Brevet FR2090302A1 — publié le 19720114

1899S 1 2090305 La présente invention est relative au:-: dispositifs semiconducteurs et concerne plus particulièrement les dispositifs redresseurs de puissance à barrière de Schottky. La diode à barrière de Schottky possède certains avantages sur les disposi-5 tifs à jonction p.n. Premièrement, la chute de tension directe d'une diode à barrière de Schottky est inférieure à celle d'une diode à jonction p.n. comparable et, deuxièmement, vu que la diode à barrière de Schottky est un dispositif à porteurs majoritaires, il n'y a pas d'effet de stockage de porteurs minoritaires pendant la commutation. 10 Toutefois, quand une diode à barrière de Schottky est polarisée en tension inverse, un courant de fuite apparaît au bord situé entre le contact anodique et la région se trouvant sous ce contact. Cette situation fait que la tension de blocage inverse du dispositif est déterminée par l'effet de bord plutôt que par l'effet de barrière de Schottky. 15 Un des buts de l'invention est de fournir une structure de redresseur de puissance à barrière de Schottky qui neutralise l'effet de courant de fuite de bord. Diverses méthodes sont actuellement utilisées couramment pour neutraliser l'effet de bord dans le dispositif mais elles nécessitent des procédés supplé-20 nientaires qui mènent à vin prix plus élevé. Un autre but de l'invention est de réaliser une structure de redresseur de puissance à barrière de Schottky pouvant être fabriquée à beaucoup meilleur compte que toutes celles connues antérieurement. L'invention consiste en un dispositif semiconducteur du type à barrière de 25 Schottky comprenant un corps en matériau semiconducteur, le dit corps ayant des faces principales opposées ainsi que des première et seconde régions de même type de conductivité, la dite première région étant dopée à une concentration plus élevée que la dite seconde région, ces dites régions s'étendant chacune de l'une des dites faces principales jusqu'à un interface situé à l'intérieur du 30 dit corps, un contact ohmique de cathode fixé à la dite première région sur 1' une des dites faces principales, un contact d'anode à barrière de Schottky fixé à la dite seconde région sur l'autre des dites faces principales, caractérisé en ce qu'il comporte une couche biseautée en matériau à résistance électrique élevée s'étendant latéralement du dit contact d'anode jusqu'à la surface de la 35 dite seconde région, la dite couche biseautée étant plus épaisse à la périphérie du dit contact d'anode qu'à la surface de la dite seconde région. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre ainsi qu'aux dessins annexés. Les figures 1, 2 et 3 sont des vues latérales, partiellement en coupe, de bO dispositifs antérieurs à barrière de Schottky. 71 io9?; 2 2090302 La figure U est une vue latérale, partiellement en coupe d'un dispositif à V-arrière de Schottky réalisé suivant l'invention. La figure 5 est une représentation schématique montrant comment fonctionne le dispositif à barrière de Schottky suivant l'invention. ; La figure 6 est une représentation schématique sous forme de circuit du dispositif suivant l'invention. La structure d'un redresseur a barrière de Schottky est représentée schéma-tiquement à la figure 1 dans sa forme la plus simple. Lorsque la diode 10 est polarisée en tension inverse et que le contact mé-10 tallique de barrière de Schottky 12 est rendu négatif par rapport au contact de cathode iH, une région d'appauvrissement 16 s'étend du contact 12 vers l'interface compris entre la région H1d et la région K+20. Le champ électrique atteint u: maximum à l'interface 22 entre le contact 12 et la région 18 et décroît linéairement pour atteindre zéro à la profondeur d'appauvrissement 2k. 1? . Le champ électrique au bord 25 du contact métallique 12 est même plus élevé Ù cause de 1'effrangement du champ électrique et, si la polarisation inverse augmenta, un courant de fuite excessif apparaît au bord 25 du contact 12. Cet état de fait est à l'origine de ce que la tension de blocage inverse du dispositif est déterminée par l'effet de oord plutôt que par la barrière de Schottky. 20 Deux méthodes sont actuellement couramment utilisées pour neutraliser l'ef fet de bord dans le dispositif. Comme visible à la figure 2, dans l'une des deux méthodes actuelles actuellement utilisées couramment, une couche 30 d'oxyde présentant une fenêtre 32 est formée sur la surface de la région 18 avant la formation du contact d'anode. Le 25 contact d'anode 12 vient s'appliquer sur la région 18 à travers la fenêtre 32 et recouvre la couche d'oxyde entourant celle-ci. Lorsque la diode est polarisée en tension inverse, le champ électrique dans la région 18 au bord 3^ du contact métallique 12 d'anode, est plus faible que directement sous le contact 12 parce que le champ électrique doit pénétrer l'oxyde. 3C "ciarne indiqué à la figure 3, dans la seconde méthode actuellement employée eom-aïuiienc, une région a'anneau de garde 'iC d'un type de conductivité opposé par rapport à celui cie xa région Ici esr, formée dans celui-ci par diffusion. Le bord du contact 12 s'arrête, au-dessus de 1'anneau de garde 36. En fait, ce dispositif force leux dispositifs à carrière le Schottky. L'un d'eux est constitué par l'a-35 node 12 at la région i3 et l'autre par l'anode 71 18995 3 2090302 mais cependant, la structure nécessite des traitements supplémentaires et les rendements sont faibles. La figure U représente un redresseur de puissance à barrière de Schottky 110 réalisé suivant la présente invention. Dans le but de faciliter les explica-5 tions, le dispositif 110 sera décrit en considérant qu'il s'agit d'un dispositif au silicium. Le dispositif 110 comporte une région N+ de silicium 50 fortement dopée, une région N de silicium 52 moins dopée, formée par croissance épitaxiale sur la surface 5^ de la région 50» un contact ohmique 56 sur la surface 58 de la ré-10 gion 50, un contact d'anode à barrière de Schottky 60 sur la surface 62 de la région 52 et une couche biseautée 63 en matériau à résistance élevée disposée sur la surface 62 autour du contact 60 et s'étendant latéralement vers la surface 62. ^ . 17 ^ 21 La région +N50 est dopée jusqu'à une concentration allant de 10 à 10 15 atomes de dopant par centimètre cube de matériau semiconducteur. Parmi les dopants qui donnent satisfaction, on peut citer: l'arsenic, l'antimoine et les phosphores. La région N+50 peut être dopée jusqu'à un niveau donné pour éviter une résistance série parasite pendant la conduction directe du dispositif. L'épaisseur de la région 50 n'est pas critique. Elle doit cependant être 20 suffisamment épaisse pour permettre la manipulation du dispositif pendant sa fabrication mais pas assez pour qu'il en résulte une résistance électrique importante. De préférence, la région 50 aura une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,25 millimètres. 15 16 La région N52 est dopée jusqu'à une concentration allant de 10 à 10 25 atomes de dopant par centimètre cube de silicium pour les dispositifs de puis- ^ _ 1^ sance. Si la région 52 est dopée jusqu'à une concentration inférieure à 10 , le dispositif présentera une chute de tension directe élevée. Si la région est do- 16 pée jusqu'à un niveau de concentration beaucoup supérieur à 10 , il y aura un champ électrique élevé développé à l'interface entre la région 52 et le contact 30 60 pendant la polarisation inverse, ce qui se traduira par une coupure en avalanche et de faibles caractéristiques de blocage inverse. L'épaisseur de la région 52 est une fonction de la tension inverse que le dispositif doit manoeuvrer. Le paramètre tension inverse impose également le ni- ✓ 15 veau de dopage. Une région dopée jusqu'à un niveau de 6 x 10 dans ion disposi- 35 tif manoeuvrant 0,5 volt avec une densité de courant de 50 ampères par centimètre carré doit avoir une épaisseur d'environ trois microns. Le contact 56 est un contact ohmique disposé sur la région 50- Si la région 50 est dopée jusqu'à un niveau situé entre 10^ et 10^, le contact 56 est de préférence constitué d'un alliage contenant un dopant du type n tel que, par 1+0 exemple, un alliage or-antimoine qui, si on le désire, peut être partiellement 71 18995 2090302 diffusé dans la région 50 après que le contact ait été fixé. Si la région 50 est dopée jusqu'à un niveau allant de 10^ à 10^, le contact peut être réalisé en n'importe quel métal. Dans chaque cas, le contact 56 peut être fixé sur la surface 58 par tout 5 procédé connu dans la technique et de préférence par placage ou par évaporation. o Dans de tels dispositifs, une épaisseur d'environ 1 000 A est une épaisseur type. Le contact d'anode à barrière de Schottky 60 peut être réalisé en tout métal ayant une "fonction" de travail élevée, comme par exemple, l'aluminium, le chrome, le platine, le tungstène, le molybdène, le tantale, l'or, l'argent et 10 les alliages à base de ces métaux. De plus, le contact 60 peut être constitué d' un matériau composite comportant une première couche d'un métal à"fonction" de travail élevée, en contact avec la région 52 et une seconde couche d'un matériau facilement soudable tel que le nickel. L'épaisseur du contact d'anode à barrière de Schottky doit être d'au moins o 15 2 000 A . La couche 63 en matériau à résistivité élevée peut consister en un alliage métallique, m matériau semiconducteur ou un conpound consistant en une combinaison d'un matériau céramique et d'un métal. Comme alliage de métaux convenant pour la couche 63, on peut citer les al-20 liages nickel-chrome du type vendu sous la marque "Nichrome" qui comportent, en poids: 60 % de nickel, 2b % de fer et 16 % de chrome. Un autre alliage pouvant convenir comporte, en poids: 73,5 % de nickel, 20 % de chrome, 5 % d'aluminium et 1,5 % de silicium. Comme matériaux semiconducteurs pouvant convenir pour la couche 63, on peut 25 citer: le tellure, le sulfure de cadnium, le séléniure de cadnium, 11antimoniure d'indium, l'arséniure d'indium, l'arséniure de gallium, le silicium, le sulfure de plomb, le séléniure de plomb et le tellure de plomb. A titre d'exemples de compounds céramique-métal pouvant entrer dans la constitution de la couche 63, il faut citer: les compositions réfractaires pré-30 parées par liaison de grains de céramiques, de carbures métalliques et de nitru-res avec du métal. Ces compounds sont connus sous le nom de "cermets" et contiennent de façon caractéristique du nickel avec du silicate de plomb; du chrome avec du silicate d'aluminium; du tungstène avec des oxydes de béryllium et d'aluminium; et du molybdène avec des oxydes de calcium et d'aluminium. 35 L'épaisseur de la couche biseautée 63 sur sa longueur à partir du point 6b situé à la périphérie du contact 60 jusqu'au point 66 où elle se termine sur la surface 62, dépend du matériau employé. Au point où elle est le plus épaisse,à la périphérie du contact 60, la couche 63 devrait avoir une résistance de 10 à 10^U ohms par carré et au point où elle est le plus mince, c'est-à-dire en 66, 12 1 is-0 où elle approche la surface 62, elle devrait avoir une résistance de 10 à 10 71 18995 5 2090302 ohms par carre. Si la couche biseautée 63 est en tellure, son épaisseur sera d'environ 200 o A au point 6k. La couche 63 est biseautée à partir du point où son épaisseur est le plus 5 forte, c'est-à-dire au point 6U situé à la périphérie du contact 60 pour aller pratiquement à zéro au point 66. La distance entre les points 6k et 66, repérée "d" à la figure k, est au moins égale à l'épaisseur "D" indiquée également à la figure 4, qui représente l'épaisseur de la région 52. La couche b3 peut être appliquée par les techniques de film bien connues. 10 Si le contact 60 a été appliqué par évaporation sous vide à travers un masque maintenu tout contre la surface 62, le masque ne doit être déplacé que d'une faible distance, par exemple de 6 mm de sa position initiale et le matériau résistant 'peut être déposé en utilisant le même masque. Il faut noter que ce procédé peut donner comme résultat une couche de maté- 15 riau résistant qui est déposée sur la face supérieure 70 du contact 60. Si l'é- o paisseur d'une telle couche dépasse 100 à 150 A il est nécessaire soit d'enlever toute la couche, soit de pratiquer dans celle-ci une ouverture pour faciliter la réalisation du contact électrique avec le contact 60. Le principe de fonctionnement du dispositif suivant l'invention est expliqué 20 en se référant aux figures 5 et 6. En cours de fonctionnement du dispositif, il existe un courant de fuite limité, désigné par ig, au bord 50 de la couche à forte résistance 63, mais si ce courant doit alors circuler dans le plan de la couche 63 vers le contact d'anode 60, il y aura une chute de tension dans la dite couche qui se traduira par 25 une baisse du champ au bord de la barrière de Schottky entre le contact 60 et la région 52. Plus le courant de fuite sera important, plus grande sera la chute de tension à travers la couche résistante et plus faible sera le champ au bord de la barrière de Schottky. Le résultat final se traduit par un amincissement de la région d'appauvrissement au bord du contact d'anode et par une réduction 30 du courant de fuite de bord comme indiqué à la figure 5• La figure 6 montre un schéma d'équivalence du dispositif suivant l'invention. La diode 90 est la diode à barrière de Schottky qui comporte le contact 60 et la région 52 sans disque, la diode 92 est la diode à barrière de Schottky 35 comportant la couche 63 et la région 52. Bien que l'invention ait été décrite en fonction d'un dispositif au silicium, il est bien entendu que les principes de cette invention sont également d' application à des dispositifs à barrière de Schottky fabriqués à partir de n'importe quel autre matériau semiconducteur. Il doit également être bien entendu que le matériau semiconducteur constituant le dispositif peut être soit un maté-40 riau du type n soit un matériau du type p. 71 18v^5 6 2090302 REVENDICATIONS. 1. Dispositif semiconducteur du type à barrière de Schottky comprenant un corps en matériau semiconducteur, le dit corps ayant aes faces principales opposées ainsi que des première et seconde régions de même type de conductivité, la dite première région étant dopée à une concentration plus élevée que la dite seconde région, ces dites régions s'étendant chacune le l'une des dites faces principales jusqu'à un interface situé à l'intérieur du ciit corps, un contact ohmique de cathode fixé à la dite première région sur l'une des dites faces principales, un contact d'anode à barrière de Schottky fixé à la dite seconde région sur l'autre des dites faces principales, caractérisé en ce qu'il comporte une couche biseautée en matériau à résistance électrique élevée s'étendant latéralement du dit contact d'anode jusqu'à la surface de la dite seconde région, la dite couche biseautée étant plus épaisse à la périphérie du dit contact d'anode qu'à la surface de la dite seconde région. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche biseautée en matériau à haute résistance électrique présente une résistance de 10' à :û!° ohms par carré à sa partie la plus épaisse et une résistance de 10^ à 101-^ ohms par carré à sa partie la plus mince. 3. Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la dite couche biseautée s'étend latéralement à partir du contact d'anode sur une distance au moins égale à l'épaisseur de la seconde région. U. Dispositif suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la dite couche biseautée en matériau à haute résistance électrique est réalisée avec un matériau choisi dans les groupes ci-après, formés par des alliages métalliques, des matériaux semiconducteurs et des "eermets". 5. Dispositif suivant la revendication S caractérisé en ce que la dite couche biseautée en matériau à haute résistance électrique est réalisée en alliage métallique contenant du nickel et du chrome. 6. Dispositif' suivant la revendication U, caractérisé en ce que la dite couche biseautée en matériau à haute résistance électrique est constituée d'un matériau semiconducteur choisi dans le groupe forme par le tellure, le sulfure de cadmium, le séléniure de eadaâuia, l'arxtimoniure d'indium, l'arséniure d'indium, l'arséniure de gallium, le silicium, le sulfure de plomb, le séléniure de plomb, le tellure de plomb.