Brevet FR2053304A1 — publié le 19710416

La présente invention concerne une diode d'arrêt Schottky présentant des caractéristiques de blocage de tension inverse et de conduction de tension directe améliorées» Les diodes de Schottky ou diodes à jonction métal-semiconduc-5 teur sont, à l'heure actuelle, bien connues des hommes de l'art dans le domaine des dispositifs redresseur». Alors que les redresseurs à semiconducteurs à jonction diffuse sont plus conduc-tifs d'une façon asymétrique et, par conséquent, sont préférés pour la plupart des applications, les diodes k jonction métalli-10 que offrent un avantage particulier en étant plus condUctives à des niveaux très bas de tension directe que les redresseurs semiconducteurs du type jonction. Ceci peut être apprécié en faisant référence à la fig. 1 qui représente une courbe, dans le premier quadrant des tensions aux bornes portées ert abcisses, en 15 fonction des courants portés en ordonnées. La courbe A est caractéristique d'une diode à semiconducteur à jonction diffuse conventionnelle alors que la courbe B est caractéristique d'une diode d'arrêt Schottky également conventionnelle. Il faut noter que la diode d'arrêt Schottky présente des courants directs com-20 parables pour des tensions appliquées aux bornes plus basses comparativement aux redresseurs à jonction diffuse et cela jusqu'à ce qu'un niveau de tension soit atteint. Aux niveaux de tension supérieure à , qui habituellement est compris entre 1 et 2 volts, le redresseur à jonction diffuse présente des courants 25 directs plus importants par unité de tension appliquée, alors qu'au-dessous de la tension V^, la diode d'arrêt Schottky présente des caractéristiques de conduction de courant supérieures. Alors qu'un certain nombre d'applications pratiques ont été trouvées pour les diodes d'arrêt Schottky en raison de leur ré- 30 ponse au courant supérieure aux bas niveaux de tension aux bornes, l'utilisation de ces diodes Schottky s'est trouvée restreinte à cause de leur aptitude limitée de blocage de tension. On a trouvé que les caractéristiques de blocage de tension inverse des diodes d'arrêt Schottky peuvent être améliorées en diffusant une région 35 annulaire dans le cristal semiconducteur adjacent à la périphérie d'une couche métallique déposée comme contact redresseur avec le cristal. Une telle disposition peut être mieux appréciée en se référant à la fig. 2 qui est une coupe schématique d'une diode d'arrêt Schottky 100 construite de cette manière. Un substrat 102 17 3 40 hautement dopé (habituellement, au moins 1 x 10 atomes/cm ) re- 70 28247 2 2053304 présenté comme une région N+ est associé avec un contact métallique ohmique non-redresseur 104. Une région 106 du même type de conductivité que le substrat 102, mais ayant une plus grande ré-sistivlté, forme une jonction 108 avec le substrat. La région 5 106 et le substrat forment ensemble une structure monocristalline unique» La jonction représente une variation relativement brusque de la concentration d'impuretés dans le cristal. Le substrat est considérablement plus épais que la région 106. D'une manière typique, la région 106 est formée par dépôt épitaxial 10 sur la surface principale du substrat. Le cristal semiconducteur est, de préférence, en silicium. Diffusée dans la région 106, se trouve une région annulaire 110 d'un type de conductivité opposé désignée comme une région P+. Les régions 106 et 110 forment entre elles une jonction annulaire 112. Afin d'éviter l'effet 15 tunnel, la région P+ est espacée du substrat et séparée de ce dernier par la région 106. Le cristal semiconducteur présente une couche isolante 114 sur sa face supérieure pourvue d'une lucarne, dont la périphérie 116 recouvre la région annulaire. La lucarne dans la couche isolante expose ainsi la face supérieure 20 de la région 106 s'étendant à l'intérieur de la région annulaire. Une couche d'arrêt en métal 118 repose en contact redresseur avec la face du cristal à l'intérieur de la lucarne et est pourvue de bords 120 qui reposent sur le revêtement isolant. La partie de la couche d'arrêt adjacente à la périphérie de la lucarne recou-25 vre la région annulaire et forme la limite extérieure de la partie redresseuse de la couche d'arrêt. Cette partie de la couche d'arrêt recouvrant la couche isolante est prévue pour assurer que la totalité de la lucarne est recouverte par la couche d'arrêt. 30 Sous la forme montrée sur la fig. 2, le contact métallique ohmique 104 peut être connecté à une borne cathode alors que la couche d'arrêt métal redresseur H8 est connectée à,une borne anode pour utilisation du dispositif comme redresseur. Lorsque le redresseur est polarisé dans le sens direct, c'est-à-dire, lors-35 qu'une tension positive est présente à l'anode, les porteurs majoritaires, dans ce cas des électrons, sont fournis à la cathode, traversent le contact ohmique 104 ainsi que le cristal et sont collectés par la couche d'arrêt de métal redresseur pour conduction à la borne anode. Alors que la jonction P-N 112 est polari-40 sée dans le sens direct, la conduction du courant dans le trajet 70 28247 2053304 est insignifiante car la jonction diffusée requiert line tension plus élevée pour la conduction que ne l'exige la jonction Schott ky, de sorte que la conduction de courant est effectivement limi tée à la zone du cristal s'étendant à l'intérieur de la région 5 annulaire. Les caractéristiques de conduction dans le sens direct sont alors données par la courbe B fig. 1 . Lorsque la polarité appliquée au redresseur est inversée de manière qu'une tension positive soit présente au contact ohmi que 104 comparée à la tension, à la couche d'arrêt 118, le 10 dispositif de la fig. 2 est susceptible de bloquer le courant dans le sens inverse. Le flux de courant au travers de la couche d'arrêt en contact avec la région 106 à l'intérieur de la lucarne est restreint comme on pouvait s'y attendre par la nature asymétrique des propriétés de conduction de courant de ce type 15 d'interface. Bien que la conduction puisse intervenir très facilement entre la couche d'arrêt de .métal' et la région annulaire lors d'une inversion de polarité du redresseur, la jonction 112 est inversée pour restreindre le flux de courant qui la traverse Si la région annulaire 110 n'était pas présente, de hautes inten 20 sités de champ se développeraient à l'intersection de la couche d'arrêt de métal et du cristal à la périphérie 116 de la lucarne La présence de la région annulaire transfère le blocage de la conduction inverse du bord de la couche d'arrêt de métal à la jonction 112. Cette jonction présente un grand rayon de courbure 25 comparé à l'intersection du bord de la couche d'arrêt de métal avec le cristal. En conséquence, la présence de la jonction annulaire permet au redresseur de bloquer des tensions inverses plus élevées sans claquage. La description ci-dessus de la diode d'arrêt Schottky 100 30 est faite dans le simple but d'illustrer une construction typique d'un dispositif puisque les diodes d'arrêt Schottky de ce type sont bien connues des hommes de l'art. L'attention est attirée sur un article intitulé "p-n Junction-Schottky Barrie Hybrid Device" par R.A. Zettler et A. M. Cowley, publié dans 35 " IEEE Transactions" sur les dispositifs électroniques, Vol. ED-16, n° 1, Janvier 1969, pages 58-63. Il a été observé qu'alors que la diode d'arrêt Schottky, selon la construction de la fig. 2, offre une amélioration dans les possibilités de blocage de tension inverse, l'amélioration 40 est acquise au prix de l'augmentation de la chute de tension di 70 28247 4 2053304 recte du dispositif. L'effet de ce phénomène peut apparaître sur la fig. 1 si l'on fait tourner la courbe B vers la droite. L'intersection des courbes A et B est ainsi décalée vers la gauche et la valeur de , c'est-à-dire la tension correspondant 5 à l'intersection des deux courbes, est effectivement réduite. En conséquence, on peut voir que l'amélioration dans la possibilité de blocage de tension inverse est obtenue seulement en réduisant la gamme des caractéristiques utiles dans le sens direct de la diode d'arrêt Schottky. 10 On a découvert une construction de diode d'arrêt Schottky qui améliore la construction de la diode d'arrêt Schottky du type montré sur la fig. 2 en ce que, à la fois, le niveau élevé des caractéristiques de blocage de tension inverse et une chute de tension directe très faible sont obtenus dans un dispositif 15 unique. Dans l'un de ses aspects, la présente invention concerne une diode d'arrêt Schottky composée d'un cristal semiconducteur ayant une première et une seconde surface principale et une région fortement dopée adjacente à la première surface principale ainsi qu'une seconde région de résistivité plus élevée s'éten-20 dant adjacente à la seconde surface principale. La première et la seconde région, sont du même type de conductivité et forment une jonction entre elles. Une troisième région annulaire s'étend adjacente à la seconde surface principale et forme une jonction annulaire avec la seconde région. Un premier dispositif de contact 25 est associé ohmiquement avec la première surface principale et un dispositif métallique forme un contact redresseur avec la troisième région et avec la seconde région à l'intérieur de cette troisième région. Le perfectionnement selon l'invention réside dans le fait 30 que la jonction entre les deux, régions de même type de conductivité comprend une partie étagée surélevée s'étendant vers la seconde surface et positionnée à l'intérieur de la troisième région annulaire. L'invention sera mieux appréciée en faisant référence à la 35 fig. 3 qui est une coupe schématique similaire à la fig. 2, d'une diode d'arrêt Schottky 200 construite selon la présente invention. Les éléments de la diode d'arrêt Schottky 200 correspondant au point de vue fonctionnel à ceux entrant dans la structure de la diode 100 sont nommés d'une façon similaire et dési-40 gnés par des indices numériques correspondants (mais, dans la 70 28247 5 2053304 série 200 au lieu de la série 100) et ils ne seront pas à nouveau décrits sauf s ' ils concernent les caractéristiques propres du perfectionnement selon l'invention. Le perfectionnement principal de structure de la diode S chottky 200 réside en ce que 1 ' épaisseur de région 5 206 s 1 étendant à 1'intérieur de la région annulaire 210 a été réduite d'une façon importante en amenant la jonction 208 à 1•intérieur de la région annulaire plus près de la seconde surface principale recouverte par la couche d'arrêt 218 que dans tout autre cas de réalisation. Comme on le voit, la partie centrale de la jonction208 présen-10 te une configuration en forme de plateau surélevé ayant une partie centrale 208a relativement plate entourée d'une partie annulaire légèrement en pente 208b reliant le plateau 208 à la partie périphérique de la jonction. Dans la forme préférée de réalisation du dispositif, la partie surélevée de la jonction 208 est espacée de 15 la partie intérieure de la jonction 212 et de la seconde surface principale du cristal positionnée à 1'intérieur de la troisième région annulaire 210 d'une quantité correspondant substantiellement à l'espace minimal entre les jonctions 208et212. Ainsi, la région 206 est substantiellement uniforme en largeur à 1'intérieur de la 20 troisième région annulaire. Ainsi, le courant s'écoulant entre la couche d' arrêt 218 et le contact ohmique 204 est obligé de traverser une épaisseur relativement réduite de la région 206. Ceci est tout-à-dait différent de ce qui se passe dans le dispositif 100 dans lequel le courant en passant 25 entre la couche d'arrêt 118 et le contact ohmique 104 doit traverser le substrat 102 et une épaisseur relativement plus grande dé la région 106. Du fait que le substrat dans ies denx dispositifs est hautement dopé,la résistance de ces substrats est minimale, mais les régions 106 et 206 sont comparativement légèrement dopées,de sorte 30 que leur épaisseur affecte directement la résistance à la conductiai du courant et, par conséquent,la valeur de la chute de tension directe dans le dispositif. Dans le dispositif 100, l'épaisseur relativement plus grande de la région 106 a été considérée nécessaire afin de permettre à la région annulaire 110 d'être diffusée dans 35 le cristal a partir de la seconde surface principale tout en évitant d'amener la région annulaire à sa couche diminuée en contact avec le substrat. Il a été découvert d'une façon tout-à-fait inattendue que les avantages de la région annulaire concernant la possibilité de blocage de tension inverse peuvent être conservés 40 tout en diminuant la chute de tension directe si la partie delà région 206 s'étendant à l'intérieur de la région annulaire est réduite en épaisseur. On a trouvé qu'on atteint ce résultat si l'on forme la jonction 208, de la configuration en plateau surélevé, à l'intérieur de la région annulaire. L'espace minimal 45 entre le substrat 202 et la surface de la région 206 intérieure à la région annulaire va dépendre de la tension maximale devant être bloquée par le dispositif. Il est préférable 70 28247 6 2053304 de choisir la largeur de la région 206 à l'intérieur et au-dessous de la région annulaire de manière qu'elle approche l'épaisseur minimale nécessaire pour retenir la couche diminuée formée dans le mode de blocage entièrement à l'intérieur de la 5 région 206 et de manière que cette couche diminuée ne s'étende pas jusqu'au substrat. Outre qu'elle peut améliorer les caractéristiques de blocage de tension sans pénaliser les possibilités de conduction dans le sens direct, la diode d'arrêt Schottky 200 est également capable 10 de fonctionner avec un temps de rétablissement plus rapide et, par conséquent, de fonctionner à des fréquences plus élevées. Ceci est attribuable au fait que la tension maximale dans la jonction annulaire est en relation directe avec la chute de tension dans la région 206 à l'intérieur de la région annulaire, 15 ces deux régions étant positionnées en parallèle. Si la diode d'arrêt Schottky 100 est placée dans un circuit à courant alternatif, par exemple, il existera une certaine tendance pour la jonction annulaire à injecter des porteurs pendant la conduction directe, phénomène attribuable à la chute de tension dans la 20 région 106 causée par le flux de courant au travers de la résistance relativement élevée de cette région à l'intérieur de la région annulaire 110. A l'inversion de la tension appliquée, le temps global de rétablissement de la diode croît d'une manière indésirable en raison des effets d'emmagasinage de charge des 25 porteurs minoritaires inhérents aux jonctions de cristal semiconducteur. La construction du dispositif selon l'invention, en réduisant relativement la chute maximale qui survient dans la jonction pendant la conduction, agit pour réduire l'injection et pour améliorer les temps de rétablissement. 30 La formation de la diode d'arrêt Schottky 200 peut être entreprise selon l'un quelconque des procédés généralement bien connus dans l'art conventionnel. Selon une technique préférée, le substrat 202 est initialement formé avec une surface supérieure substantiellement plane. Sur une partie correspondant à 35 l'étage surélevé de la jonction 208, on introduit un dopant correspondant, en type d'impureté, à celui du substrat. Par exemple, si le substrat est formé d'un matériau hautement dopé type N, le dopant sera du type N. La région 206 est ensuite déposée par épitaxie sur la surface supérieure plane du substrat. Par la 40 suite, lorsqu'on diffuse la troisième région annulaire 210 dans 70 28247 7 2053304 la région -206, le dopant logé dans le voisinage de la surface supérieure plane du substrat va migrer du substrat dans la région 206, de sorte que la jonction 208 s'étendant initialement le long de la surface supérieure de ce substrat est déformée vers 5 le haut pour venir coïncider avec la configuration en plateau surélevé. La partie du cristal se trouvant au-dessous de l'étage surélevé de la jonction 208 peut maintenant être considérée comme représentant une annexe du substrat. Après diffusion, la couche isolante 214 peut prendre la forme montrée sur la fig. 3 10 et l'application de la couche d'arrêt de métal est réalisée par l'utilisation d'un faisceau électronique ou toute autre technique de revêtement par évaporation. L'application du contact ohmique, la fixation des bornes et l'enrobage peuvent être réalisés d'une manière conventionnelle. 15 Sur la fig. 4 est illustrée une variante d'une réalisation préférée de la présente invention. Les éléments de la diode d'arrêt Schottky 300 correspondant fonctionnellement et similaires en structure à ceux de la diode ÎOO sont désignés d'une façon similaire et affectés d'indices numériques correspondants 20 (mais dans la série des 300 au lieu de la série des 100) et ne seront pas décrits à nouveau sauf s'ils concernent des perfectionnements selon l'invention. Comme la diode d'arrêt Schottky 200, le dispositif 300 est pourvu d'une jonction 308 ayant une partie centrale en forme d'étage surélevé comprenant une partie 25 centrale horizontale 308A et une partie annulaire 308B rejoignant la portion périphérique de la jonction. La différence de structure du dispositif 300 par rapport au dispositif 200 réside en ce que l'épaisseur de la région 306 est réduite à la fois par la configuration en étage surélevé de la jonction 308 (comme dans 30 le dispositif 200) et, en outre, par l'abaissement de la surface de la région 306 intérieure à la région annulaire pour l'amener plus près de la première surface principale que la surface de la région 306 s*étendant immédiatement à l'extérieur de ladite région annulaire. Ainsi, une épaisseur très faible de la région 35 306 peut être laissée entre la jonction 308 et la seconde surface principale à l'intérieur de la région annulaire. Les avantages du dispositif 300 sur le dispositif conventionnel 100 sont généralement du même ordre que ceux du dispositif 200 notés ci-dessus. La formation de la diode d'arrêt Schottky 300 peut être réa-40 lisée selon les mêmes techniques générales de fabrication utili 70 28247 8 2053304 sées pour la fabrication de la diode d'arrêt Schottky 200. Ainsi, à un certain stade intermédiaire de production, la diode d'arrêt Schottky 300 peut apparaître similaire à la diode 200, sauf en ce qui concerne la couche d'arrêt du métal 218. En masquant la 5 seconde surface principale du cristal sur une zone annulaire adjacente et à l'intérieur de la fenêtre et en procédant à l'attaque de la zone centrale restante non protégée par le masquage, on peut donner au cristal la configuration montrée sur la fig. 4 sur laquelle la périphérie intérieure de la région annulaire et 10 la surface supérieure de la région 306 forment une partie de surface concave faisant face vers la seconde surface principale. Lorsque la partie de surface concave est formée par attaque, elle présente l'avantage d'être très unie et substantiellement exempte de défauts tout en ayant une partie marginale doucement arrondie. 15 Ces avantages se combinent pour minimiser les pertes de courant inverse du dispositif et pour améliorer les possibilités de blocage de tension. Afin de s'assurer que la partie de surface concave reste douce et relativement exempte de défauts de surface, même après application de la couche d'arrêt métallique, l'appli-20 cation de cette couche est, de préférence, réalisée par l'utilisation d'un faisceau électronique ou d'une méthode de revêtement par avaporation. Pour assurer une uniformité maximale de la distribution du courant à l'intérieur du dispositif pendant la conduction, il est préférable que la partie centrale de la por-2 5 tion de surface concave soit substantiellement parallèle à la jonction 308 dans le cristal, comme le montre la figure 4. 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 modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réali-30 satior. de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 70 28247 9 2053304 REVENDICATIONS 1. Diode d'arrêt Schottky comprenant : un cristal semiconducteur ayant une première et une seconde surface principale et comportant une région hautement dopée s'étendant adjacente à ladite première surface principale et une seconde région de ré- 5 sistivité plus élevée s'étendant adjacente à ladite seconde" surface principale, lesdites première et seconde région étant du même type de conductivité et formant entre elles une jonction et une troisième région annulaire s'étendant adjacente à ladite seconde surface principale et formant une jonction annulaire avec 10 ladite seconde région, un premier dispositif de contact associé ohmiquement avec ladite première surface principale, et un dispositif métallique formant un contact redresseur avec ladite seconde région à 1 * intérieur de ladite troisième région et en contact avec ladite troisième 15 région annulaire, caractérisée par le fait que ladite jonction entre les deux régions de même type de conductivité comprend une portion positionnée à l'intérieur de ladite troisième région annulaire et ayant une forme d'étage surélevé s'étendant vers ladite seconde 20 surface principale. 2. Diode d'arrêt Schottky selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite seconde surface principale comprend une portion de surface concave positionnée à l'intérieur de ladite troisième région annulaire. 25 3. Diode d'arrêt Schottky selon la revendication 2r caractérisée par le fait que ladite portion de surface concave dans ladite seconde région s'étend plus près de la jonction entre les deux régions de même type de conductivité que l'espacement minimal entre cette jonction et ladite jonction annulaire. 30 4. Diode d'arrêt Schottky selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite portion de surface concave est unie et substantiellement exempte de défauts de surface. 5. Diode d'arrêt Schottky selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite portion de surface concave est pour- 35 vue d'une partie formant bord doucement arrondi. 6. Diode d'arrêt Schottky selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite portion de surface concave est pourvue d'une partie centrale substantiellement parallèle à ladite jonction entre les deux régions de même type de conductivité. 70 28247 10 2053304 7. Diode d'arrêt Schottky composée de : un cristal semi-conducteur ayant une première et une seconde surface principale et comportant une première région hautement dopée s'étendant adjacente à ladite première surface principale S et une seconde région de résistivité plus élevée s'étendant adjacente à ladite seconde surface principale, lesdites première et seconde région étant du même type de conductivité et formant une jonction entre elles, et une troisième région annulaire s'é-tendant adjacente à ladite seconde surface principale et formant 10 une jonction annulaire avec ladite seconde région, un premier dispositif de contact ohmiquement associé avec ladite première surface principale, et un dispositif métallique formant contact redresseur avec ladite seconde région à l'intérieur de ladite troisième région et for-15 mant contact avec ladite troisième région annulaire, caractérisée par le fait que ladite jonction entre lesdites première et seconde régions est espacée de la partie de ladite seconde surface principale positionnée à l'intérieur de ladite troisième région annulaire par une distance correspondant substantiellement à 20 l'intervalle minimal entre ladite jonction annulaire et ladite jonction entre lesdites première et seconde régions.