Brevet FR2019192A1 — publié le 19700626

i 2019192 La présente invention concerne un support pour des composants à semi-conducteurs, permettant d'améliorer leurs propriétés électriques et leur durée de vie. Dans les composants à semi-conducteurs connus, la partie 5 active de chaque composant, par exemple la jonction p-n de diodes à semi-conducteurs, se trouve partiellement à la surface du cristal semi-conducteur, si bien qu'elle est mal protégée contre les impuretés et les influences perturbatrices de l'atmosphère ambiante. Il en résulte qu'une stabilité suffisamment durable . 10 n'est pas assurée pour les paramètres électriques du composant. D'autre part, la durée de fonctionnement des composants à semiconducteurs, par exemple des diodes à semi-conducteurs, est limitée par leur élévation de température en fonctionnement, / d'autant plus que, dans de nombreux cas (par exemple pour les 15 composants à l'arséniure de gallium), l'action nuisible de l'atmosphère ambiante augmente en même temps que la température. Pour clore et/ou améliorer les propriétés électriques des composants électriques, il est connu de les recouvrir au moins partiellement avec une composition vitreuse (voir le brevet 20 allemand 1 179 277). Ces verres, à bas point de ramolissement, doivent adhérer plastiquement sur la surface à recouvrir du composant. En raison de la conductibilité thermique relativement faible du verre, l'évacuation de la chaleur dégagée pendant le fonctionnement du composant à semi-conducteurs, est cependant 25 insuffisante. D'autre part, au ramolissement du verre, il peut y avoir rupture de chaînes moléculaire ou d'autres structures réticulées,existant dans le verre, si bien qu'il y a libération locale d'ions (voir par exemple l'article de H. Krebs, intitulé "Uber • den strukturellen Aufbau von Glâsern", paru dans la revue 30 " Angewandte Ghemie", 78, 1966, N° 11, pages 577 à 587).Ces ions peuvent se placer par exemple dans le champ électrique d'une diode, sur la surface de cette dernière, de telle façon qu'il y a formation, sur la surface de la diode, d'un canal de conductibilité opposée à celle de la substance de base, et qu'un courant 35 inverse inadmissiblement élevé prend naissance. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients, et d'améliorer les propriétés électriques et la durée de vie des composants à semi-conducteurs, de telle sorte qu'elles présentent une stabilité de longue durée. 40 Le support selon la présente invention est du type indi- 69 33106 2 2019192 quê initialement, et il est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement un élément principal d'une substance électriquement et thermiquement conductrice, dont au moins la face tournée vers le composant à semi-conducteurs est recouverte par une mince 5 couche électriquement isolante, et adhérente. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, on a constaté que la durée de fonctionnement des composants à semi-conducteurs est limitée par leur élévation de température en cours de fonctionnement, auquel une action nuisible de l'atmosphère ambiante est 10 liée dans de nombreux cas, par exemple dans le cas des diodes à électroluminescence, à l'arséniure de gallium. La présente invention repose sur le fait qu'il est possible d'éliminer ces influences si l'on parvient à munir d'un support de dimensions appropriées, au moins la partie active du composant à semi-conduc-15 teurs, c'est-à-dire sa partie où la plus grande quantité de chaleur est dégagée en fonctionnement, par exemple la jonction p-n de diodes à semi-conducteurs. Les conditions suivantes doivent être imposées à un tel support: il doit présenter une conductibilité thermique élevée. Il doit être composé de zones électrique-20 ment conductrices et électriquement isolantes. Les coefficients de dilatation des différentes zones doivent coïncider le mieux possible avec celui du composant à semi-conducteurs. Les différentes parties doivent pouvoir être amenées en contact intime, de manière que la jonction présente une solidité mécanique suf-25 fisante et un bon contact thermique. On a constaté qu'il est particulièrement avantageux d'utiliser un métal, de préférence du tantale, comme substance électriquement et thermiquement conductrice pour l'élément principal du support. Le tantale satisfait à toutes les condi-30 tions .indiquées ci-dessus et, d'autre part, il est susceptible de fixer des constituants particuliers de l'atmosphère, tel que l'oxygène, et de les écarter ainsi certainement du composant à semi-conducteurs. .Dans le choix de la substance pour l'élément principal 35 du support, il est souvent avantageux de recourir à la disposition suivante , en vue de l'adaptation du coefficient de dilatation thermique à celui de la substance du composant à semi-conducteurs : l'élément principal du support est constitué par au moins deux couches de substance ayant des conductibilités électriques 40 et thermiques différentes. De préférence, l'élément principal 69 33106 3 2019192 du support est constitué par au moins deux couches métalliques. Une couche de tantale, recouverte d'une couche de cuivre, convient de préférence comme substances pour l'élément principal du support. 5 Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche mince, électriquement isolante, qui recouvre au moins la face de l'élément principal du support, tournée vers le composant à semi-conducteurs, est une couche d'oxyde, de préférence une couche d'un oxyde d'un métal constituant l'élément principal 10 du support. Comme substances pour l'élément principal du support, on envisage, en plus du tantale, qui est préféré, d'autres métaux également, par exemple le titane. Il est important que les métaux utilisés pour l'élément principal du support présentent des pro-15 priétés avantageuses, analogues à celles du tantale. Parmi ces propriétés, particulièrement avantageuses, figurent une conductibilité thermique élevée, un coefficient de dilatation du métal et de son oxyde, analogue à celui de la substance semi-conductrice, T une oxydabilité relativement aisée du métal, qui permet de former 20 des couches d'oxyde adhérentes, si bien que la jonction entre la couche métallique et la couche d'oxyde présente une solidité mécanique suffisante et assure un bon contact thermique. Il est d'autre part avantageux de donner à l'élément principal du support la forme d'une plaque, de manière à pouvoir 25 réaliser ledit support par la technique planar. Le tantale est également préféré pour ce procédé de fabrication., car on peut déposer sur ce métal une couche adhérente d'oxyde de tantale, qui forme une couche électriquement isolante de très bonne qualité. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, 30 l'élément principal du support, qui est recouvert par une couche électriquement isolante, est divisé en plusieurs parties, isolées les unes par rapport aux autres. Cette forme de réalisation est surtout avantageuse dans le cas où plus de deux zones, dopées différemment, du composant à semi-conducteurs porté par le support, 35 se trouvent à des potentiels électriques différents, et doivent donc être isolées, comme c'est le cas par exemple pour les transistors. Si le composant à semi-conducteurs considéré est par exemple une résistance ou une diode, les contacts électriques 40 sont alors déposés avantageusement sur la couche électriquement 69 33106 4 2019192 isolante. Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, au moins un contact électrique du composant est placé sur la couche électriquement isolante, et au moins un autre contact électrique est relié à l'élément principal du support, à 5 travers ladite couche isolante. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement sur les figures 1 à 4 du dessin annexé plusieurs formes de réalisation préférées de l'invention. Sur les figures, les éléments homologues sont désignés 10 par les mêmes références. La figure 1 représente en coupe un support selon la présente invention, pour des composants à semi-conducteurs. L'élément principal 3 du support, en une substance électriquement et thermiquement conductrice, est recouvert, sur sa face tournée 15 vers le composant à semi-conducteurs 1, par une couche électriquement isolante, adhérente, 2. , La figure 2 représente en coupe une diode à électroluminescence, portée par un support selon la présente invention. La diode à électroluminescence 1 est constituée par deux zones 20 de dopages opposés, une zone dopée du type n, 4, et une zone dopée du type p,5, par exemple dans un cristal-hôte en arséniure de gallium. La zone 4 à dopage n a été représentée sur la figure sous la forme d'une pastille. Pour réduire les pertes par réflé-xion de la lumière, qui est produite dans la diode à électrolumi-25 nescence, et qui en sort par sa zone 4, il s'est révélé avantageux de donner à cette zone 4 une forme géométrique spéciale, connue, à un autre point.de vue, sous la désignation de "géométrie de Weierstrass". La zone 4 est alors constituée par une partie cylindrique suivie par une partie hémisphérique; la hauteur de la 30 partie cylindrique est égale au quotient du rayon de la partie hémisphérique par l'indice de réfraction de la substance semi-conductrice utilisée. Grâce à cette géométrie, on parvient à ce que le rayonnement produit dans le cristal semi-conducteur en sorte à peu près parallèlement, et verticalement, vers le haut, et 35 à ce qu'il ne subisse que de faibles pertes par diffusion. L'élément principal 3 du support est muni, sur sa face tournée vers la diode à électroluminescence 1, d'un élément de contact en nickel, 6, aboutissant à la zone 5 de la diode 1, et entouré par une couche 2 d'un oxyde du métal utilisé, notamment le tantale. Sur 40 cette couche 2 est déposée une couche de nickel-chrome 7, qui 69 33106 5 2019192 entoure, à une certaine distance, le contact de nickel 6, et dont la face tournée vers la diode 1 est de préférence dorée. Le mince film d'or correspondant a été désigné par 8 sur la figure 2. Le contact de nickel 6 est réuni à la zone 5 de la 5 diode par une mince couche d'étain 9, tandis que la couche de nickel-chrome, dorée, 7 est réunie à la zone 4 de la diode 1 par une mince couche d'étain 9. On a trouvé avantageux de souder le contact de nickel 6 sur l'élément principal 3 du support. Le contact de nickel 6 10 peut cependant être également déposé sur l'élément principal 3 du support par exemple par soudage ponctuel, ou bien par une opération de dépôt par êlectrolyse ou par évaporation sous vide du nickel. Pour cela, on recouvre la surface du tantale avec laquelle aucun contact ne doit être établi, de façon connue, avec une 15 couche de laque photosensible dans le cas du soudage ponctuel, et avec un masque approprié dans le cas du dépôt par une opération d'êlectrolyse ou d'évaporation sous vide. La couche 2 d'oxyde de tantale qui entoure le contact de nickel 6 est de préférence oxydée thermiquement, et l'oxyde de nickel qui est alors formé 20 sur la surface du contact de nickel 6 est réduit dans une atmosphère d'hydrogène. Il peut- cependant être également avantageux de déposer la couche d'oxyde de tantale par voie électrolytique sur l'élément principal 3 du support, constitué de préférence en tantale. Dans le cas de ce procédé, le contact métallique 6, 25 constitué de préférence en nickel, n'est déposé par évaporation sur l'élément principal du support en tantale, qu.'après le dépôt de la couche d'oxyde de tantale 2,à l'emplacement prévu, dégagé par corrosion. La couche de nickel-chrome 7, qui entoure le contact 30 de nickel 6,est déposée de préférence par évaporation sous vide sur la couche d'oxyde de tantale 3, puis dorée, de manière à présenter une épaisseur telle que la surface du contact de nickel et celle de la couche de nickel-chrome, dorée, se trouvent dans un même plan. Si par exemple le contact de nickel 6 s'élève de 15 y 35 au dessus de la surface de l'élément principal 3 du support, de préférence en tantale, l'épaisseur totale des couches 2,7 et 8 doit être également de préférence de 15y , la couche d'oxyde de tantale 2 représentant l'essentiel de l'épaisseur totale, tandis' que le film d'or 8 n'a pas une épaisseur supérieure à environ 40 O»1 & ly. 33106 6 2019192 Ensuite, on soude les deux surfaces de contact, isolées l'une de l'autre, et situées de préférence dans un même plan, aux deux surfaces de contact, étamées, et situées dans un même plan, 9 de la diode, et l'on munit la surface de contact 8 d'une amenée 5 de courant 10. L'autre amenée de courant peut être formée directement par l'élément principal 3 du support, en tantale, et par le contact de nickel 6. La figure 3 représente un autre composant à semi-conducteurs, connu sous le nom d'"oscillateur de Gunn", qui est muni 10 d'un support suivant la présente invention. L'oscillateur de Gunn 1 est composé par une zone semi-isolante 11 et par une zone à dopage du type n, 12, faisant partie de préférence d'un cristal d'arséniure de gallium. La face, tournée vers le composant 1, de l'élément principal 3 du support, constitué par un métal, de 15 préférence du tantale, est pourvue d'un contact métallique 6, de préférence en nickel, aboutissant à la zone 12 de la diode, ainsi que d'une couche 2 d'un oxyde du métal utilisé, de préférence du tantale, qui entoure le contact 6. Sur cette couche 3 a été déposée une couche 7, de préférence en nickel-chrome, qui entoure le 20 contact de nickel 6 à une certaine distance, et dont la face tournée vers le composant 1 est de préférence dorée. Cette mince couche d'or a été désignée par la référence 8. Le contact de nickel 6 est réuni à la- zone 12 de la diode par une mince couche d'étain 9, tandis que la couche de nickel-chrome, dorée, 7 est 25 réunie à la zône 11 de la diode 1 par une mince couche d'étain 9. La figure 4 est une vue en plan d'un circuit intégré qui est formé par. trois oscillateurs de Gunn tel que celui illustré sur la figure 3, et qui est pourvu d'un support selon la présente invention. Sur cette figure, on a seulement représenté 30 la zône 12, à dopage n, et la zône semi-isolante 11 du cristal d'arséniure de gallium, ainsi que les surfaces de contact 9 de la diode, qui sont étamées, et situées dans un même plan. Les deux surfaces de contact, isolées l'une de l'autre, et situées dans un même plan, qui ont été déposées sur l'élément principal, plan,du 35 support, ont été supprimées pour rendre la figure plus claire. Le support pour composants à semi-conducteurs selon la présente invention convient également pour améliorer les propriété électriques et la durée de vie d'autres composants à semi-conducteurs, qui n'ont pas été indiqués explicitement, et qui sont par 40 exemple des transistors et des diodes à avalanche. 69 33106 7 2019192 REVENDICATIONS 1.- Support pour des composants à semi-conducteurs, permettant d'améliorer leurs prçpriétés électriques et leur durée de vie, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement 5 un élément principal d'une substance électriquement et thermiquement conductrice, dont au moins la face tournée vers le composant à semi-conducteurs est recouverte par une mince couche électriquement isolante, et adhérente 2.- Support suivant la revendication 1, caractérisé-10 en ce que son élément principal est constitué par un métal. 3.- Support suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que son élément principal est constitué en tantale. 4.- Support suivant la revendication 1, caractérisé par 15 le fait que l'élément principal du support est constitué par au moins deux couches de substances ayant des conductibilités électriques et thermiques différentes. 5.- Support suivant la revendication 1 ou la revendication 4, caractérisé par le fait que l'élément principal du 20 support est constitué par au moins deux couches métalliques. 6.- Support suivant l'une des revendications 1, 4 et 5, caractérisé par le fait que son élément principal est constitué par une couche de tantale et une couche de cuivre. 7.- Support suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 25 4, 5 et 6, caractérisé par le fait que son élément principal est en forme de plaque. 8.- Support suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que la couche mince, • électriquement isolantej qui recouvre au moins la face de l'élé-30 ment principal du support, tournée vers le composant à semiconducteurs, est une couche d'oxyde. 9.- Support suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, caractérisé par le fait que la couche électriquement isolante est constituée par un oxyde d'un métal de l'élé- 35 ment principal du support. 10.- Support suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, caractérisé par le fait que la couche électriquement isolante est en oxyde de tantale. 11.- Support suivant l'une des revendications 1,.2, 3, 40 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, caractérisé par le fait que l'élément 69 33106 8 2019192 principal du support, qui est recouvert par une couche électriquement isolante, est divisé en plusieurs parties, isolées les unes par rapport aux autres. 12.-"Composant à semi-conducteurs, comportant un sup-5 port suivant l'une des revendications' 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11, caractérisé par le fait que ses contacts électriques sont disposés sur la couche électriquement isolante de l'élément principal du support. 13.- Composant à semi-conducteurs, comportant un sup- 10 port suivant l'une des revendications 1, 2,3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11, caractérisé par le fait que au moins un contact électrique du composant est placé sur la couche électriquement isolante, et au moins un autre contact électrique est relié à l'élément principal du support, à travers ladite couche isolante. 15 14.- Composant à semi-conducteurs suivant la revendi cation 13, caractérisé par le fait que le contact déposé sur 1^ couche électriquement isolante est formé par une couche de • nickel-chrome. 15.- Composant à semi-conducteurs suivant la revendica- 20 tion 13, caractérisé par le fait que le contact réuni à l'élément principal du support, à travers la couche électriquement isolante, est constitué en nickel. 16.- Diode à électroluminescence, comportant un support suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 25 caractérisée par le fait que l'élément principal de son support est en tantale, tandis que sa couche électriquement isolante est en oxyde de tantale, qu'un contact électrique en nickel, relié à l'élément principal du support à travers la couche électriquement .isolante, aboutit à l'une des deux zones de la diode, et 30 qu'une couche de nickel-chrome, déposée sur la couche électriquement isolante, et formant le second contact électrique, est réunie solidement à la seconde zône de la diode. 17.- Diode à électroluminescence suivant la revendication 16, caractérisée par le fait que la couche de nickel-chrome 35 est dorée. 18.- Diode à électroluminescence suivant la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisée par le fait que les surfaces des contacts métalliques, qui sont tournées vers la diode sont pourvues d'une mince couche d'étain. 40 19.- Procédé pour fabriquer une diode à électrolumines- 69 33106 9 2019192 cence suivant l'une des revendications 16, 17 et 18, caractérisé par le fait que l'on soude un contact de nickel sur un élément plan de support, en tantale, que l'on réalise par oxydation thermique une couche d'oxyde de tantale entourant ce contact de nickel, 5 que l'on réduit dans une atmosphère d'hydrogène l'oxyde de nickel formé sur la surface du contact de nickel, que l'on dépose sur la couche d'oxyde de tantale, une couche de nickel-chrome entourant le contact de nickel, qui est ensuite dorée de manière que la surface de la couche de nickel-chrome, dorée, se trouve dans le 10 même plan que la surface du contact de nickel, et que l'on soude le contact de nickel, aboutissant à l'une des deux zones de la diode, ainsi que la couche métallique qui entoure le contact de nickel, et qui doit être réunie à l'autre zône de la diode, aux deux surfaces de contact, étamées, de la diode, qui sont situées 15 dans un même plan.