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1 - MATÉRIAUX ET PHYSIQUE DES HÉTÉROJONCTIONS

2 - TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP À HÉTÉROJONCTION SUR GAAS ET INP

3 - TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP À HÉTÉROJONCTION EN GAN

4 - TRANSISTORS BIPOLAIRES À HÉTÉROJONCTION

5 - SYNTHÈSE COMPARATIVE ET ÉVOLUTIONS

Article de référence | Réf : E2450 v2

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

Auteur(s) : André SCAVENNEC, Sylvain DELAGE

Date de publication : 10 nov. 2011

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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-conductrices) 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, ont longtemps été des homojonctions séparant deux régions de dopages différents d'un même semi-conducteur hôte. En pratique, ce dernier est généralement du silicium (filières NMOS, CMOS bipolaires et BiCMOS) et très rarement de l'arséniure de gallium (filière 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 hétérojonction. 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 GaAlAs/GaAs des transistors à hétérojonction à effet de champ, appelés HEMT, et des transistors bipolaires à hétérojonction, dits HBT (§ 2.1 et 4.1)]. Mais ces hétérojonctions peuvent être aussi en léger désaccord de maille (de l'ordre de 1 % comme dans le cas des jonctions GaAlN/GaN des HEMT GaN (§ 3.1) ou Ga0,8 In0,2 As/GaAs des HEMT GaAs dits pseudomorphiques (§ 2.4.1), 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 dites métamorphiques InP/GaAs (§ 2.4.3) ainsi que des hétérostructures à base de nitrure de gallium (§ 3.1), où les différences de dimensions de mailles cristallines sont de l'ordre de quelques pour-cent entre le substrat de départ et le matériau qui constitue le cœur actif du composant].

Dans tous les cas, cette possibilité de combiner, au sein d'un même composant, des semi-conducteurs de structures de bandes d'énergie 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 HBT, § 4.1). 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, grâce à la richesse des combinaisons possibles d'éléments III et V, et pour bénéficier de la gamme très étendue des propriétés de transport de ces matériaux.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e2450


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1. Matériaux et physique des hétérojonctions

1.1 Matériaux pour composants électroniques à hétérojonction

La nombreuse famille des semi-conducteurs III-V, dont GaAs, GaN et InP ne sont que les représentants les plus connus en microélectronique, comprend des alliages combinant, en proportions égales, des atomes de la colonne III (Al, Ga, In...) et de la colonne V (N, P, As, Sb...) du tableau périodique des éléments de Mendeleïev. Leur structure cristalline se présente le plus souvent 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. Une exception majeure est le GaN et ses alliages, dont la structure cristalline la plus usitée est de type wurtzite à deux sous-réseaux hexagonaux, à fort caractère piézoélectrique.

La 1 donne un exemple d'hétérojonctions formées entre un semi-conducteur ternaire à grand gap Ga1 – x Alx As et un semi-conducteur binaire Ga As petit gap.

Le paramètre cristallin, autrement dit la longueur de l'arête de la maille cristalline, varie selon la nature des atomes constitutifs et est voisin ou supérieur de quelques pour-cent à celui du silicium pour GaAs et InP (respectivement + 4 % et + 8 %). Ce paramètre est notablement plus faible dans le cas du GaN hexagonal. Les 1 et 2 indiquent respectivement la zone utile du tableau de Mendeleïev, incluant les colonnes II, IV et VI des dopants, et, de façon comparative, les propriétés essentielles des alliages les plus utiles en pratique. La 2a quant à elle, visualise la position des alliages III-V, en particulier des familles les plus usitées Ga1 – x AlxAs, Ga1 – x Inx P, Ga1 – x InxAs, Ga1 – x AlxN, dans un diagramme à deux dimensions. La 2 b montre le même graphique mais restreint aux familles GaAs et InP.

La structure cristalline a de plus un impact important sur l'existence ou non de phénomènes...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MATHIEU (H.) -   Physique des semi-conducteurs et des composants électroniques,  -  Masson (1995), Dunod (2004).

  • (2) - SZE (S.M.) -   Physics of semiconductor devices,  -  Wiley Interscience (1981).

  • (3) - ALI (F.), GUPTA (A.) -   HEMTs & HBTs.  -  Artech House (1991).

  • (4) - GOLIO (J.M.) -   Microwave MESFETs & HEMTs,  -  Artech House (1991).

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

  • (6) - CASTAGNÉ (R.), DUCHEMIN (J.P.), GLOANEC (M.), RUMELHARD (C.H.) -   Circuits intégrés en arséniure de gallium.  -  Collection technique et scientifique des Télécommunications, Masson (1989).

  • ...

1 Événements

Les Actes de conférences ont constitué au cours des 10 dernières années la principale source concernant les innovations dans le domaine. On citera en particulier les Conférences : International Electron Devices Meeting (IEDM), Compound Semiconductors IC Symposium (CSICS) et International Microwave Symposium (IMS).

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

En 2010, le marché des composants III-V en microélectronique s'élève à environ 5 Milliards de $. Il s'agit essentiellement de produits à base de P-HEMT GaAlAs/InGaAs et HBT GaInP/GaAs sur substrat GaAs et de HEMT GaN. Citons parmi les acteurs industriels les plus importants :

États-Unis :

Triquint http://www.triquint.com/

RFM http://www.rfm.com/

Anadigics http://www.anadigics.com/

Skyworks http://www.skyworks.com/

Agilent http://www.agilent.com/

GCS http://www.gcs.com/

Japon et Asie :

Fujitsu http://www.fr.fujitsu.com/

Sumitomo http://www.sumitomo.com/

NEC http://www.nec.fr/

Mitsubishi

Toshiba http://www.toshiba.fr/

Sony http://www.sony.fr/

WIN

Europe :

UMS ...

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