Brevet FR2081125A1 — publié le 19711203

ta présente invention concerne des perfectionnements apportés à des dispositifs semiconducteurs qui possèdent au moins une jonction interne entre deux zones de conductivitésopposées.Plus particulièrement, l'invention vise à réaliser des dispositifs semiconducteurs présentant un claquage en volume dit "claquage par avalanche", réalisables sous de faibles dimensions et pouvant notamment constituer des diodes oscillant en hyperfréquences quand elles sont polarisées dans la région d'avalanche. Le phénomène de claquage est consécutif à l'application d'une tension inverse c'est-à-dire d'une tension tendant à provoquer la conduction à travers la Jonction dans un sens correspondant à une impédance élevée. Une jonction entre deux zones d'un matériau semiconducteur de types de conduction opposés offre une faible impédance pour un sens de circulation à travers elle et une impédance élevée pour l'autre sens. Lorsqu'une tension inverse est appliquée à une jonction sise entre deux zones de matériaux semiconducteurs offrant l'une un excès d'électrons libres (conduction de type N), et l'autre un excès de trous positifs (conduction de type P), la région voisine de la jonction s'appfauvrit en électrons libres et en trous positifs. Ceci est dû au fait que lorsqu'une tension positive est appliquée à la zone de conduction négative et inversement, les porteurs positifs sont attirés vers la borne négative et les porteurs négatifs vers la zone positive. Ainsi, ces porteurs sont "extraits" de la jonction pour former une région appauvrie.Cette région présente les propriétés d'un diélectrique, étant donné qu'elle est dépourvue de porteurs. En conséquence, une telle région présente une résistance élevée et est capable de supporter des tensions de grande amplitude. C'est ainsi quten pratique la région appauvrie peut supporter des tensions inverses de plusieurs centaines de volts, sans apparition de claquage interne dans le matériau. Cependant, de nombreux dispositifs à semiconducteurs ne peuvent réellement supporter qu'une fraction de la tension inverse que pourrait normalement supporter le matériau en raison du fait qu'il apparat tout d'abord un claquage en surface. De tels dispositifs présentent ainsi une "limitation de surface" qui conduit à une restriction sévère d'utilisation.Ce désavantage n'est que relatif présenter en importance, comparé à l'instabilité que peuvent f les dispo sitifs dans ce cas et à leur destruction éventuelle à la suit d'un claquage de surface. L'instabilité est plus fréquemment due au fait que l'état de surface du semiconducteur se modifie dans le temps et cei malgré des précautions sérieuses prises consistant notamment en des traitemept de surface et le placement dans une enceinte à atcontrôlée mosphère/. La destruction du semiconducteur est produite dès qu'une très faible énergie est absorbée au cours d'un claquage en surface. En effet, le courant s'écoule par une vote extreme- ment tenue empruntant des criques microscopiques de surface. De telles criques apparaissent habituellement en une zone de la surface de la pastille où émerge la jonction.Dans ces criques, il suffit d'une fraction de watt pour dégager une élévation de température provoquant la fusion et la destruction du dispositif et ce, indépendemzent de ses dimensions. Le problème de la tension inverse est si critique que les caractéristiques des régions transitoires en direction inverse sont établies sur la base due la tension et non de l'énergie. Lorsque le claquage dû à la tension inverse appliquée prend place au sein du matériau, en lieu et place de la surfaces le dispositif peut dissiper approximativement autant d'énergie, à la fois en régime permanent qu'en régime transitoire, en direction inverse et dans le sens direct. Le claquage s'effectuant au sein du matériau alors que le courant circule en direction inverse, est appelé "claquage par avalanche". Dans le cas d'une diode redresseuse au silicium, ce claquage constitue une caractéristique non destructive qui est largement utilisée, pour des puissances et tensions relativement faibles, dans les régulateurs de tension connus sous l'appelation de diodes Zéner. D'autres semiconducteurs utilisent le claquage par avalanche et sont de dimensions généralement plus importantes que les diodes précitées, ayant à supporter le plus souvent des puissances comparativement plus importantes. Leur réalisation permet. de localiser dans une région centrale la multiplication initiale des porteurs au moment du claquage, cette région étant entourée d'une seconde région déterminant des conditions de surface stables. À cause notamment de leur dimensions, ces éléments ne peuvent convenir pour être utilisés comme diode hyperfréquence, selon une application particulière envisagée pour l'invention. Suivant une caractéristique de la présente invention, on réalise une jonction présentant une zone centrale P+ (ou N+P) et une zone annulaire de type PN (ou NP) entourant la précédente, permettant d'obtenir un claquage par avalanche dans la zone centrale, le procédé mis en oeuvre autorisant la réalisation sous de faibles dimensions. Les caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limi- tatif, à l'aide des figures annexées qui représentent - les figures 1 à 5, des schémas en coupe relatifs aux étapes principales de réalisation d'un semiconducteur selon l'invention. - la figure 6, un schéma en coupe d'un semiconducteur équivalent à celui de la figure 5 où les conductivités sont inversées. Les différentes étapes principales concourant à la réalisation d'un semiconducteur conformément à la présente invention sont représentées sur les vues successives 1 à 5 annexées. De manière habituelle, le type de conduction d'une couche est désigné par la lettre N lorsqu'il y a excès d'électrons libres et par P lorsqu'il y a excès de trous positifs. D'autre part, le signe + indique un dopage élevé, l'absence de signe un dopage faible. Des couches P ou N, peu dopées, présentent par exemple une résistivité de 0,1 à 1 ohm-cm .N ohm-cm pour une zone P et de 0,1 à 1GC ohm-cm pour une zone N, tandis que des couches P+ ou N+, fortement dopées, peuvent présenter une résistivité de valeur 5 10 3 ohm-cm environ. Il est entendu que la réalisation décrite ci-après peut être considérée de manière semblable en inversant au fur et à mesure des opérations la conductivité considérée, P+ étant remplacé par N+, P par N et inversement, pour les différentes couches du semiconducteur. La figure 6 montre en coupe un semiconducteur obtenu dans ce cas, comparativement à celui représenté sur la figure 5. La figure -1 représente sous forme schématique la coupe transversale d'une pastille ou d'une rondelle en matériau semiconducteur tèl que le silicium Cette rondelle 10 est du type P+. Une couche P épitaxiale 20 est déposée sur la-rondelle 10 (fig. 2), son épaisseur étant de 4 à 10 microns par exemple. L'étape suivante (fig. 3) consiste à procéder à une diffusion sélective P+ dans une zone 30 délimitée de la couche épitaxiale 20 précédente. Cette zone est généralement choisie de section circulaire. Une couche N épitaxiale 40 est déposée sur l'ensemble 20-30 (fig. 4), son épaisseur étant du même ordre que celle de la couche 2G. Une diffusion N+ permet d'obtenir la couche 50 destinée à réaliser une prise de contact ohmique et, est suivie d'une attaque chimique localisée qui permet de délimiter la jonction et d'obtenir des bords inclinés (fig. 5). Les techniques de dép6 par épitaxie ou diffusion sont considérées comme connues et non décrites dans la présente invention q En particulier, la diffusion sélective P+ (fig. 3) nécessite préliminairement une oxydation de surface et, avant de procéder à épitaxie N (fig. 4) les zones oxydées résiduelles sont éliminées. Le semiconducteur sera de préférence réalisé avec du silicium compte tenu de l'état d'avancement de la technologie.- La jonction obtenue comporte une partie centrale entre les zones N et P+ des couches 40 et 30 en regard et une partie annulaire entre les zones N- et P correspondantes des. couches 40 et 20. La zone P (2û) présente une résistivité importante par rapport à celle de la zone P± (30). il en résulte, lorsqu'une tension inverse importante est appliquée, un claquage par avalanche localisé à la jonction interne 30-40, la jonction annulaire 20-40 ne présentant un claquage que pour des valeurs de tension comparativement beaucoup plus élevées. D'autre part, l'inclinaison de bords peut éliminer pratiquement toute possibilité de claquage en surface. Avant la diffusion localisée,zone P+(30), il est utile de procéder à une légère attaque chimique destinée à compenser l'autodiffusion se produisant dans les opérations ultérieures de dépôt de la zone N (40) et de diffusion de la zone Nf (50). Des semiconducteurs réalisés conformément au procédé décrit peuvent contituer des diodes hyperfréquence oscillant lorsqu'elles sont polarisées dans la région d'avalanche. ta description qui précède a été donnée à titre d'exemple non limitatif et il est entendu que toute variante de réalisation conforme aux caractéristiques exposées est incluse dans l'invention. -REVENXICAXIONS 1. Procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur possédant au moins une jonction interne entre deux zones de conductivités opposées et présentant un claquage par avalanche, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes principales suivantes opérées successivement à partir d'une plaquette semiconductrice de type P+ (ou N+Y très dopée a) épitaxie P (ou N) peu dopée sur une face de la plaquette, b) diffusion P+ (ou N+) très dopée et localisée à une zone déli mitée de la couche épitaxiale précédente, c) épitaxie N (ou P) peu dopée sur les couches précitée, d) diffusion N+ (ou P+) très dopée pour prise de contact ohmique, e) délimitation de la j onction par attaque chimique de manière à ohtenir, entourant une zone centrale NP+ (ou PN+), une zone annulaire NP (ou PN) délimitée et un profil de surface incline. 2. Semiconducteur comportant au moins une jonction interne entre deux zones de conductivits opposées et présentant un claquage par avalanche, caractérisé en ce qu'il comporte, sur une plaquette semiconductrice de type P+ (ou N+) très dopée, une couche annulaire P (ou N) peu dopée ayant un profil de surface incliné etsentourant une couche centrale P+ (ou N+ > très dopée puis une couche N (ou P) peu dopée surmontée d7lne couche N+ (ou P+) permettant une prise de contact ohmique. 3. Semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la resistivité des régions P+ (ou N+) est de 5-10-3 ohm-cm environ, celle des régions P (ou N) et N (ou P) de 0,i à 1 ohm-cm environ pour.une zone P et de 0,1 à 100 ohm-cm pour une zone N, ces dernises régions ayant une épaisseur de couche de 4 à 10 microns. 4. Bemiconducteur réalisé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le matériau utilisé est du silicium.