Brevet FR2096602A1 — publié le 19720218

2.096602 La présente invention est relative aux dispositifs semiconducteurs et concerne plus particulièrement les transistors à effet de champ à barrière de Schottky ainsi que les méthodes et procédés pour- leur fabrication. L'un des problèmes les plus importants poses lors de l'utilisation des dis-5 positifs semiconducteurs de puissance est l'évacuation de chaleur de l'endroit où elle est engendrée dans, la niasse ûu matériau semiconducteur vers un élément conducteur de la chaleur d'un échangeur. Le problème d'évacuation de chaleur est particulièrement difficile lorsque le matériau semiconducteur possède une faible conductivité thermique. C'est le cas, par exemple» de l'arséniure de gallium. 10 Le but de la présente invention est un procédé pour la fabrication des tran sistors à effet de champ â barrière de Schottky ayant une faible impédance thermique. Par conséquent, le procédé pour la fabrication de transistors à effet de champ à barrière de Schottky à faible impédance thermique comporte les phases 15 suivantes; (l) développement d'une couche épitaxiale de type H légèrement dopée sur une des deux grandes faces opposées d'un substrat de type N, fortement dopé, d'un matériau semiconducteur; (2) développement d'une couche épitaxiale de matériau semi-isolant sur une surface de la dite couche épitaxiale légèrement dopée, la dite surface de la dite couche épitaxiale légèrement dopée étant opposée et 20 en principe parallèle à la dite grande face du dit substrat; (3) la fixation d* un élément métallique d'échangeur de chaleur sur une surface de la dite couche épitaxiale semi-isolante, la dite surface de la dite couche épitaxiale semi-isolante étant opposée et en principe parallèle à la dite surface de la dite couche épitaxiale légèrement dopée; (*+) la réduction de l'épaisseur du dit sub-25 strat; et (5) la fixation de contacts de grille, d'émetteur et de collecteur sur l'autre grande surface du dit substrat. Un transistor à effet de champ à barrière de Schottky à faible impédance thermique suivant le dit procédé, est constitué: d'une couche en matériau semiconducteur de type N fortement dopé, la dite souche ayant deux grandes faces op-30 posées, d'une couche épitaxiale de type N légèrement dopée de matériau semiconducteur développé sur une grande face de la dite couche de type N fortement dopée, d'une couche épitaxiale semi-isolante développée sur une surface de la dite couche faiblement dopée, cette surface étant opposée et en principe parallèle à la grande face du dit substrat, d'un élément d'échangeur de chaleur fixé à la 35 dite couche semi-isolante, et de contacts électriques de grille, d'émetteur et de collecteur disposés sur l'autre grande face de la dite couche de type N fortement dopée. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: ^0 - La figure 1 est une coupe d'un dispositif connu. 71 23604 2 2096602 - Les figures de 2 à 5 sont des vues latérales d'un corps en matériau semiconducteur suivant la présente invention, et - La figure 6 est un transistor à effet de champ à barrière de Schottky suivant l'invention. 5 L'enseignement dérivé de la présente invention est exposé ci-dessous en se référant à l'arséniure de gallium mais il est bien entendu que cet enseignement est également applicable à la fabrication de dispositifs à base d'autres matériaux semiconducteurs. La figure 1 représente -un transistor 8 à effet de champ à barrière de Schot-10 tky connu. Lors de la réalisation du dispositif de la figure 1, une couche de déplétion 10 est formée sous un contact de grille 12 et la plus grande partie de la chaleur engendrée par le transistor et à l'intérieur de celui-ci est concentrée dans la région 1U de faible épaisseur où le bord de la région de déplétion 10 est proche d'un substrat semi-isolant 16 (10^ ohm-cm). Cette région lU, dans 15 une région légèrement dopée 18, est située là où tout le courant circule entre la source d'alimentation 20 et une utilisation 22. La densité de courant est maximum dans la région 1H. La chaleur engendrée dans la région 1** passe par le substrat semi-isolant 16 vers un élément métallique d'échangeur de chaleur 2b. L'épaisseur du substrat 20 16 influence grandement la résistance thermique du dispositif 8. Pour faciliter la manipulation pendant la fabrication, le substrat 16 doit avoir une épaisseur d'au moins 50 microns. Dans le cas de l'arséniure de gallium on atteint ainsi une impédance thermique de 1+7°C par watt et par millimètre d' épaisseur. 25 La figure 2 représente le substrat d'arséniure de gallium convenable, pour la mise en application des principes de l'invention. Le substrat 30, au lieu d'être un substrat semi-isolant comme dans les dispositifs antérieurs tel que celui représenté à la figure 1, est un matériau de type N fortement dopé. Le substrat 30 est dopé jusqu'à une concentration allant 8 21 3 30 de 10 à 10 atomes de dopant par cm de matériau semiconducteur. Lorsque le substrat 30 est de l'arséniure de gallium, des dopants d£ type N convenables sont le silicium et l'étain. Si le substrat 30 est du silicium ou tout autre matériau semiconducteur connu, les agents dopants connus peuvent être utilisés. 35 L'épaisseur du substrat 30 se situe entre 125 et 510 microns. Comme représenté à la figure 3, une couche épitaxiale 32 de type N est développée sur la face supérieure 30 du substrat 30 de type N. La couche épitaxiale 32 peut être développée par l'une des techniques épitaxiales connues des spécialistes. U0 La couche épitaxiale 32 de type N est dopée jusqu'à une concentration 71 23604 3 2096602 allant de 10^ à 101^ atomes de dopant par ern^ de matériau semiconducteur et son épaisseur varie de U microns lorsqu'elle est dopée jusqu'à 10^ atomes de 3 ^ ^ dopant par cm de matériau semiconducteur à 0,5 micron lorsqu'elle est dopée jusqu'à 10 ^ atomes de dopant par cm^ de matériau semiconducteur. 5 Si l'épaisseur de la couche 32 est inférieure à 0,5 micron, le dispositif à barrière de Schottky termine écrête à des tensions trop faibles pour qu'il puisse être utilisé en pratique. D'un autre côté, si l'épaisseur de la couche 32 dépasse U microns, la barrière de Schottky s'effondre sans atteindre une tension d'écrêtage. 10 Ensuite, une couche épitaxiale 36 d'arséniure de gallium dopé au chrome est développée sur la surface supérieure 38 de la couche 32. La couche 36 est dopée V . . y. . ^ 11 3 jusqu'à vuae concentration inférieure à 10 atomes de chrome par cm d'arséniure de gallium et possède une résistivité de 10^ ohm-cm. La couche 36 a une épaisseur comprise entre 2 et h microns, et plus elle est épaisse, plus grande sera l'im-15 pédance thermique du dispositif à barrière de Schottky termina. Il faut noter que dans le dispositif connu représenté à la figure 1, le substrat semi-isolant 16 possède une épaisseur de l'ordre de grandeur de 50 microns. Comme représenté à la figure k, la structure montrée à la figure 3 est inversée et la surface U0 de la couche 36 est fixée sur un élément échangeur de chaleur h2 par des couches 20 M+, 1+6 et U8. L'élément échangeur de chaleur k2 peut être en tout métal conducteur de chaleur, comme par exemple en cuivre, en aluminium ou en argent. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus lorsque la couche H 4 est une couche de nickel de 0,5*micron, la couche U6 une couche d'étain de 2 microns 25 et la couche ^8 une couche d'or de ^ microns. La liaison eutectique or-étain formée pendant la fixation de l'élément échangeur de chaleur h2 à la couche semi-isolante peut être portée jusqu'à U50°C sans effet destructeur. Cette température dépasse de loin les températures que le dispositif peut atteindre en fonctionnement . 30 En variante, un élément échangeur de chaleur peut être réalisé sur la sur face U0 de la couche semi-isolante 36 par vaporisation, galvanoplastie ou pulvérisation. Un élément échangeur de chaleur réalisé de cette manière doit avoir une épaisseur d'environ 10 microns. Comme représenté à la figure 5» le substrat de type H 30 est ensuite ramené 35 à une épaisseur de 5 microns. Le procédé peut être réalisé par n'importe quel procédé par attaque connu. Comme le montre la figure 6, un contact de grille 50 et des contacts d'émetteur et de collecteur 52 et 5^ sont ensuite fixés sur la surface 56 de la couche 30. 40 Des résultats satisfaisants ont été obtenus avec un contact de grille en 71 23604 u 2096602 aluminium et des contacts dlémetteur et de collecteur en un alliage constitué de 88 % en poids d'or et de 12 % en poids de germanium. Un autre alliage convenant également pour les contacts 52 et 5^ est constitué de 90 % en poids d'argent, de 5 % en poids d'indium et de 5 % en poids de germanium. 5 La structure, montrée à la figure 6, est un transistor à effet de champ à barrière de Schottky dû au fait que le procédé exposé dans la présente invention fournit une méthode de fabrication d'un dispositif où la couche semi-isolante peut être réduite par un facteur d'environ 10 par rapport aux dispositifs antérieurs. Le dispositif suivant l'invention possède une impédance thermique deux 10 fois à deux fois et demi plus faible que celle des dispositifs connus. i 71 23604 5 2096602 REVENDICATICT'"., 1. Procédé de fabrication d'un transistor a. effet de champ à barrière de Sehot-tky à faible isrpSdaace thersdqiie, caractérisé sn ce qu'il comporte les phases suivantes: 5 {1) le développement d'ucs couche épitaxiale ds type K légèrement dopée sur 1' • une des deux grandes faces opposées d'un substrat de type IJ fortement dopé de matériau s «ni conducteur j (2) le développement d'une couche épitaxiale de matériau semi-isolant sur une surface de la dite ceucho épitaxiale légèrement dopée, la dite surface de la di~ 10 te couche épitaxiale légèrement dopée étant opposée et en principe parallèle â la dite grande face du dit. substrat; (3) la fixation d'un élément métallique échangeur de chaleur sur une surface de la dite couche épitaxiale semi-isolante, la dite surface de la dite couche épitaxiale semi-isolante étant opposée et en principe parallèle à la dite surface 15 de la dite couche épitaxiale légèrement dopée; (U) la réduction de l'épaisseur du dit substrat; et (5) la fixation de contacts de grille, d'émetteur et de collecteur sur l'autre grande face du dit substrat. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit substrat 20 possède une concentration de dopage de 101^ à 10^1 atomes de dopant par cm^ de matériau semiconducteur, en ce que la dite couche épitaxiale de type N légèrement dopée possède une concentration de dopage de 101^ à 101^ atomes de dopant O par cm de matériau semiconducteur et en ce que la couche épitaxiale semi-iso- 11 3 lante a une concentration de dopage inférieure à 10' atomes de dopant par cm 25 de matériau semiconducteur. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2S caractérisé en ce que le dit substrat a upe épaisseur initiale de 125 à 510 microns, en ce que la couche épitaxiale de type N légèrement dopée a une épaisseur de 0,5 à U microns, et en ce que la dite couche épitaxiale semi-isolante a me épaisseur de 2 à i microns. 30 1t. Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que 1' épaisseur du substrat est réduite à environ 5 microns. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément échangeur de chaleur est fixé sur la dite couche épitaxiale semi-isolante par des couches de nickel, d'étain et d'or. 35 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément échangeur de chaleur est disposé sur la couche épitaxiale semi-isolante. 7» Transistor à effet de champ à barrière de Schottky réalisé suivant le procédé tel que revendiqué dans l'une des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une couche de matériau semiconducteur de type N forte-UO ment dopée, cette couche présentant deux grandes faces opposées, d'une couche 71 23604 2096602 épitaxiale de type N faiblement dopée de matériau semiconducteur développée sur une grande face de la couche de type N fortement dopée, d'une couche épitaxiale semi-résistante développée sur une surface de la dite couche légèrement dopée, la dite surface étant opposée et en principe parallèle à la dite grande face du 5 dit substrat, d'un élément échangeur de chaleur fixé sur la dite couche semi-isolante, et de contacts électriques de grille, d'émetteur et de collecteur disposés sur l'autre grande face de la dite couche de type N fortement dopée. .8. Transistor suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la dite couche en matériau semiconducteur fortement dopé de type N est dopé à une concentration 10 de 10^ à 10^ atomes de dopant par cm^ de matériau semiconducteur, en ce que la dite couche épitaxiale légèrement dopée en matériau semiconducteur de type N est dopée à une concentration de 101^ a 10atomes de dopant par cm^ de matériau semiconducteur et en ce que la dite couche épitaxiale semi-isolante est dopée jusqu'à une concentration inférieure à 1011 atomes de dopant par cm^ de matériau 15 semiconducteur et possède une résistivité d'environ 10^ ohm-cm. 9. Transistor suivant l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la couche en matériau semiconducteur fortement dopé a une épaisseur de 5 microns, en ce que la couche en matériau conducteur légèrement dopé a une épaisseur de 0,5 à 1* microns et en ce que la couche épitaxiale semi-isolante a une épaisseur 20 de 2 à H microns. 10. Transistor suivant l'une des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que le contact de grille est en aluminium et en ce que les dits contacts d'émetteur et de collecteur sont en alliage constitué de (1) 88 % en poids d'or et de 12 % en poids de germanium ou de (2) 90 % en poids d'argent, de 5 % en poids d' 25 indium et de 5 % en poids de germanium. 11. Transistor suivant l'une des revendications 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur est de l'arséniure de germanium.