Brevet FR2022282A1 — publié le 19700731

i 2022282 La présente invention concerne un générateur micro-onde hyperfréquence à l'état solide qui peut osciller dans le domaine des micro-ondes et des ondes millimétriques, et plus particulièrement une diode à avalanche par impact et à temps de 5 transit dont la région de jonction est noyée à l'intérieur, ce qui procure un claquage par avalanche uniforme dans ladite aire de jonction. Dans les systèmes radio micro-onde, on remplace maintenant le klystron réflex par un générateur micro-onde à l'état 10 solide tel que la diode à avalanche par impact et à temps de transit appelée "diode IMPATT" par abréviation de la dénomination anglaise Impact Avalanche and Transit Time. Le principe de fonctionnement consiste en la combinaison de la multiplication du courant d'avalanche et du retard du temps de transit pour produire 15 une résistance négative aux hyperfréquences. Il est extrêmement important de provoquer une avalanche uniforme au voisinage d'une jonction PN polarisée en inverse afin d'améliorer l'efficacité et le bruit. Généralement on considère que le type mésa est plus avantageux que le type planar pour produire un claquage par ava-20 lanche uniforme dans la région de jonction et améliorer la tenue en tension. En effet, dans le type planar, la surface est recouverte d'une couche, en général de bioxyde de silicium, ce qui tend à provoquer dans la région frontière un champ électrique élevé causé par ionisation, distorsion etc et le claquage prend 25 naissance dans ce champ électrique élevé. De plus, à cause de la configuration de la jonction dans le type planar, le champ électrique est concentré dans la partie courbe de la jonction ce qui accélère le claquage. Quoique le type mésa soit exempt des défauts ci-dessus qui sont inhérents à la structure planar, il est sensi-30 ble à l'influence des conditions ambiantes et manque de fiabilité puisque la jonction est exposée. Pour les raisons précédentes, on a.proposé une structure à anneau de garde pour les dispositifs de type planar et la formation d'un revêtement protecteur pour les structures de type 35 mésa. Un autre problème important pour les diodes IMPATT est la réduction de la résistance thermique. Le niveau de sortie de l'oscillation est considérablement réduit par l'élévation de la température et même un léger changement de résistance thermique 40 modifie le niveau de sortie de façon importante. 69 35747 2 2022282 L'un des objets de cette invention est donc de réaliser un générateur micro-onde à l'état solide dans lequel la structure de la jonction est apte à fournir un claquage uniforme par avalanche. 5 Un autre objet de cette invention est de créer une diode IMPATT dans laquelle la région de fonctionnement principal de la surface de la jonction, région où se produit un claquage uniforme, est noyée dans le semi-conducteur de manière à ne pas être soumise à l'influence de la contamination de l'atmosphère ambiante 10 qui se produit à la surface du semi-conducteur. Encore un autre objet de cette invention consiste à réaliser une diode IMPATT qui puisse être montée sur un corps dissipateur de chaleur d'une manière qui réduise la résistance thermique entre le corps dissipateur de chaleur et la région de 15 la jonction où se produit le fonctionnement principal, jonction qui est polarisée en inverse et qui engendre une grande quantité de chaleur. Selon la présente invention, on forme, sur une surface d'un substrat semi-conducteur de faible résistivité et d'un 20 premier type de conductivité, une couche épitaxiale semi-conductrice de résistivité élevée et du type de conductivité opposé à celui du substrat. Approximativement au centre de ladite couche épitaxiale, on forme une première couche diffusée cylindrique du premier type de conductivité, qui s'étend dans la couche épi-25 taxiale jusqu'au substrat. On réalise en plus dans la couche épitaxiale une seconde couche diffusée, peu profonde, du type de conductivité opposée, englobant l'aire de la surface de la première couche diffusée. Ainsi, la région semi-conductrice du premier type de conductivité se prolonge, à partir du substrat, par 30 la couche épitaxiale du type de conductivité opposé , suivant une configuration mésa. En conséquence, il s'est formée une jonction PN en forme de chapeau entre le substrat semi-conducteur et la couche épitaxiale, entre la couche épitaxiale et la première couche diffusée et entre les première et deuxième couches diffusées. 35 Dans la présente invention, on choisit la tension de claquage de la jonction PN entre la première et la deuxième couche diffusée à un niveau plus bas que celle de la jonction annulaire formée entre le substrat semi-conducteur et la couche épitaxiale et à un niveau correspondant à la tension de claquage de la diode 40 IMPATT. 69 35747 3 2022282 De ce fait, le claquage par avalanche de la diode se produit de manière uniforme et concentrée au voisinage de la surface de jonction plane et noyée entre les première et deuxième couches diffusées. Ainsi la région de fonctionnement principal de 5 la diode est limitée à l'intérieur du semi-conducteur. La jonction formée entre le substrat semi-conducteur et la couche épitaxiale n'est exposée que sur le bord du substrat, il est toutefois possible de recouvrir les portions exposées avec un revêtement protecteur tel qu'un film d'oxyde de silicium, de 10 sorte que les conditions ambiantes n'ont aucune influence. Dans la pastille de diode conforme à l'invention, la jonction PN n'émerge ni à la surface du substrat ni à la surface de la couche épitaxiale. En conséquence, la couche épitaxiale peut, en toute sécurité, venir en contact avec un corps dissipateur de 15 chaleur quand la pastille est montée sur ce dernier. Ainsi un montage à l'envers est tout à fait réalisable. Dans ce cas la résistance thermique entre la région de fonctionnement principal et le corps dissipateur de chaleur est réduite de manière remarquable. Dans les dispositifs de type mésa conventionnels, la cha-20 leur engendrée par la jonction polarisée en inverse est dissipée seulement par la portion mésa, tandis que dans la diode suivant la présente invention, la chaleur est dissipée à travers la couche épitaxiale entourant la région de fonctionnement principal, de sorte que l'élévation de température à la jonction peut être 25 diminuée. La présente invention sera plus facilement comprise au moyen des explications plus détaillées suivantes et en se référant au dessin annexé représentant une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple. 30 La figure 1 montre une section transversale de la diode IMPATT conforme à la présente invention, passant par le centre. La figure 2 est une vue en perspective montrant la structure encapsulée de la diode IMPATT de la présente invention. La figure 1 représente un substrat de silicium 1 35 ayant une résistivité inférieure à 0,01^ x cm, de type N , dopé à l'antimoine, sur lequel est formée une couche épitaxiale de silicium 2 de 4,5 u d'épaisseur avec une concentration en bore 15 3 de moins de 10 atomes par cm . A partir de la surface de la couche épitaxiale, on 40 diffuse, par tout procédé connu, du phosphore, pour former une 69 35747 4 2022282 une première couche diffusée cylindrique 3. Le diamètre de la section de cette première couche diffusée peut être de 150 u et 17 3 la concentration superficielle de 10 atomes par cm . Le type de conductivité de la couche diffusée 3 est inversée en type N, 5 c'est-à-dire identique à celui du substrat 1. La seconde couche diffusée 4 est peu profonde, son diamètre est de 170u et englobe la surface de la première couche diffusée, sa profondeur est de 1 y , l'ensemble de cette couche ayant la forme d'un plat ou d'une assiette. La seconde couche diffusée 4 peut être formée par tout 10 procédé connu de diffusion sélective. Comme impureté de dopage, on peut utiliser le bore, et la concentration superficielle de 19 1 bore peut être d'environ 10 atomes par cm . La jonction formée dans la réalisation de la figure 1 est représentée par A-B-C-D-E-F. La tension de claquage à la région de jonction C-D, dans 15 cette réalisation, est approximativement de 70 volts, tandis qu'en A-B et aussi en E-F elle est d'environ 300 volts. En conséquence, un claquage par avalanche stable se produit surtout dans la région plaque C-D de la jonction, et la région de fonctionnement effectif de la diode est limitée à l'intérieur du semi-conducteur. 20 Ainsi cette région est à peine affectée par l'atmosphère ambiante. La diode conforme à la présente invention peut être considérée comme une diode P NN ou une diode P NIN selon la distribution de la concentration de dopant. Dans la réalisation ci-dessus, on obtient un élément de diode IMPATT dans la bande X. 25 Comme on l'a dajà mentionné, la pastille de diode peut être montée à l'envers sur le corps dissipateur de chaleur. Avec un tel montage la portion de jonction C-D qui est polarisée en inverse pendant le fonctionnement et engendre une grande quantité de chaleur peut se trouver très près du corps dissipateur de 30 chaleur et en conséquence, la résistance thermique est considérablement réduite. Grâce à cela, l'élévation de température à la portion C-D de la jonction est réduite et le niveau de sortie peut être amélioré de manière importante. La figure 2 montre un exemple d'encapsulage de la diode 35 dans lequel la pastille de diode est montée à l'envers sur le corps dissipateur de chaleur. Sur la figure 2 sont représentés : une embase 5 en cuivre plaqué or qui est le corps dissipateur de chaleur, une pièce métallique 6 fixée à l'embase et hermétiquement scellée, 40 un tube 7 de céramique, une pièce métallique 8 fixée aussi par 69 35747 5 2022282 scellement hermétique, un capot 9, une pastille de diode 10 et un ruban en or 11. Dans cette première réalisation, la diode est en silicium, mais on peut utiliser, à la place du silicium, du germanium, 5 ou des composés des groupes III et Y de la table périodique tels que l'arséniure de gallium etc... Puisqu'on a utilisé comme matériau de départ une substance de type N de faible résistivité, ■j* on a obtenu une diode P NN ou diode Read, mais si on avait utilisé un substrat de type P de faible résistivité, comme maté-10 riau de départ, on aurait évidemment obtenu une diode N PP ou une diode N+PIP+. 69 35747 6 2022282 REVENDICATIONS 1.- Diode à avalanche par impact et à temps de tra" comprenant : a) un substrat semi-conducteur à faible résistivité d'un 5 premier type de conductivité b) une couche épitaxiale semi-conductrice de résistivité formée sur ledit substrat et de type de conductivité c à celui dudit substrat c) une première couche diffusée cylindrique du premier ty-10 conductivité qui s'étend depuis une région limitée sur surface de la couche épitaxiale jusqu'au substrat, et d) une seconde couche diffusée en forme d'assiette du typ opposé de conductivité qui englobe l'aire superficiell, la première couche diffusée, de sorte que la partie de- 15 tion noyée plane formée entre les deux couches diffuse une tension de claquage plus faible que le reste de 1& tion et qu'un claquage par avalanche se produit surtou la partie de jonction plane et noyée. 2.- Diode à avalanche par impact et à temps de tra: 20 suivant la revendication 1, comprenant : a) un substrat semi-conducteur de type N de faible ré sis t:' b) une couche épitaxiale du type P de résistivité élevée formée sur ledit substrat c) une première couche diffusée cylindrique de type N qui 25 s'étend depuis une région limitée sur la surface de la couche épitaxiale jusqu'au substrat, et d) une seconde couche diffusée de type P en forme de plat englobe l'aire superficielle de la première couche dif 3.- Diode à avalanche par impact et à temps de tra: 30 conforme à la revendication 1, où ledit substrat semi-condue est en silicium.