Brevet FR2088351A1 — publié le 19720107

~1~ 2088351 la présente invention est du domaine des composants semiconducteurs à couch.es minces et a trait plus précisément à \in transistor de puissance à effet de champ à grille isolée, les composants à couches minces qué sont les transistors 5 à effet de champ connus sont des éléments de commutation de faible puissance qui ne sont généralement capables de véhiculer que des courants mesurés en microampères. les tentatives faites pour utiliser de tels éléments de commutation comme composants de puissance n'ont pas eu de suc-10 cès du fait que ces composants doivent être matériellement trop gros pour être pratiques et la dissipation de la chaleur a sou*-levé des difficultés. La présente invention a pour objet de présenter tin transistor à effet de champ à grille isolée, ayant unè capacité de 15 puissance élevée. ^ ^ A cette fin, suivant l'invention, un/transistor de puissance à effet de champ à grille isolée se caraotérise en ce qu'il comprend une embase en matériau électriquement et thermiquement conducteur, une couche d'un matériau électriquement 20 isolant et thermiquement conducteur déposée au moins sur la surface supérieure de ladite embase , puis, par dessus cette couche des électrodes de source et de drain en forme de peignes engrenants, laissant entre leurs doigts une certaine distance et constituée chacune par un conducteur en couche épaisse 25 et par un contact en couche mince, le contact étant disposé par dessus le conducteur et le recouvrant complètement, enfin une couche mince de matériau semi-conducteur en contact avec lesdites électrodes de source et de drain ainsi qu'avec ladite couche de matériau électriquement isolant et thermiquement 30 conducteur, au moins dans les espaces compris entre les électrodes. l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation, ainsi qu'à l'examen des dessins annexés dans lesquels : 35 - la figure 1 est une vue de côté d'une embase permettant la formation d'un transistor suivant l'invention j - les figures 2 et 3 sont des vues par le dessus de l'embase de la figure 1 en cours de garnissage ; 71 16029 -2- 2088351 - la figure 4 est une vue de côté d'un transistor fini ; - la figure 5 est une vue schématique partielle par le dessus des peignes engrenante montrant comment circule le courant entre source et drain ; 5 - les figures 6 et 7 sont des schémas équivalents des tran- sostors à effet de champ de l'art antérieur et suivant l'invention respectivement. La figure 1 représente une embase 10 susceptible d'être utilisée suivant les données de la présente invention. L'embase 10 10 peut être flexible, semi-rigide ou rigide ët peut être constituée par une feuille, un ruban ou un Hoc de métal, choisi dans l'ensemble comprenant nickel, aluminium, cuivre, étain, molybdène, tungstène, tantale, béryllium, argent, or, platine, magnésium, alliages de ces métaux et alliages à base de fer. 15 L'aluminium convient particulièrement bien. L'embase est destinée à constituer la grille du transistor. Bien que l'épaisseur de 1*embase ne soit pas critique, il est bon que dans le cas d'emploi d'une feuille ou d'un ruban de métal, cette épaisseur soit pratiquement d'au moins 200 20 Au moins sur la surface supérieure 12 de l'embase 10 est formée une couche 14 d'un matériau électriquement isolant, thermiquement conducteur. La couche 14 peut être en un oxyde du métal constitutif de l'embase, par exemple oxyde d'aluminium ou de titane, ou 25 encore en un verre tel que verres au silicate de plomb, au borate de plomb, au borosilioate de plomb, ou un mélange de ces sels de plomb; ou encore en une résine polymérisée telle que résine époxy, résine polyester, résine silicone ou résine po-lyuréthane. La résine peut être chargée, dans une proportion 30 pouvant aller jusqu'à environ 20 % en poids, d'un composant électriquement isolant, thermiquement conducteur d'une granulo-métrie de 300 à 420 ^m, par exemple de particules d'aluminium anodisé ou d'oxyde de beryï&um. Un matériau de choix pour la couche 14, lorsque l'embase 35 10 est en aluminium, est l'oxyde d'aluminium. Cet oxyde peut être formé par anodisation soit à chaud soit par voie humide. Il faut que la couche soit constituée par un oxyde dense et non poreux. En conséquence un procédé particulièrement bien 71 16029 2088351 indiqué d'anodisation de l'embase consiste à déployer celle-ci dans un bain formé par une solution aqueuse à 9 % de trioxyde de chrome, pendant 5 minutes, sous une tension de 40 volts = Une telle solution à 9 % renferme 72 grammes de trioxyde de chro.-5 me dans 800 millilitres d'eau. En ce qui concerne le transistor de puissance à effet de champ de l'invention, la couche 14 doit avoir une épaisseur de 500 à 4 000 1 et de préférence d'environ 1 000 Â si le transistor est appelé à supporter de 10 à 50 volts. Pour une tension 10 de fonctionnement de 300 volts, l'épaisseur requise est d'environ 10 000 Â et pour une tension de bOO volts d'environ 20 000 A. Comme le montre la figure 2 une électrode de source 16 et une de drain 18 sont déposées sur la surface supérieure 20 de la 15 couche 14. Ces électrodes de source 16 et de drain 18 qui sont inter-cnangeables sont déposées sur la surface 20, par aérigraphie, procédé d'impression à l'écran de soie, procédé bien connu de l'homme de l'art. 20 Les conducteurs de source et de drain 16, 18 peuvent être constitués au moyen d'une pâte renfermant un mélange de palladium et d'argent ou de palladium et d'or, ou encore par une pâte à l'or. Les conducteurs 16, 18 peuvent être déposés à partir de n'importe quelle pâte convenable pour impression à l'écran de 25 soie, par exemple d'une pâte ayant la composition suivante : Ingrédients argent en poudre noir de palladium oxyde de bismuth verre oorosilicate éthyl-cellulose acide iuroïque-2 acétate de-butyl-carbitol nonyl-phénoxy-polyoxyéthylène-éthanol 3,0 % ) 1,5 % ) 2,5 % 5 35 CH5(CH2)8 0-(CH2CH20)n-CH2CH20H 2 2 'n où n désigne un certain nombre de moles d'oxyde d'éthylène. 71 16029 -4- 2088351 Après application, on chauffe l'embase pour chasser le véhicule, q.ui abandonne en conséquence les conducteurs de source et de drain 16, 18 déposés sur1 la surface 20. Les conducteurs de source et de drain 16, 18 -sont des cou-5 cnes épaisses, c'est-à-dire aes couclies dont l'épaisseur est comprise entre 2,5 et 125 micromètres. En ce qui concerne le transistor de puissance de l'invention, il est bon que cette épaisseur des conducteurs 16,18 de source et de drain soit d'environ 25 microns. 10 les conducteurs en couches épaisses 16,18, ne sont pas par eux-mêmes utilisables comme électrodes de source et de drain. C'est en effet la distance entre électrodes de source et de drain qui détermine les conditions de fonctionnement du transistor à effet de champ. Plus cette distance entre source et 15 drain est courte, plus est élevé le rapport passant/non passant du dispositif. Cependant les tolérances d'application des couches épaisses sont de 50 à 75 microns et ne permettent pas en conséquence de donner le degré de résolution nécessaire pour que source et drain soient à distance précise. La nécessité et 20 i»importance de parties à couches épaisses des électrodes de source et de drain, dans le dispositif suivant l'invention seront exposées en détail plus loin. Comme le montre la figure 3, les contacts de source et de drain 22, 24 sont disposés par dessus les conducteurs de sour-25 ce et de drain 16, 18 respectivement. Les contacts 22, 24 enferment complètement les conducteurs 16, 18 sur les deux-côtés et sur le dessus. "' ■ » * r Les contacts 22, 24 peuvent être constitués par n'importe quel métal donnant -un contact ohmi.que avec le matériau semi-30 conducteur choisi, ce métal étant par exemple pris dans l'ensemble comprenant or, nickel, argent, indium, aluminium et alliages de ces métaux. Les métaux sont à choisir en fonction des matériaux semiconducteurs utilisés, pax exemple or ou nickel en association 35 avec tellure, indium en association avec sulfure de cadmium ou séléniure de cadmium. Les contacts 22, 24 sont des couches minces, dont l'épaisseur peut tomber jusqu'à 200 Â et monter jusqu'à plus de COPV 71 16029 . "5 2088351 1 000 1, cette épaisseur étant commandée par le courant de fonc tionnement voulu. Les contacts en couches minces 22, 24 sont disposés à l'ai de de masques métalliques, à la manière décrite dans la demande de brevet des E U A n° 745 059 du 15 Juillet 1968, au nom de la présente demanderesse. . Ce procédé utilisant un masque métallique permet d'obtenir le degré de résolution nécessaire pour que la distance d'espacement entre les contacts de source et de drain soit réalisée avec la précision voulue» Cette distance, d'espacement est appelée canal dans un transistor à effet de champ et commande la valeur du courant que le dispositif peut véhiculer. De façon grossièrement approchée il faut 1 mm de canal pour 10 mA de cou rant. ,Donc, un dispositif capable de 1 A nécessite une largeur de canal de 10 cm, laquelle en utilisant des électrodes de source et de drain en peignes engrenants, peut être confinée p dans une surface de 1,6 cm . Comme le montre la figure 4, en suivant les données de la demande de brevet américain précitée, pour utiliser un masque métallique, on forme une couche 26 d'un matériau semi-con-duciieur par dessus la surface supérieure 20 de la couche 14 et les contacts 22, 24 de source et de drain. La portion.de cette couche de matériau semi-conducteur d'importance critique est celle qui est disposée entre les doigts adjacents des contacts de source et de aràin. ^ La couche 26 peut être constituée, par un matériau semiconducteur de type p ou de type n,-.par exemple, tellure:', (type p), tellurure de plomb (type p ou type n), sulfure de cadmium (type n), séléniure de cadmium (type n), arséniure d'indium (type n), àrséniure de gallium (type n), oxyde d'étain (type n). la couche 26 peut être mono cristalline, polyçristalline ou amorphe. L'épaisseur de la couche 26 de matériau semi-conducteur peut varier à partir d'une épaisseur de l'ordre de 40 il jusqu'à environ 130 A-pour le tellure, et même davantage pour des matériaux de résistivité plus élevée comme le.sulfate de cad- O miup, en allant par exemple jusqu'à 2 000 A. Le dispositif ainsi réalisé constitue un transistor de puissance à effet de champ à grille isolée. En cas de besoin, ce transistor peut être mis à l'abri ' COP V W- - 71 16029 -6- 2088351 de l'atmosphère ambiante par •dépôt d'une couche 28 d'un matériau électriquement isolant, pratiquement étanché à l'air, par exemple d'oxyde d'aluminium ou de résine époxy, sur toute la structure. ' - 5 La capacité de puissance du dispositif "suivant l'inven tion par comparaison avec celle d'un transistor à effet de champ à grille isolée classique peut être comprise en se reportant à la figure 5 qui représente un ensemble source-drain en peignes engrenants. Le courant pénètre dans l'électrode de source 10 en A et sort de celle de drain en B. lie courant circule dans chacun des doigts de source (comme l'indiquent les flèches), traverse le canal compris entre source et drain, et pénètre dans le drain. Si la longueur des doigts est par exemple de 25 mm, la 15 densité de courant au point C à l'origine de chacun des doigts de source est élevée et la chute de tension entre C et E est également élevée. La forte chute de tension se traduit par une réaction négative et réduit le gain du dispositif. Cet effet est représenté à la figure 6 donnant un schéma d'un transistor 20 à effet de champ de l'art antérieur, la chute de tension entre C et E peut être considérée comme due à une résistance 40 dans le circuit de drain du transistor. Le problème soulevé par cette forte chute de tension dans les doigts de source, et de drain^est résolu dans la présente 25 invention par recours à des conducteurs en couches épaisses de source et de drain. Ces couches épaisses offrent au courant •T traversant les doigts un chemin de moindre résistance et" le résultat est schématisé à la figure 7« Les conducteurs en couches épaisses ont pour effet de créer une dérivation en parallèle 30 sur la résistance 40. Les conducteurs en couches épaisses permettent au dispositif de supporter des courants de 10 ampères sous des tensions de 10 à 50 volts. • En fixant d'autre part l'embase 10 à un puits de chaleur 55 pu en réalisant le dispositif lui-même à la surface d'un tel puits de chaleur, on arrive à ce que le dispositif puisse fonctionner à une puissance de crête de 200 watts. GGPY 71 16029 "7" 2088351 En variante, le dispositif suivant l'invention peut être réalisé de façon que la couche de matériau semi-conducteur soit directement déposée sur la couche 14-, "que les conducteurs et contacts de source et de drain soient déposés sur la couche 5 de matériau semi-conducteur. COPY 71 16029 -8- 2088351 fiJSVENBIOAIIOMS 1.- Transistor de puissance à effet de champ à grille isolée, caractérisé en ce qu'il comprend une embase en matériau électriquement et thermiquement conducteur, une couche d'un 5 matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur déposée au moins sur la surface supérieure de ladite embase, puis par dessus cette couche, des électrodes de source et de drain en forme de peignes engrenants, laissant entre leurs doigts une certaine distance, et constituées chacune par une "10 partie dite conducteur.; en couche épaisse et par une partie dite contact en couche mince, celle-ci disposée par dessus et recouvrant complètement celle-là, enfin une couche mince de matériau semi-conduoteur en contact avec lesdites électrodes de source et de drain ainsi qu'avec ladite couche de matériau électrique-15 ment isolant et thermiquement conducteur, au moins dans les espaces compris entre lesdites électrodes. 2.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite embase est en aluminium et ladite couche d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur en 20 oxyde d'aluminium. 3.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de matériau semi-conducteur est disposée par dessus lesdites électrodes de source et de drain. 4.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que ladite couche mince de matériau semi-conducteur est déposée directement sur ladite couche d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur et en ce que lesdites électrodes de source et de drain sont disposées sur ladite couche mince de matériau semi-conducteur. 30 5.- Transistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties dites conducteurs des électrodes de source et de drain ont une épaisseur comprise entre 2,5 et 125 microns et .en ce que lesdites parties de contact des mêmes électrodes ont une épaisseur comprise entre 200 et 100 1. 55 6.- Transistor selon la revendication 1*, caractérisé en ce que la structure est telle que le courant source-drain se 71 16029 ~9~ 2088351 divise entre la résistance constituée par les parties dites contacts en couches minces des électrodes de source et de drain et les parties dites conducteurs en couches épaisses des mêmes électrodes, lesquelles se trouvent sur lesdites parties de contact en couches minces.