Brevet FR2020193A1 — publié le 19700710

Les formes d'exécution connues de redresseurs de haute tension à semi-conducteurs comprennent le montage en série de- composants semi-conducteurs et en particulier d'éléments semi-conducteurs au si- licium dont le nombre est déterminé, d'une part, par la tension de service prédéterminée et, d'autre part-, par leur capacité de charge en tension inverse admissiblé, et qui sont souvent choisis de fa- çon qu'ils présentent des propriétés électriques spéciales et concordantes, ces composants étant disposes suivant le montage et sul- vant les conditions d'utilisation du redresseur, dans un bottier en forme de boîte ou en forme de capsule et étant, le cas échéant, noyes dans une matière isolante appropriée. Ces redresseurs de haute tension à semi-conducteurs connus construits sous une forme compacte avec des composants semi-conduc- teurs élémentaires préfabriqués suffisent, certes, à de nombreux points de vue pour les conditions d'utilisation imposées dans les diverses branches de la technique mais s'avèrent très désavantageux et, par conséquent, non appropriés pour certaùia cas- d'utilisation de l'électronique et de la micro-électrique comportant des exigences particulières d'encombrement extrêmement réduit des éléments structurels du montage1 en raison de les mode de construction et de leur disposition individuelle, ainsi qu'au point de vue de leur stabilité mécanique et électrique ; il en est ainsi, par exemple, lors- qu'on cherche à disposer en série plusieurs unités de redresseur de haute tension pour obtenir des tensions de service relativement éle- vées. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a, notamment, pour objet de créer un redresseur de haute tension à semi-conducteurs présentant une construction particulièrement - économique et répon- dant aux exigences les plus impératies d'encombrement aussi réduit que possible, ce redresseur permettant en outre d'obtenir des tensions de service relativement élevées, par une simple mise en série d'unités de montage, sans problème de commutation supplémentaire. a technique planar connue et préférée pour la fabrication de composants semi-conducteurs pour la micro-électronique et ses avantages au point de vue techniques de traitement offrent des possiba lités de solution de ce problème. En conséquences sur un élément en matière électriquement isolante appropriée on dispose un nombre dé- siré de diodes planars fabriquées simultanément sous une forme géo- métrique désirée et, en outre, les électrodes associées de diodes successives sont mises en contact entre elles pour assurer un mon- tage électrique en série. Le dispositif suivant l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus des formes d'exécution connues et offre, en outre, en raison de ses propriétés électriques stables, un compor tement plus favorable en service. L'invention concerne un redresseur de haute' tension à semi-con ducteurs dans lequel un certain nombre de composants semi-conducteurs et en particulier d'éléments semi-conducteurs auW silicium sont dis posés sur un élément de' sppor-t en matière isolante et sont montés électriquement en série, et vive en outre un procédé de fabrication d'un tel redresseur de haute tension à semi-conducteurs. -Leredresseur de haute tension semi-conducteurs suivant l'invention est caractérisé par le fait que des diodes planars semi-con- ductrices d'étendue déterminée sont insérees et adaptées avec une disposition géométrique spatiale appropriée dans des évidements pré déterminés de l'élément de support, éventuellement de niveau avec leur surface supérieure, par le fait que les diodes planars dans leurs zones de- surface non destinées à- leur mise en contact sont re vêtues, d'une manière connue en soi, dtune couche d'oxyde, et par le fait que les surfaces de contact à lier entre elles des diodes pla nars montées électriquement en série sont connectées galvaniquement de façon permanente, par l'intermediaire de parcours conducteurs en matière de contact appropriée. Le procédé de fabrication d'un tel redresseur de'haute tension à semi-conducteurs réside en ce que, sur un côté préparé d'un élé ment de sortie semi-conducteur sont fabriqués, par des opérations de traitement connues en elle-mêmes et avec une disposition géométri que prédéterminée, des éléments semi-conducteurs présentant des zones de types de conductibilité différents et opposés, suivant une structure planar, par le fait que les deux zones de types de conductibi lité différents de chaque diode planar sont mise en contact, par l'intermédiaire de parcours de contact métallique avec les zones associées pour assurer le montage électrique en série de diodes planars adjacentes, par le fait que le côté non travaillé de élément de sor tie semi-conducteur est creusé à une certaine profondeur et subdivisé, par des opérations de traitement connues, entre les diodes planars électriquement en série jusqu'à la couche de protection de celles-ci, et par le fait que la chaîne de composants formée par les diodes planars interconnectées par l'intermédiaire des parcours de contact est noyée dans une matière coulée et mo@lée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint, qui en représente, å titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation. Sur ce dessin : les figures 1 et 2 représentent en coupe deux exemples d'exécution de l'invention qui mettent en évidence et qui expliquent la construction et le mode de fonctionnement de l'objet de l'invention. Sur les deux figures, les éléments correspondants sont désignés par les mimes références numériques L'élément en fonse de plaque i, représenté sur la figure 1, qui est en une matière électriquement isolante telle que de l'alumine, présente dans l'une de ses deux faces planes, suivant une disposi tion géométrique désirée, entre des nervures 2, des évidements dans chacun desquelsoest encastré et ajusté un élément semi-conducteur monocristallin 3 en forme de pastille d'un type de conductibilité prédéterminé.Entre l'élément isolant 1 et chacun des éléments semi-conducteurs 3 se trouve une couche de silice 4, de préférence formée par la technique de traitent- qui permet d'obtenir le type de conductibilité de l'élément semi-conducteur et qui assure une bonne liaison entre les matières différentes des deux éléments | et 3. En outre, chacun des éléments semi-conducteurs 3 présente, à un eaplacement approprié, une zone 6 obtenue à partir de la surface supérieure par une technique de diffusion et du type de conductibilité opposé ce qui forme une jonction pn 5 à section droite en U. Une couche d'oxyde 4X, formée en vue de l'obtention de la zone 6 sur la surface supérieure du silicium, présente, aux emplacements des divers éléments semi-conducteurs convenant à la liaison des éléments individuels montés électriquement en série et de préférence se succédant également dans l'espace, des fenêtres de contact 7 et 8 qui servent à la disposition de parcours de contact 9. Ces parcours de contact sont formés de préférence en une matière bonne conductrice appropriée propre à être appliquée par dépit ou par -vaporisation, par exemple de l'aluminium ou de l'argent. Les composants semi-con- ducteurs 3 interconnectés galvaniquement, par l'intermédiaire des parcours de contact 9, représentent chacun une diode planar dans laquelle le composant semi-conducteur 3, grâce à son traitement préalable spécial et à sa disposition dans l'élément en matière isolante i, présente un gradient de concentration des imperfections entre 1' élément en matière isolante t et la surface supérieure -du semi-conducteur, tandis que la zone 6 de type de conductibilité opposé, for mée par un processus de diffusion exécuté en fonction de l'épais- seur des imperfections et de la profondeur de pénétration, présente un gradient de eoncentration des imperfections entre la surface supérieure du semi-conducteur et l'élément en matière isolante, de sOrte qu'avec un dimensionnement approprïé des deux zones et avec une charge de surtension correspondante des diodes planars, on obtient une réduction de volume au voisinage immédiat de la zone fortement dopée du premier type de conductibilité, c'est-à-dire de pré -férence'entre la zone 6 et l'élément en matière isolante 1, et, par conséquent, un comportement en service particulièrement favorable pour un montage en série des diodes planars. Le dispositif suivant. l'invention formé de diodes planars ilec- triquement et spatialement en s érie peut être enfermé dans un boîtier approprié obtenu par coulée d'une résine coulable ou par moulage d' une matière isolante. L'éliment en matière isolante 1 peut entre par exemple en trioxyde de bore ou en une autre matière propre à assurer une bonne liaison mécanique avec une couche de silice. Sa superficie est fonction du nombre de diodes planars prévues pour assurer un montage en série désiré ainsi que de leur disposition spatiale et de la place nécessaire pour assurer leur mise en contact, par l'intermédiaire de parcours conducteurs métalliques. Les dimensions des éléments semi- conducteurs 3 ainsi que de leurs zones -6 obtenues par diffusion et de la jonction pn 5 sont déterminées par les propriétés électriques exigées des diodes planars et par les conditions d'utilisation du redresseur de haute tension à semi-conducteurs. Pour assurer l'obtentinn de l'objet de l'invention, il est en outre prévu des disques à grande surface dénommés "éléments de sor tie semi-conducteurs" qui sont traités à 11 avance de telle manière que, par des opérations connues en elles-mbses, les dimensions des zones 6 des diodes planars puissent être déterminées de façon préci se et que ces zones puissent être formées de façon reproductible afin de permettre un dimensionnement et un coefficient d'utilisation optimaux des zones de charge spatiale.Si l'on soumet ensuite, simul- tanément aux mêmes conditions de traitement, au moins les diodes planars de chacnn des dispositifs redresseurs à haute tension suivant l'invention, mais de préférence un plus g-rand nombre de ces diodes, fournies par plusieurs dispositifs de ce type, dans les me- mes conditions préalables, des propriétés électriques et physiques approximativement identiques sont obtenus au moins pour toutes les diodes planars d'un même dispositif et, par conséquent, on obtient un comportement en service désirable et particulièrement favorable pour leur montage en série. L'épaisseur du parcours de contact est déterminée d'après des points de vue qu'il est nécessaire d'adopter pour une exploitation économique et atteint de préférence, dans le cas d'une fabrication par dépit en phase vapeur, par exemple t à 2 microns pour lta- luminium et 3 à 5 microns pour l'argent. Dans un exemple d'exécution de l'invention, la pastille de silicium peut présenter un diamètre de 30 à 35 mm et une épaisseur d'environ 150 microns et le silicium semi-conducteur utilisé à cet effet peut présenter une résistivité de 1 à 3 ohms-cm. La superficie de chacun des semi-conducteurs disposés dans une t elle pastille et présentant une structure planar atteint alors, par exemple, 750 z 750 microns et son épaisseur, 30 à 50 microns.La profondeur de pénétration dela jonction pn peut atteindre 2 à 5 microns, l'épaisseur d'un psrcours de contact en aluminium î à 2 microns et l'épaisseur d'un parcours de contact en argent 15 à 50 microns. ha tension inverse d'une telle diode planar est alors comprise entre environ 100 V et environ 250 V. L'exemple d'exécution de variante représenté sur la figure 2 concerne un dispositif qui a été obtenu par un procédé de fabrication notablement différent de celui qui est utilisé pour l'obtention du dispositif représenté sur la figure 1. La construction de cette variante diffère de la précédente en ce que l'élément en matiere isolante 10 est en une matière isolante se prêtant à la coulée QU au moulage.L'allure que présente la courbe de concentration des Imper- fections et qui convient pour assurer un comportement eu service particulièrement favorable du dispositif suivant l'invention peut être obtenue dans la forme d'exécution de la figure 2 grAce au fait qu'on utilise un élément de sortie semi-conducteur présentant, par suite de l'utilisation dtun procedé épitaxial appropriée un profil d'imperfections désiré. Entre l'élément semi-conducteur 3 et l'élé- ment en matière isolante 10, se trouve une couche de laque de photogravure 11 nécessaire à l'obtention des nervures 2, et celles-ci présentent, pour tenir compte de la technique de traitement différente, une autre section droite que dans la forme d'exécution de la figure 1. En ce qui concerne le dimensionnement des éléments semi-conducteurs 3, des zones 6 de type de conductibilité opposé et des joncti- ons pn 5, les points de vue adoptés lors de la description du premier exemple d'exécution restent valables. Lors de la fabrication d'un dispositif suivant l'invention, du type de la figure i, on creuse tout d'abord par gravure suivant une disposition géométrique déterminée à l'avance par le montage en se rie désiré 'de diodes planars et par leurs grandeurs, ou par un cer tain nombre de montages en série identiques ou différents, dans l'u- ne des faces d'une pastille en silicium semi-conducteur monocristal- lin, par exemple de forme' circulaire préparée à l'avance et servant d'élément de sortie semi-conducteur, ledit silicium monocristallin présentant grâce à un processus de diffusion exécuté en fonction de la concentration des imperfections et de la profondeur de pénétra- tion, un type de conductibilité donné, par des techniques de masqua ge à l'oxyde connues.Puis on dépose, de préférence par fusion, sur la surface de la pastille gravée suivant une configuration détermi- née une matière isolante très réfractaire qui remplit, en outre, les évidements produits par la gravure et 'forme l'élément en matiè- re isolante t. Ensuite, la pastille de silicium est creusée mécani quement ou chimiquement sur son autre face extérieure non travaillée de t elle manière que le dessin gravé 'du côté découvert apparaisse entièrement à la surface 'extérieure, c'est-à-dire que la disposition alternée d'ilots ou bandes de matière semi-conductrice et de matière isolante soit visible avec la répartition désirée. En conséquence, on obtient un élément en matière isolante, dans lequel sont noyés des éléments semi-conducteurs 3 en forme de disque ou en forme de bande suivant le dessin gravé prévu à l'avance.Ensuite, on forme dans chacun des éléments semi-conducteurs 3, par des procédé de mas quage et de diffusion connus, une autre zone 6 de type de conductibi- lité opposé et, par conséquent , entre les deux zones une jonction pn 5. ensuite, par dépôt en phase vapeur de parcours métalliques de contact appro'priés au moyen de masques de vaporisation sur les sur faces de contact préalablement traitées de chacun des éléments semi conducteurs 9 et par alliage des parcours de contact 9 avec la ma - titre semi-conductrice, le montage électrique en série des diodes planars esr réalisé.Le cas échéant, une structure de ce genre com prenant un nombre relativement grand d'éléments individuels liés en un ou plusieurs montages en série, est subdivisée en segments déterminés par la disposition spatiale et la grandeur de ces éléments, montages qui représentent des dispositifs redresseurs de haute ten sion et qui sont munis de connexions de conduction appropriées et peuvent etre noyés en vue de leur utilisation technique, d'une manière connue en soi, dans une matière isolante. Quant à la forme d'exécution représentée sur la figure 2 d'un redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant l'invention, elle peut titre fabriquée en formant dans l'une des faces d'une pas tilles de silicium semi-conducteur oxydée présentant des trous d'ajustement, par des procédés de masquage à l'oxyde et de diffusion, à des emplacements prédéterminés correspondant à la disposition ultérieure des diodes planars en un montage série, des jonctions pn d'une profondeur et d'une étendue prédéterminées en mettant en contact par des opérations ultérieures les surfaces de contact associées de diodes successives par. dépit en phase vapeur et alliage de parcours de contact appropriés, puis en creusant cimiquement ou mécaniquement le coté arrière de la pastille semi-conductrice dans mesure suffisante pour qu'au moyen des trous d'ajustement et d'un masque de gravure la pastille semi-conductrice soit fractionnée par corrosion en segments en forme de bande, de préférence parallèles entre eux, qui ne restent liés que par les parcours de contact. À cet effet, les parcours de contact 9 doivent présenter une épaisseur télle qu'ils assurent une résistance mécanique suffisante de cette channe de diodes en forme de bande jusqu'à sa disposition dans un bottier. On donne à la structure la stabilité mécanique et électrique nécessaire en la noyant dans une matière isolante appropriée.Le cas échéant, on peut ici encore procéder à une nouvelle fragmentation en unités de redresseur de haute tension de superficie moindre. La chute de tension de conduction considérable obtenue par addition des valeurs des éléments individuels d'un redresseur de haute tension peut, avec la disposition suivant l'invention, être maintenue faible, par un choix convenable de la résistivité de la matière semi-conductrice et par la disposition à un emplacement approprié de la jonction pn dans chaque élément semi-conducteurs Entant donné que la tension dite de diffusion est fonction de la conductivité intrinsèque et de la concentration en dopage, on peut par un choix convenable de la matière première semi-conductrice appropriée et par une dispoaition et un dimensionnement favorables de la ou des zones de charge spatiale obtenir un redresseur de haute tension à -semi-con -ducteurs qui correspond d'une manière avantageuse, en..ce qui concerne son comportement à l'égard de la tension inverse et sa puissance dissipée, aux exigences imposées par les conditions d'utilisation. Le cas échéant, la sécurité de fonctionnement du dispositif suivant l'invention, en cas de panne éventuelle d'éléments individuels, peut autre améliorée en augmentant le nombre des éléments individuels auxquels on donne à cet effet un dimensionnement approprié de façon que, grace à la réductinn ainsi obtenue de la capacité de charge en tension inverse d'un élément individuel,.en.cas de dérangement, la tension de service puisse encore etre.supportée avec une large marge de sécurité par les éléments qui restent. en fonction. En outre, gracie à l'utilisation de la technique planar, la jonction pn est protégée par une couche de silice, ce qui assure une grande stabilité électrique de chacune des diodes planars. Ltobjet de l'invention n'est pas limité aux exemples d'exécution représentés et décrits. Une autre variante peut, par exemple, résider en ce que, pour les cas d'utilisation impliquant des temps de commutation très cours, les diodes individuelles peuvent titre agencées à la manière des diodes dites de Schottky, la chute de tension de conduction pouvant alors, en outre, présenter des valeurs notablement plus faibles cependant que lexedresseur de haute tension a un comportement en service encore plus avantageux. Le redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant l'invention est caractérisé par le fait qu'il est constitué par des composants semi-conducteurs offrant des propriétés électriques identiques et stables, d'une construction simple et d'une disposition géométrique avantageuse avec un encombrement particulièrement réduit et un comportement en service particulièrement avantageux. REVENDICAUIONS 1.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs, dans lequel un certain nombre de composants semi-conducteurs et en particulier d'éléments semi-conducteurs au silicium sont disposés sur un élément de support en matière isolante et sont montés électriquement en série, caractérisé par le fait que des diodes planars semi-conductrices d'étendue déterminée sont insérées et adaptéea avec une disposition géométrique spatiale appropriée dans des évidements pré-déterminds de l'élément de support, éventuellement de niveau avec leur surface supérieure, par le fait que les diodes planars1 dans leurs zones de surface non destines à leur mise en contact, sont revêtues d'une manière connue en soi, d'une couche d'oxyde, et par le fait-que les surfaces de contact à lier entre elles des diodes planars montées électriquement en,série sont connectées galvaniquement de façon permanente, par l'intermédiaire de parcours conducteurs en matière de contact appropriée. 2.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les diodes planars se présentent sous la forme de bandes et sont disposées en réseaux comprenant des colonnes et des lignes. 3.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les diodes pa- nars présentent une forme ronde ou polygonale et sont disposées suivant un arc. 4.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de support isolant est en un matériau qui forme avec la matière ses conductrice, par l'intermédiaire d'une couche d'oxyde semi-con- ductrice, une liaison mécanique solide, ledit matériau étant, de préférence, de l'alumine, de l'oxyde de magnésium et d'aluminium ou du trioxyde de bore. 5.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de support isolant est en une matière plastique coulée ou moulée. 6.- Redresseur de haute tension à semi-conducteurs suivant la revendication 1 ou suivant l'une quelconque des revendications suivantes, caractérisé par le fait que le métal de contact permettant d'établir les liaisons electriques entre les diodes planars montées électriquement en série est un métal susceptible d'être appliqué par dépôt et/ou par vaporisation, ce métal étant de préférence de l'aluminium ou de l'argent. 7.- Procédé de fabrication d'un redresseur de haute tension à semi-conducteurs, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que, sur un côté préparé d'un élément de sortie semi-conducteur, sont fabriqués, par des opérations de traitement connues en elles-mêmes et avec une disposition géométrique prédéterminée, des éléments semi-conducteurs présentant des zones de types de conductibilité différents et opposés, suivant une structure planar, par le fait que les deux zones de types de conductibilité différents de chaque diode planar sont mies en contact, par l'intermédiaire de parcours de contact métalliques, avec les sones associées, pour assurer le montage électrique en série de diodes planars adjacentes, par le fait que le côté non travaille de l'élément de sortie semi-con- ducteur est creusé a' une certaine profondeur et subdivisé, par des opérations de traitement connues, entre les diodes planars électriquement en série jusqu'à la couche de protection de celles-ci, et par le fait que la chaîne de composants formée par les diodes planars interconnectées par l'intermédiaire des parcours de contact est noyée dans une matière coulée ou ioulée.