de circuits oisifs au
prix cependant d'une complication notable du circuit. Pour des dispositifs
présentant des caractéristiques C(V) paires comme c'est le cas pour les
S.B.V.'s (figure II.2b), on peut montrer que seuls les harmoniques de rang
impairs sont générées, ce qui concourt très largement à une bien meilleure
fonctionnalité des composants qui, rappelons-le, sont en outre non polarisés.
2. CHOIX D'UN SYSTEME DE MATERIAUX ET DETERMINATION DE LA STRUCTURE DE
LA COUCHE
2.1. CRITERES ET CONDITIONS POUR LA CROISSANCE EPITAXIALE
Intuitivement, les deux critères à respecter pour stopper
la conduction sont l'utilisation de barrières de potentiel larges et/ou
élevées. En fait, on privilégie la hauteur de la barrière de potentiel
s'opposant au passage des électrons pour que les composants puissent
fonctionner à température ambiante, et également comme nous le verrons par la
suite pour éviter la conduction par effet Fowler-Nordheim. A partir de ces
règles simples, les couples de matériaux semiconducteurs susceptibles d'être
utilisés sont:
- sur substrat GaAs, les
composés GaAs/Ga1-xAlxAs avec x variant entre 0 et 1
- Sur substrat InP, les
hétérostructures ternaires InxGa1-xAs/InyAl1-yAs
avec x = 0,47 et y = 0,48 pour satisfaire à l'adaptation en maille sur InP. La
figure II.3 qui donne les variations de gap en fonction du paramètre de maille "a"
précise les conditions d'adaptation.
Par ailleurs, on peut également avoir recours aux
procédés de croissance pseudomorphiques et métamorphiques permettant de
réaliser des structures à partir de composés initialement désadaptés en maille.
Ces différentes possibilités peuvent être également déduites de la figure II.3.
La première possibilité qui s'offre à nous est
d'augmenter artificiellement la hauteur de barrière en plaçant de part et
d'autre des puits de potentiel. Cette solution est tout à fait possible en
faisant croître avant et après la barrière GaAlAs du matériau InxGa1-xAs
(figure II.4c). Pour un composé à base d'Indium, la maille cristalline est plus
grande que celle de l'Arséniure de Gallium. Ainsi, l'adaptation entre ces deux
matériaux ne pourra se faire qu'en induisant des effets de contrainte sur le
matériau InxGa1-xAs. On doit cependant rester dans
certaines limites en composition et en épaisseur pour éviter la formation de
dislocations. En pratique, pour une concentration donnée, l'épaisseur de la
couche doit être inférieure à une longueur dite critique. Celle-ci décroît très
rapidement avec le pourcentage d'Indium. A titre d'exemple, pour un composé pur
InAs épitaxié sur GaAs, seules, les couches limitées à quelques plans atomiques
ne présentent pas de dislocation. Compte-tenu de ces contraintes, on limite
généralement la concentration d'Indium à 25 %, ce qui permet de réaliser des
puits de largeur raisonnable, typiquement 100 Å.
Pour une situation inverse de croissance de matériau en tension
(maille cristalline initialement plus petite), on peut concevoir des profils de
barrière semblables à celui schématisé sur la figure II.4.d. La couche
contrainte est ici la barrière AlAs alors qu'il y a adaptation entre InAlAs et
InGaAs.
Enfin la figure II.4e illustre une des possibilités
offertes par la croissance métamorphique de structures InAs/AlSb sur substrat
GaAs. Dans ce dernier cas, compte-tenu de la désadaptation entre le GaAs
(paramètre de maille a = 5,65 Å) et les matériaux de la structure active (aInAs
= 6,05 Å), il est nécessaire de séparer substrat et couches actives par une
couche tampon. Celle-ci permet la transition entre la maille du matériau GaAs
et celles des composés InAs et AlSb qui vont présenter une bonne qualité
cristalline grâce à la relaxation des contraintes par génération de
dislocations limitées à la couche tampon.
Parallèlement à ces aspects technologiques, il faut
également prendre en compte les structures électroniques, notamment le fait que
certains matériaux présentent des gaps indirects et directs [1]. C'est en
particulier le cas des matériaux AlGaAs, qui présentent une transition entre
gap direct et gap indirect pour une composition en aluminium de l'ordre de
0,35. Dans ce cas, les phénomènes de transport deviennent plus complexes. A
titre d'illustration, nous avons représenté sur la figure II.5, d'une part une
figure schématique de la structure de bande électronique dans l'espace des
vecteurs d'ondes pour le GaAs et l'AlAs respectivement. Pour le GaAs, le gap
est direct avec un écart entre les points G6C et G8V, haut de la bande de valence, pris comme
référence d'énergie de 1,42 eV à température ambiante. La vallée satellite X se
trouve à plus de 460 MeV au dessus de la vallée centrale G, Par contre, on constate que pour un
matériau AlAs, le point d'énergie minimum X se
trouve à environ 2 eV (Egindirect = G15V - X1C) du point
de référence G15V dans la bande de valence, et
que l' écart correspondant à une situation de gap direct est de 3 eV (Egdirect
= G15V - G1C).
Si l'on forme une barrière de potentiel, par exemple du
type GaAs/AlAs/GaAs, on peut définir plusieurs types de discontinuités, soit en
se référant au point G (tracé en traits pleins),
soit au point X (tracé en pointillé). En fait, du point de vue des propriétés
de transport, il est assez difficile de décrire comment les porteurs vont
franchir la barrière et surtout, quelle est la hauteur de barrière effective à
laquelle ils se heurtent. Ces phénomènes sont d'autant plus complexes que des
études antérieures ont montré que la géométrie de la barrière avait une grande
influence. Sans entrer dans les détails, on a constaté en effet que pour des
barrières larges, la hauteur effective est fixée par le point X. Intuitivement,
ceci peut s'expliquer par le fait que des porteurs issus de la vallée centrale
du GaAs ont néanmoins le temps de s'adapter à l'environnement électronique de
l'AlAs. Par contre, pour des barrières fines, il n'en est pas de même et,
souvent on prend les points G comme référence pour définir
les discontinuités.
Une autre difficulté vient de la définition de la masse
effective, d'une part parce que la vallée X a une forme ellipsoïdale avec des
masses transversales et longitudinales extrêmement différentes. En outre, il
apparaît difficile de traduire les changements de vecteur d'onde nécessaires à
des transitions de type G-X.
Dans le cas qui nous intéresse, qui rappelons-le
nécessite des barrières opaques, donc larges, ce type d'hétérostructures s'est
avéré particulièrement décevant car celles-ci présentent un courant de fuite
très important observé à des tensions bien plus faibles (typiquement 1 Volt)
que celle attendue théoriquement qui est la tension d'avalanche, vers 10 Volt.
Enfin, en dernière remarque, il est important de mentionner
que la croissance du matériau AlAs sur des épaisseurs importantes n'est pas
triviale. Il est maintenant bien connu que la température de croissance
optimale pour l'AlAs est de l'ordre de 700°C alors qu'elle n'est que de 600°C
pour le GaAs, ce qui pose problème en pratique lors de l'épitaxie.
Si l'on considère à présent les composés à base de
Phosphure d'Indium, on a la possibilité de créer une barrière de potentiel de
hauteur relativement importante en utilisant la structure élémentaire In0,47Ga0,53As/Al0,48In0,52As.
Rappelons que pour ces compositions (voir figure II.3) les gaps sont à
température ambiante respectivement de 1,45 eV pour Al0,48In0,52As
et de 0,75 eV pour In0,47Ga0,53As. Par ailleurs on montre
que la discontinuité de bande de conduction est de 0,52 eV. C'est ce couple de
matériaux que nous avons utilisé systématiquement, d'une part avec des
barrières du type de celles décrites dans la figure 4.c et d'autre part, celles
qui nécessitent l'insertion d'une barrière d'AlAs (figure II.4.d).
2.2. LA COUCHE EPITAXIALE
La séquence de croissance a été faite en pratique pour
des barrières GaInAs/AlInAs/GaInAs.
L'ensemble des croissances a été réalisé en partant de
substrats InP semi-isolant de deux pouces. La zone active est constituée en
pratique d'une barrière d'AlInAs non dopée. Dans ce cas, il n'y a pas de
courbure de bande résultant de phénomènes de diffusion et on obtient un profil
de potentiel comme celui schématisé sur la figure II.6.a. Nous verrons
cependant par la suite qu'une telle solution peut poser problème par l'absence
de charges permettant d'écranter le champ électrique.
Une autre solution consiste à doper la barrière comme
l'illustre la figure II.6.b. En réalité, cette solution qui a été essayée par
le groupe de E. Kollberg à l'Université de Chalmers [2] n'est pas favorable en
pratique. En effet, il survient comme pour les structures à modulation de
dopage utilisées pour la fabrication des transistors à haute mobilité, un
transfert d'électrons de la couche à grand gap vers les régions adjacentes à la
barrière [3]. Par réaction de charge d'espace résultant des dipôles induits, la
bande de conduction se courbe, abaissant ainsi artificiellement la barrière de
potentiel.
Enfin, la figure 6c illustre la situation de deux plans
de dopage situés de part et d'autre de la barrière. Dans ce cas, les effets de
courbure de bande ont peu d'influence sur le profil de la barrière de
potentiel. Cependant, il peut s'avérer préjudiciable d'introduire une grande
quantité d'impuretés près d'une barrière de potentiel qui doit comporter le
niveau le plus faible d'impuretés possible. Rappelons que dans le cas
contraire, on observe des phénomènes de tunnel assisté par défaut.
Pour prévenir la contamination de la barrière par les
impuretés, nous incorporons systématiquement des zones tampons, souvent
appellées espaceurs (spacers), d'épaisseur typiquement de 50 Å. Il est bien
connu que même si on a interrompu le flux de Silicium assurant le dopage, on
observe une queue de distribution des dopants résultant de l'effet de
ségrégation en surface.
De part et d'autre de cette barrière bloquante, on insère
des couches GaInAs qui vont permettre la modulation de capacité sous tension de
polarisation inverse ou directe. Le choix du niveau de dopage et de l'épaisseur
de ces couches résulte d'un compromis entre résistance de la couche épitaxiale,
valeur de la capacité en régime de saturation, et contrainte au niveau de la
croissance. En pratique nous sommes partis des réalisations de diodes Schottky
Varactor équivalentes pour lesquelles les niveaux de dopage varient entre 5.1016
et 2.1017 cm-3. Ceci étant, le choix de l'épaisseur peut
se calculer en considérant que la diode doit être dans des conditions de
"punch through" (désertion complète de la structure) à la tension de
claquage. On trouve typiquement dans ce cas des valeurs de l'ordre de 3000 Å
pour un dopage de 1017 cm-3. Enfin il est nécessaire de
limiter l'épaisseur de ces couches. En effet, il faut insister sur le fait que
la croissance des composés ternaires demande de conserver le taux d'Indium,
correspondant à l'adaptation en maille, durant toute la croissance. Ceci
nécessite une très bonne maîtrise de l'ensemble des conditions de croissance
qui se fait typiquement à la vitesse
de 1 µm/h. En conséquence, et c'est une remarque tout à fait générale, on
cherche à limiter autant que possible l'épaisseur globale de la couche
épitaxiale.
Enfin la séquence comporte des couches InGaAs très
fortement dopées près du substrat, et près de la surface du semiconducteur (cap
layer). Leur épaisseur est limitée à
3000 Å, pour les raisons évoquées ci-dessus.
Par ailleurs, le niveau du dopage est beaucoup plus élevé
que dans le cas précèdent avec des valeurs typiquement de 5.1018 cm-3.
Le rôle de ces couches est double: d'une part, elles servent de zone d'émission
et de collection assurant le rôle de zone réservoir. D'autre part, elles
constituent des zones semiconductrices de très forte conductivité afin
d'obtenir de très bons contacts ohmiques.
Globalement, on obtient la séquence de croissance
schématisée sur la figure II.7a.
|
GaInAs |
5.1018 cm-3 |
3000 Å |
|
GaInAs |
1017 cm-3 |
2500 Å |
|
GaInAs |
non intentiellement dopé |
50 Å |
|
AlInAs |
non intentiellement dopé |
200 Å |
|
GaInAs |
non intentiellement dopé |
50 Å |
|
GaInAs |
1017 cm-3 |
2500 Å |
|
GaInAs |
5.1018 cm-3 |
3000 Å |
|
InP |
substrat Semi-Isolant |
|
Figure II.7a:
La couche GaInAs/AlInAs/GaInAs/InP
Le cas d'une structure comportant une barrière
AlInAs/AlAs/AlInAs [4] est illustré sur la figure II.7.b. On retrouve
typiquement les mêmes données de dopage et d'épaisseur pour les couches
encadrant la barrière de potentiel. Pour cette dernière, idéalement, on
chercherait à ce qu'elle soit la plus large possible. Cependant, compte-tenu
des considérations précédentes concernant le passage en vallée X, et d'autre
part, l'existence d'une longueur critique, nous avons préféré limiter
l'épaisseur de cette couche à 30 Å. A l'avenir, il nous semble qu'on pourrait
s'affranchir de cette limite en compensant les contraintes par l'alternance de
couches respectivement en compression et en extension. Néanmoins, la suite de
ce travail nous montrera que "l'opacité" de la barrière d'AlAs
utilisée ici est tout à fait suffisante pour repousser la limite de conduction
par effet tunnel au delà de celle correspondant au claquage par avalanche.
|
GaInAs |
5.1018 cm-3 |
3000 Å |
|
GaInAs |
1017 cm-3 |
3000 Å |
|
GaInAs |
non intentiellement dopé |
100 Å |
|
AlInAs |
non intentiellement dopé |
50 Å |
|
AlAs |
non intentiellement dopé |
30 Å |
|
AlInAs |
non intentiellement dopé |
50 Å |
|
GaInAs |
non intentiellement dopé |
100 Å |
|
GaInAs |
1017 cm-3 |
3000 Å |
|
GaInAs |
5.1018 cm-3 |
3000 Å |
|
InP |
substrat Semi-Isolant |
|
Figure II.7b:
La couche GaInAs/AlInAs/AlAs/AlInAs/GaInAs/InP
3. PROPRIETES DE CONDUCTION
Les propriétés de conduction ont été testées grâce à
l'emploi de structure de masques simplifiées
qui, de manière générale, comportent des surfaces actives relativement
importantes.
Ce choix n'est pas en contradiction avec les arguments
développés dans l'introduction montrant la nécessité de travailler avec des
dimensions très faibles.
En effet, nous normaliserons les grandeurs obtenues,
notamment de capacité, afin d'extrapoler ces données aux faibles sections.
Seuls les effets de bord pourraient intervenir dans ces règles d'échelles, mais
ils se sont avérés négligeables.
En outre, l'utilisation de sections importantes facilite
notablement la technologie avec des procédés nécessitant peu d'étapes
technologiques. Il en résulte que l'on peut rapidement tester la qualité d'une
couche épitaxiale.
De plus, les niveaux de capacité relativement élevés
(quelques centaines de femtoFarad pour un composant large, quelques femtoFarad
pour un composant micronique) facilitent notablement la caractérisation en
travaillant à plus basse fréquence.
Enfin, il est très utile de disposer de plusieurs
sections pour mener une étude comparative et en particulier vérifier
l'uniformité des densités de courants.
3.1 LES MASQUES:
Très succintement, deux types de masque ont été utilisés
pour fabriquer des diodes sur substrat semi-isolant en structure planaire. le premier
est extrèmement simple avec des motifs carrés respectivement 50x50, 30x30,
15x15 µm2 pour la zone active, alors que le contact inférieur
présente une surface constante de 250 µm2.
La séquence technologique peut se résumer de la façon
suivante: On réalise tout d'abord un premier dépôt métallique séquentiel AuGeNi
assurant la formation du contact ohmique d'émetteur (collecteur). Cette
métallisation sert ensuite de masque pour réaliser une première attaque du type
mésa de profondeur typiquement de l'ordre du micron afin d'atteindre la couche
GaInAs enterrée.
Cette gravure est faite par attaque chimique en utilisant
le mélange d'attaque: {H3PO4:3, N2O2:1,
H2O:20} dont la vitesse est de 3600 Å/min [cf chapitre I]. Il peut
être important de noter que cette gravure n'étant pas sélective sur les couches
constituant la structure active, et compte-tenu de la très faible épaisseur de
la couche InGaAs (3000 Å) située près du substrat, cette gravure se révèle
assez critique et nécessite une bonne connaissance de la vitesse d'attaque. En
pratique, le contrôle de la profondeur d'épaisseur est