Brevet FR2020337A1 — publié le 19700710

L'invention est relative à des diodes de capacité variable et plus particulièrement à une diode dans laquelle la capacité peut être augmentée en mettant en oeuvre une région superficielle d'inversion pour faire varier l'étendue d'une jonction P—N 5 initiale. De nombreux circuits électriques, tels que les circuits résonnants accordables à self-induction et à capacité exigent un élément variable dans le circuit. XI est souvent avantageux d'adopter un condensateur de capacité variable en fonction de 10 la tension comme élément variable. Des exemples de dispositifs utilisant un corps solide, qui présentent une capacité variable et ainsi peuvent être d'une grande utilité pour de telles applications, comprennent le condensateur variable classique à diode a jonction P-N et le condensateur variable classique à 15 oxyde-métal semi-conducteur. Ces deux condensateurs classiques à capacité variable mettent en oeuvre une étendue essentiellement constante d'une substance électriquement active (c'est-à-dire une étendue suivant laquelle l'application d'un champ électrique produit un effet appréciable sur les porteurs de 20 charge), la capacité du condensateur à diode à jonction P-N pouvant être modifiée en faisant varier électriquement l'épaisseur de la couche d'arrêt et la capacité du condensateur à oxyde-métal semi-conducteur pouvant être modifiée en faisant varier électriquement l'épaisseur de la couche d'arrêt à la 25 surface de séparation semi-conducteur - oxyde. Pour obtenir une gamme étendue de rapport de capacité, ou rapport de la capacité maximale à la capacité minimale, il faut que la.couche d'arrêt, dans le dispositif à jonction P-N ou la couche d'oxyde dans le dispositif à oxyde-métal semi-conducteur, soit mince. Dans ces 30 dispositifs classiques cependant, le rapport de capacité est limité parla constance de l'étendue occupée par la substance électriquement active. Dans le condensateur à capacité variable en fonction de la tension conforme à l'invention, on obtient un rapport de la ca-35 pacité maximale à la capacité minimale qui est supérieur à celui qu'on obtient avec les condensateurs variables mentionnés ci-dessus grâce à l'utilisation d'une diode à semi-conducteur dont l'étendue de la jonction P-N est variable. La possibilité de faire varier l'étendue de la jonction P-N est une conséquen-40 ce de la possibilité de former une couche d'inversion superfi 69 34706 2 2020337 cielle (c'est-à-dire une couche peu profonde s'étendant de la surface à l'intérieur de la plaquette de semi-conducteur, qui est appauvrie en porteurs de charge majoritaires et enrichie en porteurs de charge minoritaires au voisinage immédiat de la 5 surface) qui prolonge la jonction P-N initiale à l'intérieur du semi-conducteur. Ceci permet de faire varier le rapport de capacité dans une gamme beaucoup plus grande que celle que permettent d'obtenir les condensateurs variables classiques à semi-conducteurs. De plus, la prolongation de la jonction P-N 10 peut être obtenue d'une manière pratiquement instantanée, assurant ainsi une double valeur de la capacité. Décrit d'une manière résumée, le condensateur de capacité variable en fonction de la tension conforme à un mode de réalisation préférentiel de l'invention comprend une plaquette de 15 semi-conducteur d'un type de conduction déterminé avec une région du type de conduction opposé qui est diffusée à l'intérieur d'une première partie de la plaquette et s'étend à une profondeur prédéterminée en dessous d'une face de celle-ci. Des moyens de conduction, isolés électriquement, sont disposés au-20 dessus de l'une des faces de la plaquette sur une seconde partie de celle-ci, avec un bord chevauchant la première partie de la plaquette. Des moyens sont prévus pour appliquer un potentiel électrique de commande variable aux moyens de conduction précités et à la plaquette , de manière à permettre la formation d' 25 une couche superficielle d'inversion dans la plaquette en dessous des moyens de conduction. On connecte des moyens de sortie à la région de type de conduction opposé et sur le reste de la plaquette en vue d'obtenir une capacité de sortie variable. L'invention, en ce qui concerne l'agencement et le procédé 30 opératoires, conjointement avec d'autres de ses buts et de ses avantages, sera mieux comprise si l'on se reporte à la description suivante effectuée en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe d'un mode de réalisation de l'in-35 vention dans lequel une tension de commande appliquée est soit nulle, soit inférieure à un seuil d'amplitude prédéterminé ; - la figure 2 est une coupe du mode de réalisation de l'invention représenté par la figure 1 dans lequel est appliquée une différence de potentiel supérieure à un seuil d'amplitude prédé- 40 terminé ; 69 34706 3 2020337 - la figure 3 représente graphiquement le mode de fonctionnement du dispositif représenté par les figures 1 et 2 dans diverses conditions électriques et - la figure 4 est une coupe d'un autre mode de réalisation 5 de l'invention. La figure 1 représente une plaquette 10 d'un semi-conducteur tel que le silicium, comprenant une couche support 11 fortement dopée, d'un certain type de conduction et une épaisseur 12 moint fortement dopée de ce même type de conduction. La 10 plaquette ÎO peut constituer un élément indépendant ou une partie d'uri circuit intégré. A titre illustratif, on supposera que le type de conduction considéré est le type P, de sorte que la région 11 la plus fortement dopée est désignée par P+ et la 15 région 12 la moins fortement dopée est désignée par P . D'une manière typique, la région 12 est formée par croissance épitaxia le sur la région 11 et est dopée à un niveau se traduisant par une résistivité de l'ordre de 10 ohms-centimètres. On effectue un dépôt épitaxial en plaçant une source de silicium tout contre 20 la couche-support 11, en chauffant la source et la couche-support, la couche-support étant chauffée à une température plus élevée que la source, et en soumettant le système à une atmosphère de vapeur d'iode de manière à obliger le silicium de la source à se déposer et à croître épitaxialement sur le semi-25 conducteur de la couche-support 11. Dans ce procédé, la source contient des impuretés de type P selon une concentration qui assure que le dépôt à croissance épitaxiale de la région 12 présente line résistivité de l'ordre de 10 ohms-centimètres. On peut employer, d'une manière typique, comme impuretés du type 30 accepteur : le bore, l'aluminium, le gallium et l'indium. Une couche isolante mince 15, pour laquelle il est avantageux d'utiliser de la silice, est ensuite formée sur la surface supérieure de la couche de silicium 12, par exemple par croissance thermique sous atmosphère oxydante jusqu'à atteindre une 35 épaisseur typique de l'ordre de l.OOO à 1.200 angstrôms. Une couche 17 de métal, tel que du molybdène, est déposée ensuite par évaporation sur la surface supérieure d'une partie de la couche isolante 15 et une ouverture 16 est gravée dans cette couche de métal suivant des techniques photolithographiques 40 classiques utilisant des composés photorésistants. Si on le dési 34706 4 2020337 re l'ouverture 16 peut en outre être gravée à travers la couche isolante 15 jusqu'à la surface de la plaquette 10, de manière que la couche métallique 17, qui est ainsi isolée de la partie de la surface de la plaquette 10 sur laquelle elle est disposée, soit agencée de manière à avoir la même étendue que la couche isolante 15 au droit de l'ouverture 16. Une couche 18 de verre dopé est ensuite déposée sur la surface du dispositif. La couche 18 contient un dopant appartenant à un type de conduction déterminé qui est opposé à celui des dopants utilisés dans la plaquette de semi-conducteur 10. Dans l'exemple considéré ici, par conséquent, la couche 18 contient une impureté du type donneur, telle que le phosphore, et est appliquée par dépôt pyroly-tique d'orthosilicate d'éthyle et de phosphate de triéthyle 1' argon étant utilisé comme gaz porteur. A ce moment, le dispositif est chauffé à une température d'environ 1.150°C pendant environ une heure et demie en vue d'assurer la diffusion de l'impureté du type donneur à travers l'ouverture 16 vers l'intérieur de la couche de semi-conducteur 12 et de constituer une jonction P-N 19 définie par la surface de. séparation de la couche 12 et de la région 20 de type N ainsi obtenue par diffusion. L'épaisseur résultante de la région 20 de type N est typiquement d'environ 2 microns, tandis que son 19 niveau de dopage est de l'ordre de 10 atomes donneurs par centimètre cube . Il y a lieu de souligner qu'une partie de la région 20 s'étend en dessous du bord de la couche de molybdène 17. La couche de verre 18 est ensuite gravée à 1'acide fluor-hydrique tamponné comprenant de préférence 10 parties de solution de fluorure d'ammonium à 40 % pour 1 partie de solution d'acide fluorhydrique à 48 %, de manière à exposer une partie de la surface de la région 20 obtenue par diffusion et une partie de la surface de la couche de molybdène 17. Des couches d'aluminium 21 et 22 sont ensuite déposées par évaporation sur la surxacs c'u dispositif en vu-s de servir respectivement d'électrodes d3 contact électrique à la surface de la région 20 obtenue par diffi\sien et à la surface de la couche de îsolybdène 17 re s pec ti vement. La couche-sxipport. 11 est montée ensuite sur une plaque 14 conductrice de la chaleur, par exemple en molybdène, par l'intermédiaire d'une couche d'or 13. En vue de fixer solidement le. couche-support 11 sur la plaque d'évacuation de la chaleur 14, 69 34706 5 2020337 le dispositif est chauffé à la température de l'eutectique or-silicium. Cette température est suffisamment élevée pour produire un brasage qui assure une liaison de la couche d'or 13 et de la plaque de molybdène servant à l'évacuation de la chaleur. 5 Des conducteurs 24, 25 et 26 pour le raccordement électrique du dispositif respectivement à une commande, à une sortie et à une masse, peuvent être ensuite fixés aux couches d'aluminium 21 et 22 et à la plaque de molybdène d'évacuation de la chaleur 14, par exemple par thermocompression ou soudure aux ultra-sons. 10 En fonctionnement, la tension appliquée entre le contact 22 et la plaque d'évacuation de la chaleur 14 qui est reliée à la masse, est de préférence positive, avec les hypothèses faites ci-dessus sur les types de conduction des différentes régions du dispositif semi-conducteur 10. Cette tension tend à repousser 15 les porteurs de charges mojoritaires, ici des trous , en les éloignant de la surface de séparation entre le silicium et la silice directement vers le dessous du conducteur 17, formant une couche d'arrêt par appauvrissement dans le semi-conducteur 12 au voisinage de cette surface de séparation ; ceci veut dire que, 20 dans cette région, la concentration nette des porteurs de charge est considérablement inférieure à la concentration des ions accepteurs non compensés. Lorsqu'on augmente l'amplitude de la tension positive appliquée au contact 22, l'épaisseur de la région d'appauvrissement 25 en dessous du conducteur 17 augmente. Cette augmentation d'épaisseur n'a essentiellement aucun effet sur la capacité de la diode du , fait, qu'elle n'a .essentiellement „aucun. effet sur la région d'appauvrissement associee a la jonction P-N 19. Toutefois, lorsqu'on augmente encore davantage l'amplitude de 30 cette tension positive, «les porteurs de chargesminoritaires,ici des électrons, sont attirés vers la surface de la couche semi-conductrice 12, à la surface de séparation de la couche de silice 15. Il se produit ainsi un enrichissement en porteurs de charge minoritaires lorsque l'amplitude de la tension croît. Lorsque 1' 35 amplitude de la tension dépasse un niveau de seuil, les porteurs de charges minoritaires l'emportent en nombre sur les ions accepteurs non compensés. Dans la partie de matériau semi-conducteur où ce phénomène se produit, le type de conductivité de la substance est inversé ; en conséquence, la partie 23 de la cou-40 che de semi-conducteur 12 voisine de sa surface de séparation d' avec la couche de silice 15 prend le type de conduction N, comme 69 34706 6 2020337 on le voit sur la figure 2, et» du fait que le bord de la couche 17 chevauche une partie de la région de type N 20, se fond avec la région 20 de type N. De cette manière la région 20 de type N est amenée à se prolonger effectivement selon toute l'é-5 tendue de la couche de semi-conducteur 12 située en dessous du conducteur 17, augmentant fortement l'étendue de la jonction P-N 19 formée par la région 20 et la couche 12. L'accroissement d'étendue de la jonction P-N 19 se traduit par un accroissement de la capacité du dispositif. Réciproquement, lorsque l'ampli-10 tude de la tension appliquée au contact 22 diminue, moins nombreux sont les porteurs de charges minoritaires qui sont attirés vers la surface de la couche de semi-conducteur 12 à sa surface de -séparation d'avec la couche de silice 15, jusqu'à ce que la région 23 revienne à la conduction de type P. A ce mo-15 ment, la capacité présentée par le dispositif est à nouveau celle de la jonction P-N initiais 19, représentée sur la figure 1. Il y a lieu de souligner que l'amplitude de la tension positive appliquée au contact 22 peut être augmentée d'une façon pratiquement instantanée et jusqu'à une valeur suffisante pour 20 assurer l'augmentation de l'étendue de la jonction P-N 19, par exemple en appliquant un échelon de tension. D'une manière analogue, l'amplitude de la tension positive appliquée peut être diminuée d'une manière pratiquement instantanée pour la ramener à sa valeur initiale, ramenant ainsi l'étendue de la jonction 25 P-N à ses dimensions initiales. A cet égard, le dispositif est capable de fonctionner comme un condensateur à double valeur de la capacité. La figure 3 représente graphiquement les caractéristiques électriques d'un mode de réalisation typique du dispositif re— 30 présenté par les figures 1 et 2. On y a porté en abscisse la tension (en volts) appliquée à la région de la diode obtenue par diffusion et en ordonnée la capacité de la diode (en picofarads). On peut voir que, pour une tension positive donnée appliquée à la région obtenue par diffusion de la diode, la diode est pola-35 risée en sens contraire. Dans ces conditions, lorsqu'on a atteint une tension de + 0,25 volt par exemple, une augmentation de la tension VQ appliquée au contact 22 du dispositif,correspondant aux diverses valeurs portées sur la figure 3, produit une augmentation marquée de la capacité de la diode. Si la ten-40 sion VQ appliquée au contact 22 de la diode doit être comman 69 34706 2020337 dée d'une manière variable, la diode est de préférence utilisée avec une polarisation inverse appliquée à la jonction en vue d1 éviter l'augmentation de conductivité et en conséquence les pertes de puissance qui se produisent pendant le fonctionnement 5 avec une polarisation directe. Au contraire, si on maintient une tension constante appliquée au contact 22, la capacité de la diode varie avec la tension appliquée à sa jonction P-N conformément à la caractéristique relative à la tension particulière Vq appliquée au contact 22, de la capacité de la diode en 10 fonction de la tension appliquée à la région obtenue par diffusion. On obtient ainsi un taux maximal de variation de la capacité de la dio:de lorsque la tension positive appliquée à cette région obtenue par diffusion a une valeur pour laquelle le point de fonctionnement de la diode se place sur la partie à forte 15 pente de la caractéristique pour la valeur choisie de la tension appliquée au contact 22. Il y a lieu de souligner que la partie à forte pente de chacune des caractéristiques, pour une tension positive appliquée à la région obtenue par diffusion, représente la formation 20 ou au contraire l'élimination de la couche d'inversion 23. Les régions à pente progressive à chaque extrémité de chacune des parties à forte pente représentent les conditions dans lesquelles la couche d'inversion est dans les deux cas pratiquement élimina en totalité; ceci veut dire que la région supérieure-à pente preçrsr? 25 sive est atteinte lorsque la couche d'inversion est esseniieBeiaent formée en totalité et que la région inférieurs à pente progressive est atteinte lorsque la couche d'inversion est pratiquement éliminée en totalité. Dans ces conditions, il est évident que l'in vention fournit une valeur de sortie qui perrset de combiner la 30 capacité d'un condensateur variable à jonction P-N (telle qu'elle est représentée par la courbe correspondant à une tension V nulle appliquée au contact 22) et la capacité résultant du prolongement de l'étendue de la jonction P-N dû à la formation d® une couche d'inversion dans le dispositif» se traduisant parles 35 courbes représentées pour les tensions V appliquées au contact 22 ae + 0,75 , + 1,5 et + 2,5 volts. La figure 4 illustre un second mode de réalisation dans lequel la région d'inversion raccorde la jonction P-N originale à une jonction P-N relativement plus grande» Le dispositif 40 comprend ne région 20 de type N obtenue par diffusion à l'in 69 34706 8 2020337 térieur d1 une couche 12 de type P pour former une jonction P-N 19, comme dans le premier mode de réalisation, mais comprend aussi une seconde région 30, relativement plus grande, de typeN obtenue par diffusion dans la couche 12 de type P pour former 5 une jonction P-N 31. La région 30 de type N est formée en même temps que la région 20 de type N par diffusion à partir d'une couche de verre dopé 18. La région 20 est formée grâce à une seconde ouverture 29 gravée dans la couche de molybdène 17 en plus de l'ouverture 16. Les deux ouvertures 16 et 29 peuvent 10 être gravées à travers la couche de silice 15, si on le désire, de manière à permettre le dépôt de la couche de verre dopé 18 sur la surface de la plaquette 10. En fonctionnement, la partie de la couche 12 à la surface de celle-ci, qui est située directement en dessous du contact 27, 15 est inversée lorsque l'amplitude de la tension de commande dépasse une valeur de seuil prédéterminée. Il en résulte que la région 30 de type N est reliée par conduction à la région 20 de type N à travers la région inversée, ce qui donne naissance à une jonction P-N globale qui comprend le prolongement des 20 jonctions 19 et 31 conjointement avec celle formée entre la région inversée et la couche 12 de type P. En utilisant une région 30 de type N dans ce mode de réalisation, la résistivité de l'ensemble de la région de type N pendant l'inversion est inférieure à celle du mode de réalisation précédent, ce qui se 25 traduit par une réduction de la composante résistive du courant traversant le circuit de sortie du condensateur. La description qui précède concerne un condensateur de capacité variable en fonction de la tension présentant une large gamme de variation de la capacité avec la tension appliquée. Le 30 condensateur comprend une diode à jonction en matériau semiconducteur dans laquelle on peut accroître l'étendue de la jonction P-N initiale en créant une couche d'inversion dans le matériau semi-conducteur, permettant à la capacité de la jonction P-N d'être combinée à la capacité résultant de 1 ' augnien-35 tation de l'étendue de la jonction P-N. De plus, le condensateur est susceptible d'être commuté de façon pratiquement instantanée d'une valeur de la capacité à une autre. Comme il va de soi.et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses 40 modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 34706 9 2020337 REVENDICATIONS 1. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension ,caractérisé en ce qu'il comprend une plaquette de matériau semi-conducteur d'un premier type de conduction contenant une 5 jonction P—N, ayant une étendue prédéterminée sur cette plaquette, cette jonction P-N étant définie par une région de conduction d'un deuxième type opposé au premier et formée dans ledit semi-conducteur du premier type, des moyens pour produire d'une manière contrôlable une couche d'inversion dans la partie de la 10 plaquette du premier type, cette couche d'inversion s'étendant à 1'intérieur de la région du deuxième type de manière à se fondre avec elle,* et des moyens couplés à la plaquette de chaque côté de la jonction P-N pour permettre de prélever électriquement la capacité aux bornes de cette jonction P-N. 15 2. Condensateur de capacité variable en fonction de. la tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens précités pour produire d'une manière contrôlable une couche d'inversion comprennent des moyens fixés à la plaquette de matériau semi-conducteur pour établir un champ électrique dans 20 ladite plaquette. 3. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension., selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens fixés à la plaquette de matériau semi-conducteur comprennent des moyens d'isolation disposés sur la surface de la plaquette et des moyens 25 de conduction disposés sur la surface desdits moyens de conduction, ces moyens de conduction chevauchant la. surface de la région du deuxième type de conduction. 4. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension, selon la revendication 3, caractérisée en ce que le ma- 30 tériau semi-conducteur est constitué par du silicium, les moyens d'isolation sont constitués par de la silice et les moyens de conduction sont constitués par une couche de métal. 5. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le métal 35 est du molybdène. 6. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de conduction isolés disposés sur la première surface précitée de la plaquette selon une troisième partie de cette 40 plaquette, ces moyens de conduction étant placés de manière qu' 69 34706 10 2020337 au moins un de leurs bords chevauche la première partie précitée de la plaquette et qu'au moins un autre de leurs bords chevauche la seconde partie précitée de la plaquette, des moyens pour 1' application d'un potentiel électrique de commande variable à 5 ces moyens de conduction et à la plaquette de manière a produire une couche d'inversion superficielle dans la plaquette en dessous des moyens de conduction, lorsque l'amplitude de ce potentiel s'élève au-dessus d'une valeur prédéterminée, et des moyens d'établissement de circuits connectés auxdites régions 10 du deuxième type de conduction et au reste de la plaquette de manière qu'elle présente une capacité de sortie qui varie lorsqu'on fait varier le potentiel électrique de commande appliqué. 7. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension, selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il com- 15 prend des moyens d'isolation électrique entre les moyens de conduction précités et la première surface précitée de la plaquette. 8. Condensateur de capacité variable en fonction de la tension, selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pla- 20 quette de semi-conducteur est constituée par du silicium et les moyens d'isolation électrique sont constitués par de la silice.