Brevet FR2025792A1 — publié le 19700911

l'invention concerne un convertisseur de signal à l'état solide dont une caractéristique électrique se modifie en réponse à un signal de pression mécanique; c'est-à-dire qu'il s'agit d'un dispositif semi-conducteur sensible à la pression, et plus particulière-5 ment d'une triode à résistance négative possédant une structure à quatre couches, par exemple une structure à jonctions p-n-p-n ayant une électrode de commande pour commander sa"tension électrique de coupure. d'est un fait "bien connu que, dans un dispositif comportant 10 une jonction semi-conductrice p-n ou une jonction redresseuse formée par un contact entre un semi-conducteur et un métal particulier, c'est-à-dire une jonction dite à barrière de Schottky, le dispositif présente une caractéristique telle que sa caractéristique de redressement se modifie quand une pression mécanique est appliquée 15 à ladite jonction; autrement dit, le dispositif possède une caractéristique de sensibilité à la pression. Plus spécialement, le susdit dispositif à jonction du type barrière de Schottky a -une bonne sensibilité de réponse à la pression. D'autre part, un dispositif redresseur ayant une structure à 20 quatre couches, par exemple une structure à jonctions p^-n^-pg-ng, couramment dénommé "thyristor", est un dispositif dans lequel une électrode de commande servant à régler sa tension électrique de coupure est construite par un contact ohmique formé sur une surface de la couche n^ ou de la couche Pg» et dans un tel dispositif la 25 commande de la caractéristique de redressement, en particulier de la tension électrique de coupure, s'effectue en appliquant un signal électrique à cette électrode de commande. Donc, dans le passé, on ne connaissait pas une telle méthode permettant de réaliser le réglage de ladite caractéristique de redressement au moyen d'un si-30 gnal mécanique. On a découvert qu'il est possible de réaliser un intéressant dispositif sensible à la pression en formant une électrode à barrière de Schottky sur une surface de la couche n^ dudit dispositif redresseur à structure à quatre couches comme électrode de commande 35 et en appliquant une pression à cette électrode. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif redresseur à structure à quatre couches et possédant des caractéristiques de sensibilité à la pression. Un autre but de l'invention est de réaliser un procédé permet-40 tant de produire facilement un tel dispositif ayant une structure à 69 42571 2 2025792 quatre couches. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin ci-armexé, lesquels complément et dessin concernent différents modes 5 de réalisation de l'invention choisis à titre d'exemples non limitatifs et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figo 1, de ce dessin, est un schéma illustrant le principe de l'invention; la fig. 2 donne une série de courbes caractéristiques d'un 10 dispositif selon l'invention; on a porté en ordonnées l'intensité de courant cathodique en milliampères, et on a porté en abscisses la tension cathodique en volts; la fig. 3, enfin, montre schématiquement en coupe, à une échelle agrandie, un dispositif réalisé conformément à l'invention. 15 On réalise un dispositif selon l'invention (fig. 1) en formant une région 2 de type n sur un support semi-conducteur 1 de type p (ce qui constitue respectivement les deux régions n^ et Pg)» en formant des jonctions respectivement sur les susdites régions, à savoir en formant une région 3 de type p sur la susdite région 2 de 20 type n et en formant une région 4 de type n (ng) sur la surface dorsale dudit support 1 semi-conducteur de type p (région Pg)» en . déposant une pellicule métallique 5 pour former une barrière de Schottky sur la portion superficielle de la susdite région 2 de type n et en établissant des moyens presseurs 6 pour appliquer une 25 contrainte mécanique à la barrière de Schottky. Ensuite, dans le dispositif représenté fig. 1, la région 3 (p^) est maintenue au potentiel de la terre au travers d'une électrode métallique ohmique 7 appliquée sur cette région, la susdite électrode 5 à barrière de Schottky est maintenue à un potentiel négatif par une source d'é-30 nergie électrique 9, et "une tension de polarisation est appliquée au circuit parcouru par le courant principal, c'est-à-dire p^n^p par une source d'énergie électrique 10 au travers d'une région 4 de type n (n^), de sorte qu'une jonction entre la région 3 (p^) et la région 2 (n^) est polarisée dans le sens direct (conducteur) tandis 35 qu'une jonction entre la région 1 (pg) et la région 2 (n^) est polarisée dans le sens inverse (non conducteur). Dans cet état, si une pression est appliquée à la barrière de Schottky établie sur la région 2 (n^) à partir de la surface supérieure de la pellicule métallique 5 par les moyens- presseurs 6, le courant de sens inverse 40 passant au travers.de ladite barrière de Schottky, c'est-à-dire le 69 42571 3 2025792 courant de porte faisant fonctionner le thyristor, augmente et le dispositif entre dans l'état conducteur. Pour décrire ce phénomène plus en détail, étant donné que le dispositif à structure à quatre couches de ce mode de réalisation est polarisé au travers de la 5 barrière de Schottky, la quantité de trous injectés à partir de la région 3 (p^) vers la région 2 (n^) augmente par application d'une pression à ladite barrière de Schottky, avec 'pour résultat que le dispositif atteint facilement l'état conducteur par ladite action conjointement avec l'injection d'électrons à partir de la région 4 10 (ng). La différence marquée entre le dispositif faisant l'objet de l'invention et le dispositif du type thyristor à quatre couches classique, est que le signal de déclenchement est un signal mécanique constitué par une contrainte appliquée au susdit dispositif faisant l'objet de l'invention. 15 La fig. 2 donne une série de courbes caractéristiques de sen sibilité typique à la pression établies sur un dispositif réalisé selon l'invention, et dans ce dispositif la tension électrique de coupure diminue au fur et à mesure qu'augmente la pression P appliquée aux moyens presseurs 6. 20 Un exemple de dispositif effectivement réalisé conformément à l'invention est décrit ci-après en se référant à la fig. 1. On prépare une plaquette 1 de silicium de type p ayant une ré- sistivité d'environ 10 ohms-cm et une épaisseur de 150 microns, et on y fait croître une couche 2 ayant une conductivité de type n par 25 la méthode d'épitaxie classique. On forme cette couche 2 par dopage au phosphore jusqu'à une épaisseur de 5 microns, avec une résisti- vité de 1,5 ohm-cm. Ensuite, on dépose une pellicule 8 d'oxyde sur la surface de la couche 2 formée par étâtaxie; cette pellicule at- o teint une épaisseur d'environ 5000 A et s'obtient, par exemple, par 30 décomposition de siloxane à basse température; on ouvre une fenêtre prédéterminée en vue d'une diffusion dans la pellicule, et on fait diffuser du bore jusqu'à une profondeur d'environ 3 microns au travers de la fenêtre pour former la rigion 3 de type p (p^). En ce qui concerne la région 4 de type n (n^) sur la surface dorsale du 35 support 1 de type p, on forme une couche par diffusion de phosphore jusqu'à une épaisseur d'environ 5 microns. On ouvre ensuite une fenêtre dans la pellicule d'oxyde 8 sur la susdite couche 2 de type n formée par épitaxie et on dépose une pellicule métallique 5 de molybdène jusqu'à une épaisseur d'environ 0,2 micron par la méthode 40 de pulvérisation pour former la barrière de Schottky entre la couche 69 42571 4 2025792 inférieure 2 formée par épitaxie et la pellicule 5. Une électrode ohmique 7 constituée par une pellicule d • aluminium formée par éva-. poration est établie sur la surface de la région 3 (p^), puis une pellicule d'or (non représentée) formée par évaporation est appli-5 quée sur la surface supérieure de ladite pellicule métallique 5 en molybdène et de ladite électrode ohmique 7 pour améliorer la connexion au fil métallique conducteur extérieur respectivement correspondant . Le dispositif semi-conducteur étant ainsi construit, une pola-10 risation est appliquée entre n^ et p^ par la source d'énergie électrique 9 de façon que ladite jonction soit polarisée dans le sens direct ou conducteur (par conséquent, la barrière de Schottky constitue une jonction polarisée dans le sens inverse, ou non conducteur) au travers de l'électrode métallique 5 de la barrière de 15 Schottky, et d'autre part une pression P est appliquée à ladite portion de barrière de Schottky par des moyens presseurs pour ap-' pliquer une contrainte mécanique, par exemple avec tin élément pres-seur constitué par une aiguille de saphir dont l'extrémité en pointe a un. rayon de courbure de 50 microns, tout én appliquant une 20 tension électrique prédéterminée entre p^p^g par la source d'énergie électrique 10 pour polariser en sens inverse ou non conducteur la jonction entre la région 1 (p^) et la région 2 (n^ ). Les courbes caractéristiques représentées fig. 2 expriment la câraété-riôtique de sensibilité à la pression en fonction de l'intensité de 25 courant cathodique pour le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus; la pression P est représentée par un poids de charge exprimé en grammes (g). De l'examen de la fig» 2, il ressort que la tension électrique de coupure diminue au fur et à mesure qu'augmente la contrainte mécanique appliquée à la barrière de Schottky. 30 Si un dispositif ayant une telle caractéristique est monté dans un circuit, ce circuit peut être mis en position de "arrêt" ou de "marche" selon la contrainte appliquée à la barrière de Schottky. 0e dispositif fonctionne comme un interrupteur électronique. Bien que le susdit mode de réalisation ait été décrit comme étant un 35 dispositif ayant une structure p-n-p-n, l'invention est applicable en principe à un dispositif ayant une structure n-p-n-p. On décrit ci-après, avec son mode de production, une autre structure p-n-p-n qui peut être fabriquée plus aisément et qui constitue un autre mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 40 correspondant est représenté fig. 3. 69 42571 5 2025792 D'abord, "une couche 12 comportant comme impureté du phosphore 16 3 à une concentration de 5 x 10 atomes/cm est admise à croître par épitaxie jusqu'à une épaisseur d'environ 5 microns sur une plaquette 11 en silicium de type p avec une densité superficielle d'impu-5 retés d'environ 1 x 10^ atomes/cm^. Une région 13 de type p ayant une forme désirée est ensuite formée dans la susdite couche 12 que l'on a fait croître par épitaxie; on forme cette couche 13 jusqu'à une profondeur d'environ 4 microns par diffusion sélective d'une impureté acceptrice. Ensuite, une pellicule isolante 14 (habituel-10 lement, une pellicule d'oxyde de silicium) est déposée sur la surface du semi-conducteur, et des fenêtres pour former des électrodes sont ouvertes dans la pellicule dans des emplacements correspondant à des portions prédéterminées de la surface de ladite couche 12 formée par épitaxie et de la surface de la région 13, respective-15 ment; chacune de ces surfaces du semi-conducteur se trouve ainsi exposée à nu au travers de chaque fenêtre. On forme ensuite une pellicule 15 de molybdène métallique par la méthode de pulvérisation sur la surface de ladite couche de type n formée par épitaxie afin d'y former la barrière de Schottky, et on forme -une électrode 20 ohmique 16 sur la surface de ladite région 13 de type p en évaporant, par exemple, un alliage or-chrome dont la teneur en chrome est de 3 à 15 Ensuite, la surface dorsale de la susdite plaquette 11 de silicium est thermiquement soudée à un socle 18 par interposition d'une couche 17 en alliage or-antimoine. Un alliage d'or 25 contenant en poids de 1 à 5 d'antimoine convient comme alliage or-antimoine à utiliser pour cette opération de soudure thermique, et, par exemple, après avoir évaporé le susdit alliage d'or sur ledit support 11 (plaquette de silicium), on soude thermiquement ce support 11 au socle 18. A ce moment, une région 19 de jonction avec 30 l'alliage se forme sur la suif ace dorsale de la plaquette 11-. la température la plus convenable est celle pour laquelle l'antimoine contenu dans l'alliage devient l'impureté du type donneur, et la région 19 de jonction avec l'alliage sert alors de source d'émission d'électrons dans une direction conductrice. 35 Ce dispositif semi-conducteur a la structure du silicium p-n- p-n, et quand une contrainte est appliquée à la barrière de Schoti&y établie sur la surface de la région 12 de type n au moyen d'un organe presseur tel par exemple qu'une aiguille de saphir dont la pointe a un rayon de courbure de 50 microns, il présente une carac-40 téristique de sensibilité du courant cathodique à la pression 6 69 42571 2025792 analogue à celle représentée fig. 2. Les références 21, 22 et 23 (fig. 3) représentent respectivement des fils métalliques conducteurs connectés à la région 13 de type p, à l'électrode de Schottky 15 (dénommée aussi "porte sensible à la pression") et à la région 5 19 de jonction avec l'alliage. Quand une polarisation est appliquée aux portions de jonctions respectives comme le montre la fig„ 1, le dispositif fonctionne à la manière d'un thyristor. Bien que ce mode de réalisation ait été décrit comme constituant un dispositif ayant une structure p-n-p-n, à peu près le même 10 mode opératoire est en principe applicable au cas d'-un dispositif ayant une structure n-p-n-p. Dans ce dernier cas, on utilise de préférence du niobium à la place du molybdène pour constituer la pellicule métallique 15 servant à former la barrière de Schottky, étant donné que la base est le support de type p, et quand on uti-15 lise un alliage or-gallium contenant en poids de 4 à 10 5» de gallium comme métal thermiquement fondu pour former l'électrode de jonction avec l'alliage à la place de l'alliage or-antimoine, le dispositif peut alors être facilement produit sans changer le mode opératoire de fabrication. 20 On peut résumer l'invention comme suit; elle concerne : 1°) un dispositif semi-conducteur sensible à la pression caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement : une structure à quatre couches telle qu'une structure p-n-p-n ou une structure n-p-n-p construite en formant l'une après l'autre des régions semi-25 conductrices ayant un type de conductivité opposé; une jonction à barrière redresseuse constituée par un contact métal-semi-conduc-teur et qui est formée sur une portion superficielle d'une région autre que la région la plus extérieure de ces quatre couches; et des moyens presseurs appliqués à ladite jonction à barrière redres-30 seuse; 2°) un procédé pour la fabrication du susdit dispositif semiconducteur sensible à la pression ayant une structure-à quatre couches p-n-p-n ou n-p-n-p, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à former ladite jonction à barrière redresseuse sur 35 une surface d'une région autre que la région la plus extérieure; et à fondre thermiquement une surface d'une autre région autre que la région la plus extérieure sur un socle par interposition d'un alliage or-antimoine ou d'un alliage or-gallium, la région la plus extérieure étant formée au cours de cette opération de fusion thermique. 40 Un dispositif réalisé selon l'invention est une triode à 69 42571 7 2025792 résistance négative avec électrode de commande ayant une caractéristique de sensibilité à la pression, et, en ce qui concerne le mode opératoire de fabrication du dispositif, la région n^ peut être formée en même temps que l'on fixe le dispositif sur un socle 5 la fabrication du dispositif est donc très facile, et ses possibi-- lités d'applications sont très nombreuses. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux des modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses 10 diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 42571 8 2025792 REVENDICATIONS 1 --Dispositif semi-conducteur sensible à la pression, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement : une jonction à "barrière redresseuse ("barrière de Schottky) constituée par un contact 5 métal-semi-conducteur et formée sur une portion superficielle d'une région qui n'est pas la plus extérieure d'une structure à quatre couches de régions semi-conductrices ayant successivement des con-ductivités de type opposé; et des moyens pour appliquer une pression sur ladite jonction à "barrière redresseuse. 10 2 - Procédé pour la réalisation d'un dispositif semi-conduc teur sensible à la pression ayant une structure à quatre régions p-n-p-n, ces quatre régions étant empilées, et ce dispositif comportant une jonction à barrière de Schottky constituée par un contact redresseur métal-semi-conducteur au niveau d'une région de la 15 structure qui n'est pas la région la plus extérieure et des moyens pour appliquer une pression à ladite jonction à barrière, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement î à appliquer une couche d'alliage or-antimoine à une surface d'une région de type p qui n'est pas la plus extérieure; et à former la ré-20 gion la plus extérieure de type n au cours de l'opération de fusion de la surface à un socle métallique par des moyens de fusion thermique • 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce què 11 on utilise un alliage or-antimoine contenant en poids de 1 à 5 fi 25 d'antimoine. 4 - Procédé pour la réalisation d'un dispositif semi-conducteur sensible à la pression ayant une structure à quatre régions n-p-n-p, ces quatre régions étant empilées, et ce dispositif comportant une jonction à barrière de Schottky constituée par une jone- 30 tion redresseuse métal-semi-conducteur au niveau d'une région de la structure qui n'est pas la région la plus extérieure et des moyens pour appliquer une pression à cette jonction à barrière, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à appliquer une couche d'alliage or-gallium à une surface d'une ré-35 gion de type n qui n'est pas la plus extérieure; et à former la région la plus extérieure de type p au cours de l'opération de fusion de la surface à un socle métallique par des moyens de fusion thermique. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 40 l'on utilise un alliage or-gallium contenant en poids de 4 à 10 fi de gallium. 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