Brevet FR2088335A1 — publié le 19720107

La présente invention se rapporte aux dispositifs semiconducteurs et concerne plus particulièrement des dispositifs semi-conducteurs adaptés à opérer à des températures relativement élevées . 5 Pour obtenir des dispositifs semiconducteurs capables d'assurer un redressement fiable en régime continu à des températures dépassant 300°0 , il est nécessaire d'utiliser une matière semiconductrice ayant un écart énergétique relativement grand . La raison en est que le courant de fuite inverse en 10 fonction de la température d'un redresseur à 3onction p-n est lié par une fonction exponentielle inverse à la grandeur de l'écart énergétique de la matière semiconductrice . Pour éviter toute ambiguïté , il convient de préciser que, dans le présent mémoire descriptif , le terme " composés 15 III-V" entend désigner des matières semiconductrices choisies dans le groupe comprenant les arséniures , les ph.osph.ures , les antimoniures et les nitrures de gallium , d'indium , de bore ou d'aluminium . Ces composés présentent des écarts énergétiques relativement élevés , comparativement au silicium et au germa-20 nium qui sont couramment utilisés dans les redresseurs de puissance . En effet , l'arséniure et le phosphure de gallium ont respectivement des écarts énergétiques de l'ordre de 1,3 et 2,3 eV et des alliages de ces matières peuvent être préparés 25 avec divers écarts énergiques ayant des valeurs intermédiaires . A l'heure actuelle , la technologie des alliages d'ar-séniure et de phosphure de gallium s'est développée au point qu'il est possible de produire des matières semiconductrices ayant une pureté satisfaisante et que des fonctions p-n peuvent 50 y être formées par diffusion , par épitaxie en phase liquide ou de vapeur et par d'autres procédés . Ainsi, toutes ces matières conviennent particulièrement bien pour la production de redresseurs de puissance destinés à opérer à des températures élevées. Des tentatives ont été faites pour produire des redres-35 seurs de puissance en utilisant des matières semiconductrices du type arséniure et phosphure de gallium . Toutefois, ces tentatives n'ont pas abouti à la production d'un dispositif capable de façon fiable et en continu à des températures dépassant 300°0 en partie à cause de la difficulté de la réalisation de contacts 71 03558 2 2088335 ohmiques mécaniquement robustes à ces températures . Ces tentatives infructueuses impliquent l'utilisation de diverses "brasures pour lier la matière semiconductrice à un disque métallique d'adaptation de dilatation . Or , 5 les "brasures utilisées jusqu'à présent deviennent cassantes ou se détériorent autrement aux températures dépassant 300°C . De plus , pendant le brasage lui-même , des gouttelettes de brasure ont tendance à couler au-dessus de la jonction p-n de la matière semiconductrice . Ces gouttelettes 10 qui ne peuvent généralement pas être enlevées sans endommager le semiconducteur , court-circuiteut la jonction , rendant ainsi le dispositif inutilisable » La présente invention apporte un dispositif semiconducteur qui comprend un corps de matière semiconductrice 15 III-V, comme défini ci-dessus , et , au moins , un contact ohmi-que aboutissant au corps semiconducte-ur et incluant une couche métallique comprenant, au moins , de 1 'alumiiium , de l'argent ou du palladium . Cette couche métallique est disposée sur et est liée par diffusion à la surface du corps semiconducteur • 20 Un mode de réalisation de l'invention comprend un redresseur dans lequel un corps d'arséniure de gallium, de • phosphure de gallium ou d'un composé d'arséniure et de phosphure de gallium ayant une jonction p-n est pourvu d'électrodes d'aluminium . "Un alliage métallique ayant un coefficient de dilata- 25 tion thermique adapté à celui de la matière semiconductrice est « disposé sur les électrodes d'aluminium et tout l'ensemble est soumis à l'action de la chaleur et de la pression pour former des liaisons par diffusion entre les éléments adjacents . D'autres caractéristiques et avantages de 30 l'invention ressortiront de la description qui va suivre , donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif , en référence au dessin annexé , dans lequel : La Fig.1 montre un redresseur de puissance conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention , à un stade inter-35 médiaire de la fabrication ; La Fig.2a montre un redresseur de puissance conforme à un autre mode de réalisation de l'invention ; et, la Fig.2b montre un redresseur de puissance P-I-N conforme à une troisième variante de réalisation de l'invention . 71 03553 3 2088335 En se référant à la Fig.1, on voit un redresseur 1 dont la partie active est constituée par un dé 2 d'une matière semiconductrice des groupes III-V, telle que l'arséniure de gallium , comportant une première région 3 ayant le mode de 5 conduction p et une seconde région 4- ayant le mode de conduction n , ces deux régions étant séparées par une jonction p-n 5° Sur la face supérieure du dé semiconducteur 2 est disposée une couche d'aluminium 6 qui peut avoir une épaisseur de l'ordre de 25/u. . De même , une couche d'aluminium 7 d'une épaisseur de 10 25/u est disposée sur la face inférieure du dé 2 . L'épaisseur des couches d'aluminium 6 et 7 n'est pas très critique et peut atteindre d'une part jusqu'à 500/u et , d'autre part, peut descendre à seulement 2000 A . Lorsque les couches 6 et 7 sont très minces , elles peuvent être formées par des techniques de vapo-15 risation ou de pulvérisation anodiques . Les couches d'aluminium 6 et 7 sont liées par diffusion et forment respectivement des contacts ohmiques avec les régions p et n 3 et 4 • Sur chacune des couches d'aluminium 6 et 7 est disposée une couche métallique 8 ou 9 relativement épaisse , 20 comparativement à la couche sousjacente 6 ou 7 • Les couches métalliques 8 et 9 peuvent avoir une épaisseur de l'ordre de 250 à 500yu . Etant donné que l'aluminium a un coefficient de dilatation thermique relativement élevé comparativement à l'ar-25 séniure de gallium, il convient d'empêcher une dilatation latérale des couches d'aluminium 6 et 7 par rapport au dé semiconducteur 2 si l'on veut obtenir une liaison mécanique robuste . Oe mouvement latéral des couches 6 et 7 est empêché par les couches relativement épaisses 8 et 9 qui sont liées par diffusion aux 30 couches d'aluminium adjacentes 6 et 7 • Les couches relativement épaisses 8 et 9 comprennent Tin alliage fer-nickel contenant 46 % de nickel et 54- % &e fer , qui serait qualifié ci-contre d'alliage 46, alliage qui a un coefficient de dilatation thermique très voisin de celui de 35 l'arséniure de gallium constituant le dé 2 . Le second redresseur de puissance 10 conforme à l'invention , représenté sur la Fig. 2a , est identique au redresseur 1 de la Fig.1 . Toutefois, au lieu d'un dé unique d'arséniure de gallium contenant une jonction p-n , la partie 71 03558 4 2088335 active de ce redresseur est constituée par tua dé 11 d'arséniure de gallium de type p et par un dé adjacent 12 d'arséniure de gallium de type n . Une liaison par diffusion est réalisée entre les deux dés 11 et 12, de sorte que l'interface 5* entre 5 les dès voisins présente la continuité physique voulue et constitue une jonction p-n . Une autre variante de réalisation de l'invention , illustrée par la Fig.2b , est un redresseur de puissance 13 identique à celui de la Fig.2a, mais comportant un 10 troisième dé semiconducteur 14 en arséniure de gallium pratiquement intrinsèque interposé entre le dé p 11 et le dé n 12 . Comme précédemment , une liaison par diffusion est réalisée entre les dés voisins , de sorte que l'interface 15 entre les dés 11 et 14 et l'interface 16 entre les 15 dés 12 et 14 présente la continuité physique voulue . Le redresseur 1 ( Fig.1) est fabriqué en produisant d'abord ( par diffusion ou par des techniques d'épi-taxie en phase de vapeur ou en phase liquide universellement connues) un dé d'arséniure de gallium 5 ayant une région p 3 20 et une région n 4 séparées par une jonction p-n 5* Le dé 2 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 125 à 375/u. et un diamètre de 2,5 à 5 mm » par exemple , pour une intensité nominale d'environ 50 ampères en polarisation directe . On polit le dé 2 afin de produire deux 25 grandes faces bien lisses . Après le polissage , on prépare le " sandwich " en plaçant d'abord un disque d'aluminium" , ayant une épaisseur de l'ordre de 25/u , près de chacune des grandes faces du dé 2 . Des disques 8 et 9 d'alliage 46 , ayant une épaisseur de l'ordre de 250^/u , sont ensuite placés sur les 30 faces apparentes de chacun des disques d'aluminium 6 et 7 . On place ensuite tout le " sandwich " dans un récipient réfractaire 17 constitué par une matière telle que le quartz , 11 alumine ou le nitrure. de bore, et on fait le vide à l'intérieur du récipient 17 ou bien on remplit celui-ci 35 avec un gaz inerte , tel que l'argon . On utilise des tampons inertes de matière réfractaire ( non représentés) pour exercer une pression sur l'es faces supérieure et inférieure du sandwich ( comme l'indiquent les flèches sur la Fig.1 ) . Une pression absolue de 71 03553 5 2088335 l'ordre de 7 à 700 Kg/cm2 doit être utilisée , le domaine préféré se situant entre 35 et 140 kg/cm2 . Une valeur particulièrement préférée est d'environ 70 kg/cm2 . Tout en maintenant la pression sur les faces 5 supérieure et inférieure du sandwich, représenté sur la Fig.1, on chauffe 1'ensemble à une température de l'ordre de 400 à 650°C au moyen d'une bobine d'induction à haute fréquence 18 • On maintient la température et la pression indiquées pendant un temps suffisant pour que se produise une 10 diffusion entre les surfaces adjacentes afin de réaliser des contacts mécaniques robustes et des contacts électriques ohmiques entre les éléments adjacents • La technologie des liaisons par diffusion étant , dans ses aspects généraux , exposée dans les brevets 15 américains N° 3 197 858 et 3 333 324 , il serait superflu de s'y étendre plus longuement ici • Avec une pression de l'ordre de 70 kg/cm2 et une température de l'ordre de 550°C , on constate que le redresseur de puissance peut être lié en une structure unitaire 20 acceptable en l'espace de 5 minutes . D'autres composés du groupe III-V peuvent être utilisés pour produire le dé 2, les alliages d'arséniure et de phosphure de gallium étant préférés . Pour réaliser des dispositifs opérant à des températures de l'ordre de 300 à 25 450°0 , une matière ayant la composition suivante : GaAsQ q^Pq ^ convient particulièrement bien . La Demanderesse préfère utiliser des composés GaAs^P^^ dans lesquels x se situe entre 0,9 et 0,7 • La Demanderesse a constaté que si l'on ap-30 plique le procédé de liaison par diffusion entre une couche d'aluminium et un corps semiconducteur comprenant de l'arséniure de gallium , du phosphure de gallium ou divers alliages de ces matières, l'interface résultante entre l'aluminium et les matières semiconductrices est mécaniquement robuste et constitue 35 un bon contact ohmique à des températures supérieures à 300°C . On présume que ces qualités sont dues , au moins en partie , à la diffusion des atomes d'aluminium dans la matière semiconductrice où ils se substituent aux atomes de gallium dans le réseau cristallin • 71 03558 6 2088335 Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus , on utilise de l'aluminium pur , mais il est bien évident que divers alliages contenant de l'aluminium peuvent aussi être utilisés • Le redresseur de puissance 10 représenté sur la 5 Fig. 2a est fabriqué par un procédé analogue à celui utilisé pour le dispositif 1 . Toutefois, au lieu de partir d'un dé unitaire d'arséniure de gallium contenant une jonction p-n , on. dispose initialement de deux dés séparés 11 et 12 ayant respectivement une conduction p et n . 10 Avant d'assembler le " sandwich. " de la Fig. 2a , on dope chacun des dés 11 et 12 avec l'impureté désirée par diffusion , croissance d'une fonte dopée ou par toute autre technique appropriée . On produit sur chaque dé 11 et 12 une surface optiquement plane . 15 On assemble ensuite les éléments comme représenté sur la Fig.2a , en prenant bien soin de placer les dés 11 et 12 de manière que les axes "cri stallo graphique s des surfaces adjacentes de ceux-ci soient alignés à l'interface 5' • On expose ensuite le sandwich résultant à l'action 20 de la chaleur et de la pression, comme pour le dispositif de la Fig.1 , de sorte qu'il se produit une interdiffusion entre les' surfaces adjacentes , produisant ainsi une structure unitaire • Dans le cas de la Fig. 2a, chacun des dés 11 et 12 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 125/u. ; et une pression de 70 kg/cm2 25 sous une température de 550°C peut être maintenue pendant^ un temps de l'ordre de 5 minutes pour produire le redresseur voulu . Le redresseur de puissance P-I-N représenté sur la Fig. 2b est fabriqué par un procédé analogue à celui utilisé pour le redresseur à jonction p-n de la Fig.2a . Toutefois, dans 50 ce cas , on prévoit trois dés monocristallins individuels 11, 14 et 12 respectivement de P, I et N . La graïide face de chacun de ces dés est alignée parallèlement au même plan cristallogra-phique donné . Les grandes faces de chaque dé , en particulier, les faces qui sont au contact d'un dé adjacent , sont optique-35 ment planes . Cette planéité optique peut être réalisée par clivage , polissage ou tout autre technique appropriée • Comme précédemment , on assemble la structure feuilletée ou le " sandwich " 13 de là Fig. 2b en plaçant les divers éléments l'un sur l'autre . On peut utiliser les mêmes 71 03558 7 2088335 valeurs de pression, de température et de durée que pour la structure de la Fig.2a, pour former les liaisons de diffusion désirées entre les surfaces de contact , de façon à réaliser une continuité physique aux interfaces entre les régions semiconductrices 5 adjacentes . La structure représentée sur les Fig. 1, 2a et 2b peut , après la fabrication, être assemblée dans un emballage approprié . La Demanderesse préfère enrober le dispositif dans une matière réfractaire , telle que le verre , le Pyrocéram, 10 11 alumine , la glycine , ou tout autre céramique appropriée , afin de protéger les diverses jonctions semiconductrices aux endroits où elles débouchent à la surface du dispositif . Des connexions électriques peuvent être fixées aux couches terminales 8 et 9 par soudage , par brasage à haute 15 température ou par tout autre moyen approprié . Il est à noter que les liaisons par diffusion formées dans chaque cas entre les couches d'aluminium 6 et 7 et la matière semiconductrice sont des liaisons d'interdiffusion en phase solide , car il ne se produit pratiquement aucune fusion 20 ni de l'aluminium , ni de la matière semiconductrice dans la région de l'interface . Ceci est évident du fait que l'aluminium et l'arséniure de gallium ( ainsi que les autres substances des groupes III-V) ont des points de fusion supérieurs à 650°C, température maximale utilisée pour former les liaisons de diffusion . 25 Par ailleurs , l'aluminium ne forme pas un composé eutectique ayant un point de fusion plus bas avec 11arséniure de gallium . On a également trouvé avantageux de lier des électrodes de tantale aux dispositifs à base d'arséniure de gallium . Ceci peut être réalisé en accord avec le processus de 30 liaison par diffusion de la présente invention comme suit : Tout d'abord , on appose à la surface du corps d'arséniure de gallium renfermant la jonction p-n , comme décrit ci-dessus , avec lequel un contact doit être établi et sur l'électrode de tantale , un mince revêtement de palladium en traitant 35 ces surfaces avec une solution aqueuse de KgPd(ÏK^^SO^ contenant, par exemple , 0,39 g/1 de palladium • On agglomère ensuite les deux éléments plaqués de palladium dans l'argon pendant 10 minutes à 600°C . Ensuite , on plaque les deux éléments avec de 71 03558 8 2088335 l'argent jusqu'à une épaisseur de 2 à 3 microns , puis les éléments plaqués sont à nouveau agglomérés dans l'argon pendant 10 minutes à 600°C . A ce stade , si l'on a utilisé une plaquette complète d'arséniure de gallium , on en sépare les dispositifs 5 individuels ( des diodes de puissance) par exemple , par un procédé approprié . On relie ensuite 1'électrode de tantale à chaque dispositif en plaçant line surface plaquée de l'électrode au contact d'une surface plaquée du dispositif et en pressant 10 les deux éléments l'un contre l'autre sous une pression de 70 à 140 kg/cm2 et en chauffant à 5^-0° C dans une atmosphère gazeuse pendant 15 minutes . Lorsque l'argent utilisé dans l'opération ci-dessus est très pur, il est possible de supprimer la pellicule 15 de palladium . Il est également possible d'utiliser seulement une pellicule de palladium relativement épaisse à la place de l'argent . Dans tous les cas , les étapes d'agglomération et de chauffage sous pression sont les mêmes que quand on utilise une combinaison de palladium et d'argent • 71 03553 9 2088335 REVENDICATIONS 1 . Dispositif semiconducteur qui comprend un corps de matière semiconductrice choisie dans le groupe comprenant les arséniures, les phosphures , les antimoniures et les nitrures de gallium , 5 d'indium , de bore ou d'aluminium , caractérisé par , au moins , un contact ohmique aboutissant à ce corps et incluant une couche métallique comprenant une substance telle que l'aluminium , l'argent ou le palladium ou une combinaison d'argent et de palladium sur -une surface donnée dudit corps , et une liaison diffusée 10 entre ladite couche et ladite surface • 2 . Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ladite matière est choisie dans le groupe comprenant l'arséniure de gallium et l'arséniure - phosphure de gallium . 3 . Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ladite couche 15 métallique est relativement mince et qui comprend, en outre , une couche relativement épaisse liée à la face découverte de ladite couche métallique , cette couche relativement épaisse étant constituée par une matière dont le coefficient de dilatation thermique est sensiblement égal à celui de ladite matière semiconduc— 20 trice . 4 . Procédé pour fabriquer un dispositif semiconducteur caractérisé par les étapes suivantes : il consiste à préparer un corps de matière semiconductrice choisie dans le groupe comprenant les arséniures , les phosphures , les antimoniures et les nitrures 25 de gallium , d'indium , de bore ou d'aluminium , ledit corps ayant une première et une seconde régions ayant des modes de conduction donnés et respectivement opposés avec une barrière entre elles , ces deux régions s'étendant respectivement à une première et à une seconde grandes faces opposées dudit corps ; à placer des couches 30 métalliques comprenant une" substance telle que l'aluminium,!1argent, le palladium et 1'argent-palladium en contact intime avec chacune desdites grandes faces ; à appliquer auxdites couches et audit corps une pression comprise entre 7 et 700 kg/cm2 ; et, tout en maintenant ladite pression, à chauffer ledit corps et lesdites 35 couches à une température inférieure au point de fusion dudit corps et desdites couches et inférieure au point d'eutexie de la 71 03558 10 2088335 matière dudit corps et desdites couches , pendant un temps suffisant pour produire une liaison mécaniquement robuste et ohmique entre chacune de ses grandes faces et la couche métallique adjacente. 5 5.Dispositif selon la revendication 3 dans lequel ladite matière est choisie dans le groupe comprenant l'arséniure de gallium et 11arséniure-phosphure de gallium, ladite couche métallique étant constituée par une mince pellicule de palladium et par une couche plus épaisse d'argent , ladite température étant d'environ 5^-0°G 10 et ladite pression étant comprise entre 70 et 140 kg/cm2 . 6 . Procédé pour fabriquer un dispositif semiconducteur caractérisé par les étapes suivantes s on prépare un premier dé d'une matière semiconductrice monocristalline ayant tin certain mode de conduction choisie dans le groupe comprenant les arséniures , les 15 phosphures , les antimoniures et les nitrures de gallium, d'indium , de bore ou d'aluminium , ledit dé ayant des grandes faces opposées s'étendant parallèlement à un axe cristallographique donné de ladite matière : à préparer un second dé de matière semi-conductrice / monocristalline ayant le mode de conduction opposé choisie dans 20 ledit groupe , ce second dé ayant des grandes faces opposées situées parallèlement audit axe donné ; à amener la première grande face du premier dé au contact de l'une des grandes faces du second dé ; à placer une couche métallique constituée essentiellement par un métal tel que l'aluminium , l'argent , le palla-25 dium ou un composé de palladium et d'argent , en contact iatime avec l'autre grande face de chaque dé , à appliquer auxdites couches et auxdits dés une pression comprise entre 7 et 700 kg/cm2 et , tout en maintenant cette pression, à chauffer lesdites couches et lesdits dés à une température inférieure au point de fu-30 sion dudit corps et desdites couches et inférieure au point d'eu— texie de la matière dudit corps et desdites couches , pendant un temps suffisant pour produire une structure unitaire telle que l'interface entre lesdites grandes faces et une liaison mécaniquement robuste et ohmique est formée entre chacune desdites 35 couches et la grande face adjacente du dé correspondant . 7 • Procédé selon la revendication 6 qui consiste , en outre , avant l'étape d'application de la pression, à interposer entre le premier et le second dés un troisième dé constitué par une ma 71 03553 n 2088335 tière semiconductrice monocristalline pratiquement intrinsèque choisie dans ledit groupe , ce troisième dé ayant des grandes faces opposées optiquement planes situées dans un plan parallèle audit axe donné , les grandes faces de ce troisième dé 5 étant amenées au contact des grandes faces correspondantes des deux premiers dés . 8 . Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'une , au moins , desdites couches métalliques est relativement mince , et qui comprend l'étape supplémentaire consistant à lier un 10 élément relativement épais à la face découverte de l'une au moins , desdites couches , cet élément ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui de la matière semiconductrice qui est au contact de l'autre face de la couche considérée .