Brevet FR2067335A1 — publié le 19710820

70. 410C0 1 2067335 La présente invention concerne un dispositif à capacité variable sensible à la tension, qui est connu sous la désignation "varactor", et un procédé de production d'un tel varactor. Des diodes du type varactor comprenant une diode à semi-5 conducteurs qui est polarisée en sens inverse ou de blocage sont bien connues et sont couramment utilisées. Dans ces diodes, la capacité varie en fonction de la tension d'une manière qui peut être déterminée principalement par le profil de dopage d'une jonction du type PN. En cas de jonction à variation brutale, c'est-à-dire lors-10 que le dopage du côté P est constant jusqu'à la jonction après laquelle le côté N se prolonge avec un dopage également constant, la capacité est proportionnelle à la racine carrée de la tension à la jonction. A une jonction à laquelle le dopage du côté P diminue linéairement vers le côté H et le dopage du côté ET augmente linéaire-15 ment à partir de la jonction, la capacité est proportionnelle à la racine cubique de la tension. Avec d'autres profils de dopage, on peut obtenir d'autres réactions en fonction de la tension. Toutefois, il est difficile d'obtenir une réponse purement linéaire, c'est-à-dire une jonction dans laquelle la capacité est directement propor-20 tionnelle à la tension. Le varactor selon la présente invention n'est pas une diode mais peut être considéré comme étant un condensateur qui est monté en série avec une diode de surface. En comparaison d'une diode, il ne tire aucun courant continu. En outre, il peut être polarisé dans 25 les deux directions sans tirer de courant. La présente invention a principalement pour objet un varactor dans lequel la variation de la capacité en fonction de la tension peut être déterminée facultativement et, par exemple, peut être rendue linéaire de manière que la capacité soit directement 30 proportionnelle à la tension. Selon la présente invention on y parvient au moyen du dispositif à capacité variable en fonction de la tension, comprenant un corps de matière semi-conductrice d'un type de conductivité et une couche isolante appliquée audit corps et emmagasinant des charges 35 électriques d'une manière permanente} de façon à former une couche barrage dans le corps semi-conducteur lorsqu'une tension comprise dans la gamme de fonctionnement voulue est appliquée au dispositif 70 41000 2 20-67335 à capacité variable qui est caractérisé par le fait que la couche isolante présente une distribution de charge irrégulière. ïïn tel dispositif à capacité peut être produit par un procédé caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir ion corps d'une matière semi-5 conductrice d'un type de conductivité par une couche isolante sur l'une de ses surfaces et à emmagasiner des charges électriques d'une manière permanente avec une distribution irrégulière de la charge dans ladite couche isolante. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 10 ressortiront de la description qui va suivre faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ce dessin : la figure 1 est une coupe transversale d'un varactor selon une 15 forme de réalisation de l'invention ; la figure 2 montre la variation de la capacité en fonction de la tension ; la figure 3 est une vue par dessus d'une autre forme de réalisation de l'invention ; et 20 v la figure 4 montre comment la variation de la capacité par a la tension rapport /peut être rendue linéaire dans un intervalle de tension. Pour produire un varactor selon la figure 1, on utilise comme matière de départ une mince pastille 1 de silicium. Cette pastille de silicium présente un dopage relativement important (N+), corres-25 pondant par exemple à 0,001 ohm-cm, de façon que la résistance série, qui est due au montage de cette pastille en série avec la capacité du varactor, soit relativement faible. Sur cette pastille 1 est placée une mince couche 2 de silicium (N) présentant un plus faible dopage correspondant par exemple à 10 ohms-cm, sous forme 30 d'une couche faisant corps avec la pastille, de façon que les deux couches ne forment qu'un mono-cristal. Dans la forme de réalisation représentée, le dopage est tel que la pastille de silicium a une conductivité du type H. Toutefois, le dopage pourrait être tel que la conductivité soit du type P. La surface de la pastille de sili- 35 cium est recouverte d'une mince couche de silice 3 d'une épaisseur o comprise entre 10 et 35 unités A. Il est difficile de produire des O couches d'une épaisseur inférieure à 10 unités A, étant donné que 70 41000 3 2067335 le silicium se recouvre presque immédiatement d'une telle couche d'oxyde à la température ambiante. Toutefois, la croissance se produit ensuite beaucoup plus lentement à la température ambiante. On peut obtenir des couches plus épaisses si la température est aug- 5 mentée provisoirement, mais des couches d'une épaisseur supérieure 0 à 30-35 unités A ne conviennent pas, étant donné que cela a pour effet de réduire considérablement la probabilité de l'obtention de l'effet tunnel dans la couche. Sur cette couche de silice est appliquée une couche 4 de 10 nitrure de silicium qui est obtenue par réaction d'un silane (SiH^, dilué avec de l'argon) avec de l'ammoniac à 700°C. La couche de ni - o trure de silicium peut avoir une épaisseur de 50 à 10 000 unités A , O et de préférence de 300 à 1 000 unités A environ. Il est difficile d'obtenir une couche de nitrure de silicium d'une épaisseur uniforme 0 ' 15 inférieure à 300 unités A et, par conséquent, une couche si mince pourrait être la cause de difficultés dues à des claquages élec- O triques. Une couche d'une épaisseur supérieure à 1 000'unités A rend le composant terminé moins sensible. Sur la couche de nitrure de silicium est appliquée comme borne de connexion une couche de 20 contact conductrice de l'électricité 5, par exemple en aluminium 0 d'une épaisseur d'environ 500 unités A. Le corps semi-conducteur 1 et la couche de contact 5 sont munis de préférence de contacts "de connexion électriques (non représentés) pour appliquer des tensions au varactor. 25 Maintenant, si une tension est appliquée simultanément entre les deux contacts de connexion et si la capacité entre ces derniers est mesurée, on obtient les résultats indiqués sur la figure 2. Si des tensions fortement négatives sont appliquées à la couche de contact 5 par rapport à la pastille de silicium, les 30 électrons sont repoussés de la surface de silicium et les trous sont simultanément attirés. Si les trous sont attirés en nombre suffisant, la conductivité dans la pastille de silicium est bonne et la capacité est alors mesurée sur la couche isolante. A des tensions fortement positives, les trous sont repoussés et les électrons 35 sont attires. Si les électrons sont attirés en nombre suffisant, la conductivité dans la pastille de silicium est de nouveau bonne et, en conséquence, la capacité est de nouveau mesurée sur la couche 70 41000 4 2067335 isolante. Pour une tension située entre ces valeurs extrêmes, par exemple à une tension de -V^., la surface de la pastille de silicium est dépourvue de charge, ce qui signifie qu'il s'est .formé une couche-barrage et que sa capacité est en série avec la capacité de 5 la couche isolante. La capacité résultante du dispositif est alors beaucoup plus faible, ce qui est représenté sur la figure 2. La tension -V| à laquelle la capacité minimale apparaît est déterminée entre autres par la charge qui est emmagasinée dans la -couche isolante. Avec une charge positive dans la couche isolante, la tension 10 est pour le moins négative, et inversement- Ainsi, il est possible de faire varier la tension à laquelle la capacité minimale apparaît en chargeant la couche isolante de façons différentes. - Si la couche isolante est constituée d'une double couche, comme représenté sur la figure 1, la charge de cette couche peut être effectuée en appli-15 quant une tension très élevée à la couche isolante.. Si la pastille de silicium est mise à la masse, une tension négative appliquée à la couche isolante repousse les électrons, qui, en raison de l'effet tunnel, passent des pièges dans l'interface entre les couches isolantes ou dans la couche isolante supérieure et passent dans la 20 pastille de silicium. Ainsi, il reste une charge négative dans ces pièges et la tension pour une capacité minimale varie, pour devenir plus négative. Par contre, si une tension positive très élevée est appliquée aux couches isolantes, les électrons sont-attirés et passent, de la pastille de silicium aux pièges, dans ce cas également 25 à cause de l'effet tunnel. Ainsi, on obtient une charge négative dans la couche isolante et la tênsion pour une capacité minimale devient plus positive.L'importance de la variation de la tension dépend de la valeur de la charge et, par conséquent, également de la valeur et de la durabilité de la tension provisoirement appli-30 quée. Etant donné que la capacité change en fonction de la tension, le dispositif peut être utilisé comme varactor. Dans beaucoup de cas, il importe peu que la capacité ne varie pas de-façon linéaire avec la tension. Toutefois, dans d'autres cas,il est:très souhaita-35 ble que la capacité, varie directement en fonction de la tension. Il en est ainsi en particulier lorsque la capacité doit être utilisée pour accorder un circuit résonnant. " En principe, en reliant en 70 410C0 5 2067335 parallèle plusieurs capacités du type susmentionné et avec la variation en fonction" de la tension représentée sur la figure 2, il est possible d'influencer d'une manière simple la dépendance de la capacité en fonction de la tension de manière à obtenir la courbe 5 désirée capacité-tension. En particulier, il est possible par une forme géométrique et une dimension convenables des capacités sensibles à la tension montées en parallèle, d'obtenir une liaison purement linéaire entre la capacité et la tension dans une certaine gamme de tensions, comme indiqué par la courbe en trait plein sur 10 la figure 4. La courbe en pointillé de la figure 4 montre la variation de la capacité en fonction de la tension conformément à la figure 2 et a été tracée à titre de comparaison. La figure 3 représente un varactor qui est réalisé de façon que la capacité varie de manière purement linéaire avec la tension, 15 comme indiqué sur la figure 4. La figure 3 montre en plan le varactor qui, en principe, est réalisé de la même manière que celui représenté sur la figure 1, et qui présente une couche résistive 5a sur la couche isolante. Cette couche résistive comporte deux contacts 6 et 7 de manière à pouvoir appliquer une tension entre les 20 extrémités de la couche résistive et à pouvoir appliquer en différents points de cette couche résistive un potentiel différent par rapport à la pastille de silicium, si une tension est appliquée entre la pastille de silicium 1 et l'un des contacts 6, 7. Si des tensions élevées différentes sont appliquées à la couche isolante, 25 des parties différentes de la couche isolante sont chargées de manière différente. Il est alors parfaitement possible d'une part de déterminer la forme géométrique de la couche résistive et, d'autre part,les valeurs et la durabilité des tensions de manière que la capacité résultante varie linéairement avec la tension dans une 30 certaine gamme de fonctionnement. La couche isolante peut être également chargée de façon que des charges différentes soient appliquées à des parties différentes de la pastille semi-conductrice en appliquant tout d'abord une charge uniforme à toute la surface de la couche isolante et en la 35 traitant ensuite de façon que certaines parties de la couche isolante soient enlevées .De cette manière, la variation de la capacité en fonction de la tension peut être également influencée de manière à obtenir une liaison désirée. 70 41000 6 2067335 On peut naturellement utiliser d'autres matières semi- conductrices à la place du silicium, par exemple du germanium. Au lieu de former la couche isolante qui se compose de deux couches de matières entièrement différentes, il est également possible de for- 5 mer la première couche en silice thermique et la seconde couche en silice non thermique, c'est-à-dire une silice qui est produite d'une autre manière que par le procédé thermique ordinaire. Une silice thermique est notamment pratiquement exempte de pièges, c'est-à- 11 -2 dire que la densité des pièges est inférieure à 10 cm .La couche 10 supérieure peut être aussi faite de préférence en alumine ou autre matière isolante non organique. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées' et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 70 410C0 7 2067335 REVENDICATIONS 1 - Dispositif à capacité variable en fonction -de la tension comprenant un corps (1, 2) de matière semi-conductrice d'un type de conductivité et une couche isolante (3, 4) appliquée audit corps et 5 emmagasinant des charges électriques de manière permanente de façon à former une. couche-barrage dans le corps semi-conducteur (1, 2) lorsqu'une tension comprise dans la gamme de fonctionnement voulue est appliquée au dispositif à capacité, dispositif caractérisé en ce que la couche isolante (3, 4) présente une distribution irrégu- 10 lière de la charge. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (3, 4) présente différentes charges sur différentes parties de la surface du corps semiconducteur. 15 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante a une épaisseur variable. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche isolante est formée de deux couches (3, 4) de matières différentes, la première couche (3) 20 proche du corps semi-conducteur étant si mince qu'il peut se produire un effet tunnel, et la seconde couche (4) ayant une épaisseur plusieurs fois supérieure à celle de la première couche. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première couche (3) est en silice d'une épaisseur comprise o 25 entre 10 et 35 unités A et en ce que la seconde couche (4) est en une autre matière isolante non-organique d'une épaisseur comprise entre 50 et 10 000 unités A. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde couche (4) est en nitrure de silicium d'une épais- 30 seur de 300 à 1 000 unités A. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde couche est en alumine. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est en 35 silicium. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur (1) est en une 70 41000 8 2067335 matière fortement dopée d'un type de conductivité (ET+) avec une couche superficielle (2) près de la couche isolante (3, 4) du même type de conductivité, mais présentant un dopage moins important. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, comportant une-capacité isolante en s;érie avec une capacité superficielle dans le corps semi-conducteur, dispositif caractérisé en ce que les charges de la couche.isolante sont emmagasinées de manière telle que la capacité combinée varie linéairement avec la tension appliquée au corps Semi-conducteur et à la couche 10 isolante dans la gamme de fonctionnement. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'une couche résistive (5) est appliquée à la couche isolante, ladite couche résistive étant reliée aux deux couches métalliques opposées (6, 7) destinées à l'application de tensions, la couche 15 résistive servant à permettre l'application de tensions différentes sur des parties différentes de la couche isolante entre le corps semi-conducteur et la couche résistive (5). 12 - Procédé de production d'un dispositif à capacité variable en fonction de la tension selon la revendication 1, carac- 20 térisé en ce qu'il consiste à recouvrir un corps (1) de matière semi-conductrice d'un type de conductivité d'une couche isolante (3, 4) sur l'une de ses surfaces et à emmagasiner des charges électriques de manière permanente avec une distribution irrégulière de la charge dans la couche isolante. 25 13 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer tout d'abord une couche mince (3) de matière isolante et ensuite à appliquer une couche plus épaisse (4) d'une autre matière isolante sur la première couche, à appliquer ensuite une tension électrique élevée au dispositif à capacité de 30 manière à emmagasiner des charges électriques dans des pièges, qui sont formés dans l'interface entre les deux couches isolantes. 14 - Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer des tensions électriques de valeurs différentes à des parties différentes des couches isolantes. 35 1 5 '- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à la couche isolante des charges uniformément. réparties et à enlever ensuite des parties de la couche isolant:© de. façon que des parties différentes du corps semi-conducteur présentent des charges différentes.