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1 - MATÉRIAUX ET PHYSIQUE DES HÉTÉROSTRUCTURES

2 - TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP À HÉTÉROJONCTION

3 - TRANSISTORS BIPOLAIRES À HÉTÉROJONCTION

4 - SYNTHÈSE COMPARATIVE ET ÉVOLUTIONS

| Réf : E2450 v1

Matériaux et physique des hétérostructures
Transistors et circuits intégrés à hétérostructures (III-V)

Auteur(s) : Michel BON, André SCAVENNEC

Date de publication : 10 févr. 1999

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Auteur(s)

  • Michel BON : Ingénieur en Chef des Télécommunications - Chef du Service de Coordination des Opérations transversales au Centre National d’Études des Télécommunications

  • André SCAVENNEC : Ingénieur-Docteur - Chef du Groupement Circuits intégrés III-V pour Communications optiques au Centre National d’Études des Télécommunications

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INTRODUCTION

Le comportement des composants électroniques à semi-conducteurs est largement conditionné par la nature des interfaces ou jonctions qui en séparent les différentes parties constitutives (métalliques, diélectriques ou semi-conducrices) et par la façon dont les porteurs, électrons ou trous, longent ou traversent ces interfaces. Les jonctions semi-conducteur/semi-conducteur intervenant dans les composants et circuits, à base de transistors à effet de champ ou de transistors bipolaires, qui ont dominé jusqu’à la fin des années 1980 la microélectronique, sont en général des homojonctions séparant deux régions de dopages différents, quoique éventuellement de même type, d’un même semi-conducteur hôte. En pratique, ce dernier est le plus souvent du silicium (filières NMOS, CMOS, bipolaires et BiCMOS) et plus rarement de l’arséniure de gallium (filières MESFET GaAs).

Au cours des années 1980, des progrès constants en matière d’élaboration des matériaux de technologie de fabrication et de physique des structures semi-conductrices complexes ont favorisé l’émergence d’une nouvelle génération de composants microélectroniques dits à hétérojonctions. Ces hétérojonctions sont des jonctions où se trouvent juxtaposés deux semi-conducteurs différents. Elles sont le plus souvent en accord ou quasi-accord de maille cristalline [cas des jonctions GaAs/GaAlAs des transistors à hétérojonction à effet de champ, dits TEGFET ou HEMT, et des transistors bipolaires à hétérojonction, dits TBH (§ 2.1 et 3.1)]. Mais ces hétérojonctions peuvent être aussi en léger désaccord de maille (de l’ordre de 1 % comme dans le cas des jonctions Ga0,8 In0,2 As/GaAs à faible taux d’indium des transistors à effet de champ dits pseudomorphiques (§ 2.4), voire en désaccord plus important, au-delà de ce que peut supporter l’élasticité limitée du réseau cristallin, et impliquant alors des zones cristallines très disloquées [cas des structures GaAs/Si ou GaAs/InP (§ 2.4), où les différences de dimensions de mailles cristallines sont de l’ordre de 4 %, mais qui sont encore au niveau d’études de laboratoire].

Cette notion d’hétérojonction entre deux semi-conducteurs différents peut se généraliser à des structures semi-conductrices plus complexes. On parle alors d’hétérostructures qui peuvent inclure des hétérojonctions simples, doubles ou multiples comme dans les superréseaux ou superalliages où peuvent se trouver empilées plusieurs dizaines de couches minces alternées de semi-conducteurs différents. Les épaisseurs des couches utilisées en pratique peuvent varier dans une large gamme allant de quelques micromètres pour les plus épaisses (couches dites tampons par exemple), à quelques nanomètres pour les plus minces qui n’incluent alors que quelques plans atomiques et dans lesquelles on cherche souvent à exploiter des effets quantiques. À la limite, on peut à présent, en laboratoire, contrôler la croissance d’hétérostructures, plan atomique par plan atomique, par une procédure épitaxiale sophistiquée dite ALE (Atomic Layer Epitaxy).

Dans tous les cas, cette possibilité de combiner, au sein d’un même composant, des semi-conducteurs de structures de bandes différentes, apporte des degrés de liberté supplémentaires permettant de développer des composants nouveaux à performances améliorées ou à fonctionnalité originale. En effet, en sus des champs appliqués et des gradients de dopage assurant le contrôle du transport des électrons et des trous dans les composants ordinaires à homostructure semi-conductrice, le fait de pouvoir faire varier l’énergie de bande interdite dans le cas d’une hétérojonction permet des variations spatiales brutales des potentiels et des champs [cf. le puits de potentiel du HEMT utilisé pour séparer porteurs et donneurs (§ 2.1)]. De plus ces variations peuvent être différentes pour les électrons et pour les trous, introduisant ainsi une sorte de filtrage dans le transport de ces deux types de porteurs (cf. l’interface émetteur-base du TBH, § 3.1). L’exploitation de ces degrés de liberté, souvent qualifiée d’ingénierie de bande interdite, a donné lieu à un foisonnement d’innovations, tant en optoélectronique qu’en microélectronique, et ce plus particulièrement dans le cas des matériaux III-V sur lesquels se focalisera par conséquent en grande partie le présent chapitre.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e2450


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1. Matériaux et physique des hétérostructures

1.1 Matériaux pour composants électroniques à hétérojonction

La nombreuse famille des semi-conducteurs III-V, dont GaAs et InP ne sont que les représentants les plus connus (et les plus répandus sous forme de substrats semi-isolants), comprend des alliages combinant, en proportions égales, des atomes de la colonne III (Al, Ga, In...) et de la colonne V (P, As, Sb...) du tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Leur structure cristalline se présente sous la forme de deux sous-réseaux cubiques face centrée, constitués respectivement d’atomes de la colonne III et de la colonne V, et qui s’interpénètrent pour former un cristal du type zinc blende. Ce type de cristal est analogue au réseau du type diamant du silicium, dont il ne diffère que par le fait que les deux sous-réseaux sont ici constitués d’atomes différents.

Le paramètre cristallin, autrement dit la longueur de l’arête de la maille cristalline cubique, varie selon la nature des atomes constitutifs et est en général supérieur de quelques pour-cent à celui du silicium (+ 4 % pour GaAs, + 8 % pour InP, par exemple). Les tableaux 1, 2 et 3 montrent respectivement la zone utile du tableau de Mendeleïev, incluant les colonnes II, IV et VI des dopants, les valeurs de l’énergie de bande interdite (gap ) et de mobilité des porteurs de charge pour quelques alliages binaires, ternaires et quaternaires parmi les plus importants, et un tableau comparatif des propriétés essentielles des alliages binaires et ternaires III-V les plus utiles en pratique. La figure 2, quant à elle, visualise la position des alliages III-V, en particulier des familles les plus usitées Ga1 – x Alx As, Ga1 – x Inx As, Ga1 – xy Alx Iny As, Ga1 – x Inx As1 – y Py , dans un diagramme à deux dimensions (a dimension de maille cristalline ou paramètre cristallin, EG énergie de bande interdite).

Trois propriétés essentielles sont à la base du succès des semi-conducteurs III-V en microélectronique :

  • une forte mobilité électronique (respectivement...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SZE (S.M.) -   Physics of semiconductor devices,  -  1981.

  • (2) - BON (M.) -   Circuits intégrés sur arséniure de gallium et phosphure d’indium.  -  L’Onde Électrique, nov. 1987, vol. 67, no 6, p. 49-57.

  • (3) - SCAVENNEC (A.), POST (G.) -   La microélectronique sur InP.  -  Écho des Recherches, 3e trim., 1986, p. 11-18.

  • (4) - LADBROOKE (P.H.) -   MMIC design : GaAs FETs and HEMTs.  -  Artech House, 1989.

  • (5) - HEIME (K.) -   InGaAs Field-Effect Transistors.  -  Wiley, 1989.

  • (6) - ROCCHI (M.) -   High-speed digital IC technologies.  -  Artech House, 1990.

  • ...

1 Acteurs industriels

En 1998, une cinquantaine de firmes dans le monde ont une activité de fabrication de composants en arséniure de gallium à base de MESFETs (circuits hyperfréquences ou logiques). Bon nombre d’entre elles ont déjà mis en place des filières de fabrication à base de HEMT GaAlAs/GaAs ou PHEMT GaAlAs/InGaAs sur substrat GaAs. Un certain nombre d’entre elles mettent également actuellement en place des filières TBH GaAs/GaAlAs. Citons parmi les acteurs industriels les plus importants :

États-Unis : Rockwell (TBH) TRW et TI (HEMT et TBH), HP (HEMT)...

Japon : Fujitsu, NEC, NTT, Mitsubishi, Toshiba, Sony...

Europe : Philips/PML (1re fonderie PHEMT ouverte en Europe), GMMT, Siemens, UMS (société commune entre Thomson et Daimler-Benz).

Remarque : les activités concernant les autres transistors à hétérojonction (autres substrats InP, Si... ou variantes de structures) restent encore souvent du domaine de la recherche et développement. Les HEMTs et TBHs sur InP sont cependant déjà en phase de transition vers une utilisation industrielle (Hughes, TRW). De même le développement industriel des TBHs SiGe se poursuit activement (IBM, Siemens, Daimler-Benz...).

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