Brevet FR2075910A1 — publié le 19711015

La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs commandés à courant élevé. tes dispositifs semiconducteurs commandés ayant une grande région cathodique entourant soit une région de grille à amorçage central soit, partiellement ou complètement des régions de grille situées a la périphérie extérieure de ceuxci ne sont pas habituellement capables de couper des courants de plus de 50 am- pères sans brûler. Pendant que le semiconaucteur coupe, des régions en contact avec la cathode massive, les plus près de la grille, s'éteignent avant d'autres régions plus é- loignées, ce qui oblige le courant restant a travers ces dernires qui sont toujours à l'état passant. Lorsque la densité de courant augmente jusqu'à un niveau suffisamment élevé, la capacité de tenpérature du matériau est dépassée et il sten suit une brûlure qui entraîne la destruction du dispositif. Un but de la présente invention est d'obtenir un dispositif de coupure grille de commanae pour courant élevé ayant la propriété de couper avec suret des courants dépassant 50 amptres. Par conséquent, l'invention oside en un dispositif de coupure semiconducteur commande par grille pour courant élevé comprenant une galette en matériau semiconducteur ayant une série de premitres régions d'un t,=pe de conductivité, exposée l'une des surfaces principales de la galette, une seconde région de type opposé de conductivité en relation de jonction p-n avec les dites premières régions, une troisime région du premier type de conductivitt en relation de jonctior: p-n avec la dite seconde région, ci une quatritine région du dit type opposé de conductivité s'étendant de la surface importante opposé de la galette vers la dite troisième région an relation de jonction p-n entre elles; des premi ère et seconde électrodes disposées ; la dite première surface importante de la galette an contact non redresseur avec les dites premières et seconde régions respectivement, et une troisitme électrode disposée à la surface importante opposée de la galette en contact non redresseur avec la dite quatritma région, les dites premières régions étant soit en forme de bandes étroites allongées sans angles aigus, ayant la même largeur sur toute leur longueur, soit en forme de configurations circulaire' de même diamètre. L'invention sera mieux comprise an se rtf.rant à la description qui va suivre et aux dessins annex#s. Sur ces dessins: - La figure 1 est une vue en plan d"oe" dispositif de coupure à grille de com- mande à courant élevé réalisé suivait l'invention. - La figure 2 est une coupe d'une partie du dispositif de coupure pratiquée suivant la ligne Il-Il. - La figure 3 est une coupe d'une partie d'un dispositif électrique incorporant le dispositif de coupure. - Les figures 4, 5 et 6 sont des vues en plan partielles de variantes de réalisation de dispositifs de coupure commandés par grille, à courant élevé, suivant la présente invention. - La figure 7 est une coupe d'une partie de dispositif de coupure comprenant une galette de matériau semiconducteur modifié suivant la présente invention et - La figure 8 une coupe partielle u grande échelle. Les figures 1 et 2 représentent une configuration de cathode pour dispositif de coupure à grille de commande à courant élevé réalisé suivant l'invention. Ce dispositif de coupure est constitué d'un élément semiconducteur 10 comprenant une galette semiconductrice dont la surface supérieure porte une série de régions cathodiques étroites 12 de largeur sensiblement uniforme, chacune d'elles étant entourée par une portion d'une région de grille 14. L'élément semiconducteur 10 comprend une galette en matériau semiconducteur ayant la série de premières régions émettrices ou de cathode 12, la première région de base ou de grille 14, une deuxième région de base 16, une deuxième région émettrice 18 et des surfaces supérieure et inférieure 20 et 22. Des jonctions p-n 24, 26 et 28 sont formées entre chaque paire respective de régions de semiconductivité de type opposé 12 et 14, 14 et 16 et 16 et 18. L'élément 10 peut avoir une configuration pnpn ou npnp.Comme indiqué aux figures 1 et 2, l'élément 10 est un dispositif mesa dans lequel les surfaces supérieures des premières régions émettrices ou cathodiques 12 obtenues, par exemple, par un dépôt epitaxial, se trouvent audessus de la surface supérieure 20 de la galette 10 et au-dessus de la surface supérieure de la grille ou première région de base 14. Chacune des régions cathodiques 12 est entièrement entourée par une partie de la région de grille 14. Ce type de configuration pour des rëgions eathodiques s'est révélé être le meilleur pour une capacité maximum de balayage de tous les porteurs en excès dans les régions 12 pendant la coupure. Des opérations classiques telles que le chanfreinage de la galette et le revêtement du bord circonférentiel de l'élément 10, bien connues dans cette technique peuvent être appliquées s'il y a lieu. Chacune des régions cathodiques 12 a une largeur sensiblement constante de manière à réaliser un blocage par la grille également efficace sous chacune des premières régions émettrices ou de cathode 12. Connecté électriquement à chacune des régions cathodiques 12, un premier contact électrique non redresseur 30 est constitué d'une couche d'un métal conducteur d'électricité ou d'un alliage adéquat tel que par exemple l'aluminium, llor, l'argent ou un alliage or-antimoine. Un deuxième contact électrique non redresseur ou contact de grille 32 constitué d'un métal conducteur d'éleetricité ou d'un alliage adéquat tel que par exemple l'aluminium, l'or, l'argent ou un alliage d'aluminium-bore, est connecté à la région 14 pour au moins entourer complètement toutes les régions cathodiques 12. La largeur des régions cathodiques 12 s'est révélée être un facteur très important. Quand la largeur de la région cathodique 12 est d'environ 1,27 min, on a trouvé que cette région n'est généralement pas capable de bloquer quand c'est nécessaire. La difficulté de blocage d'une région cathodique 12 commence à se manifester elle-même lorsque la région cathodique commence a dépasser 0,076 min et est manifeste lorsque la largeur de la région 12 dépasse 0,89 min.Autant de régions 12 que possible doivent etre utilisées dans l'élément 10. rependant, le contact électrique des régions 12 doit également pouvoir être assuré et de de ce fait la largeur des régions 12 doit s'établir entre 0,127 et 0,89 min. De préférence, du fait des techniques de fabrication disponibles actuellement, et pour éviter les problèmes éventuels de blocage, la largeur des régions 12 se situe entre 0,25 mm et 0,5 min. La largeur de la région de base ou de grille 1h entre deux régions cathodiques 12 adjacentes n est pas tellement critique. La largeur doit seulement être suffisante pour supporter assez de métallisation pour obtenir un contact électrique avec cette région 14 d'une capacité suffisante pour porter le courant total à couper dans cette région. C'est pourquoi, si le contact avec la région de base ou de grille 14 pouvait n'avoir que la largeur d'une ligne, ce serait suffisant. Toutefois, les techniques de fabrication sont telles que la largeur entre régions cathodiques voisines est d'au moins 0,127 mm. Comme indiqué à la figure 3, l'élément semiconducteur 10 est utilisé dans un dispositif électrique du type n assemblage par compression dans lequel une électrode de grille 14 à amorçage centrai est pressée élastiquement, par exemple, par un ressort (non représenté) pour former un contact électrique à pression avec la partie centrale du contact 32 de la région de grille 14. L'électrode de grille 34 est disposée à l'intérieur d'une électrode de cathode 36 qui llentou- re mais en est séparée et qui est également mise en contact électriquement conducteur par pression avec la série de contacts 30 des régions cathodiques 12. L'élément semiconducteur 10 est hermétiquement scellé dans un boitier convenable. La région 18 de l'élément 10 est fixée, par une couche 38 d'un matériau de soudure non redresseur ou ohmique, avec une électrode de support 40 en molybdène ou e: tungstène, par exemple qu . son tour est supportée par un support conducteur de chaleur et de l'électricité 42, par exemple en cuivre. Les régions cathodiques t2 et de grille 14 sont reliées à des sources d'alimentation électrique extérieures au dispositif par des conducteurs électriques convenables connectés à des bornes de la manire nabituelle. le préférence, la construction mesa de l'élément 10, comme indiqué aux figures de I à 3 est la forme la plus convenable pour un dispositif électrique à électrode assemblée par compression. En variante, les connexions électriques à la série de régions cathodiques 12 et à la région de grille 14 peuvent être réalisées en attachant des conducteurs électriques de façon permanente, telle que par soudure, à chacune des régions 12 et à la région de grille 14. L'électrode support 40 peut aussi être fixée de façon permanente à la couche support 42 par une couche convenable de soudure dans l'une ou l'autre configuration ci-dessus de l'appareil électrique. L'application d'une tension négative, ou inverse, au contact 32 de la région de grille 14 déclenche l'élimination des porteurs en excès venant des régions 12 aux contacts 30. Comme une partie du contact de grille 32 et, par conséquent, une partie de la région 14, entoure entièrement chaque région cathodique 12, les porteurs sont baiayés également de chacune des régions 12 sous les contacts 30 et de façon sensiblement simultanée de toutes les régions 12, ce qui provoque la coupure rapide~ de l'élément 10 sans brûlure. Comme dit plus haut, la brûlure de 1 'élément 10 peut se produire si tous les porteurs ne sont pas éliminés simultanément d'en-dessous de tous les contacts 30, sinon, si une région 12 ou plus reste passante; tout le courant restant tend à circuler à travers celle-ci. Si ce courant restant excédait la capacité en courant de cette ou ces régions 12 toujours passantes, la brûlure se produirait probablement et l'appareil serait détruit. Plus grande est la quantité de porteurs qui peuvent être éliminés simultanément d'en-dessous des contacts 30 de cathode, plus élevée est la capacité de coupure de l'élément 10 sans qu'une brûlure puisse se produire. C'est pourquoi, il est essentiel que chaque région cathodique 12 soit de largeur sensiblement uniforme bien qu'une région cathodique puisse varier en longueur par rapport à la région cathodique adjacente suivante. La distance entre régions cathodiques 12 adjacentes doit être suffisamment grande pour offrir un chemin à bas-se résistance pour la circulation du courant de grille pendant la coupure de l'élément 10, ce qui permet à l'élément d'avoir une extinction sensiblement simultanée de toute la série de régions cathodiques 12. Les régions cathodiques 12 sont montrées à la figure t comme des zones arquées disposées autour d'une partie centrale. Toutefois, d'autres bonnes configurations sont également possibles et sont représentées aux figures 4, 5 et 6 L'élément semiconducteur 50 de la figure 4 possède une série de régions cathodiques 52 disposées radialement, ayant chacune un contact électrique 54 fixé dessus; chacune a sensiblement la même largeur uniforme sur toute sa longueur. Chaque région 52 est entièrement entourée par une partie d'une région de grille 56 ayant un contact électrique 58 fixé dessus. Toutefois, des coins aigus sont indésirables et, par conséquent, chaque région 52 a une largeur constante uni for mément sur toute sa longueur et des extrémités arrondies, et la partie de la région de grillè 56 entre deux régions 52 adjacentes est suffisante pour éliminer les porteurs en excès da façon sensiblement simultanée et égale des régions 52 en-dessous des contacts 54 pour prévenir la brûlure du dispositif 50. Une autre disposition, suivant l'invention, des régions cathodiques est montrée a la figure 5 qui représente un élément semi-conducteur 110 réalisé suivant l'invention. Des premières régions cathodiques 112 sont disposées suivant une configuration radiale autour du centre de la surface supérieure de l'élément 110 et, à la périphérie extérieure de cette configuration radiale, sont disposées des régions cathodiques radiales 116 plus courtes. Chacune des régions a une largeur constante sur toute sa longueur, avec des extrémités arrondies, et toutes les régions 112 et 116, respectivement, ont sensiblement la même longueur. Des contacts électriques ohmiques 114 et 118, en mêmes matériaux que ceux indiqués pour les contacts 30, sont fixés aux régions respectives 112 et 116. La partie de la région de grille 120 entre régions cathodiques 112 adjacentes, ou adjacente aux premières et secondes régions cathodiques 112 et 116, est suffisante pour éliminer les porteurs en excès des régions respectives 112 ou 112 et 116, d'en-dessous de leurs contacts électriques respectifs de façon sensiblement simultanée, pour prévenir la brûlure de l'élément 110 quand il coupe sous tension et courant élevés. A la figure 6 est montré un élément semi-conducteur 150 dans lequel une série de régions cathodiques 152, de forme circulaire et de diamètre sensiblement égal, sont disposés selon une configuration raisonnablement uniforme autour du centre de la surface supérieure de l'élément 120 et faisant partie de celle-ci. A chacune des régions 152 est fixé un contact ohmique électrique fait de l'un des métaux utilisables pour réaliser lds contacts 30, 54, 112 et 114 des éléments précédemment décrits 10, 50 et 110. Une partie de la première région de base ou de grille 156 entoure complètement chacune des régions 152. Chaque partie de la région de grille 156 est conçue pour lui permettre d'éliminer les porteurs en excès des régions 152 adjacentes, de façon sensiblement simultanée pour prévenir la brûlure de l'élément 150. Un contact électrique ohmique, fait de 1' un des métaux utilisables pour les contacts 154 est fixé à la région i56. En-dessous de tous les éléments semiconducteurs 50, 110 et 150, se trouve la même configuration de base à quatre régions de ltélément 10 des figures 1 à 3. Bien que tous les éléments semiconducteurs 50, 110 et 150 aient été décrits dans une configuration structurelle mesa, un élément semiconducteur convenable peut aussi être fabriqué dans une configuration planaire. Un tel élément semiconducteur 210 à configuration planaire est montré a la figure 7. L'élément 210 comprend une galette sur la surface de laquelle une série de régions cathodiques 212 sont produites par diffusion ou alliage, dans la région supérieure de base 214, de matériau dopant pour produire une série de bandes étroites de type de semiconductivité opposé à celui de la région 214. Des contacts 230 sont appliqués dans la partie centrale de chaque bande 212, avec espace entre les tranches des contacts et la jonction p-n 224 entre chaque bande 212 et la région de base 214.Des contacts 232 sont appliqués de la même façon que les contacts 32 des figures i à 3. La région 216 est la seconde région de base et la région 218 est la seconde région émettrice, avec les jonctions p-n 206 et 228 formées respectivement entre 214 et 216, et entre 21G et 218. Il est nécessaire que le contact métallique avec la région 12 soit plus épais que le contact avec la région 14 dans un dispositif électrique à assemblage par compression pour éviter un court-circuit entre cathode et grille, ou bien qu'une couche isolante électrique mince, telle que, par exemple, de nitrure de silicium, de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium-dioxyde de silicium puisse être disposée sur la surface du contact 32 pour produire le même résultat que dans le cas de contacts 30 et 32 d'épaisseur uniforme. Deux galettes de matériau semiconducteur en silicium ayant deux surfaces majeures opposées ont été assemblées pour se recouvrir et attaquées à l'acide pour obtenir le parallélisme. Les galettes étaient chacune du type de conductivité n, d'un diamètre de 23,11 min, d'une épaisseur de 0,241 min et d'une résistivité de 30 ohms cm. En employant la technique de diffusion en tube scellé, du gallium fut diffusé simultanément à travers les deux surfaces opposées pour convertir chaque galette en un semiconducteur pnp de base. La source de dopant était du gallium métallique chauffé à une température de 1000 - 5 degrés C et la galette, pendant la diffusion, était chauffée à 1230 - 82 degrés C.Le temps de diffusion était de 3 heures pour produire des régions p chacune d'une profondeur de 0,ou3 mm dans les surfaces de galette. En employant la technique de diffusion en tube ouvert 9 du phosphore fut déposé sur chacune des surfaces principales de chaque galette pour former une région de type de conductivité n, d'une épaisseur de 0,0076 min, ayant un niveau de concentration d'impuretés en#surface de 10 atomes de phosphore par centimètre cube. La source de phosphore était du phosphate d'ammonium chauffé à 860 - 5 degrés C et les galettes étaient chauffées à 1150 - 2 degrés C. Le temps de dépôt du phosphore était de 45 minutes et le gaz porteur était un mélange d' azote et d'oxygène. En emplo#yant les techniques photolithographiques pour masquer seulement la surface supérieure d'une galette avec des îles choisies couvertes d'oxyde, une attaque sélective à l'acide pour enlever le silicium sur chacune des galettes enlevait tout le phosphore diffusé des surfaces inférieures et des côtés de chaq#ue galette et une partie au gallium diffusé des surfaces latérales de chaque galette, aussi bien qu'elle laissait les régions cathodiques multiples saillantes arquées, dune largeur d'environ 0,508 mm chacune, avec des extrémités arrondies, de la configuration telle que montrée aux figures 1 et 2 sur une galette, et une grande région cathodique selon la technique connue pour la seconde galette, les deux ayant des régions centrales d'allumage par grille.La région de grille de chaque galette fut attaquée à l'acide suffisamment profondément pour former une rainure d'isolement pour garder la jonction pn entre la région à phosphore diffusé et la région à gallium diffusé au-dessus du fond de la rainure après un processus subséquent de "chasse du phosphore". Un mordant standard pour le silicium était employé. Les galettes furent alors placées dans un four de chasse du phosphore" à 1250 - 2 degrés C pendant une demi-heure pour produire une région de type n de profondeur de 12 à 16 microns. Une électrode "back-up" en molybdène fut alliée avec la surface principale arrière de la région du semiconducteur à diffusion de gallium de chaque galette en employant une soudure a 0,3 % de bore et le reste dtaluminium dans un four à 700 - 5 degrés C pendant 10 minutes. Chaque galette fut ensuite placée dans une chambre d'évaporation de métal sous vide et une couche d'aluminium d'approximativement 40 000 Jt fut déposée sur la galette au moyen d'un équipement courant du commerce. En employant les techniques photolithographiques incorporant un photoresist que l'on peut se procurer dans le commerce (Kodak mental Etch Resist) qui fut déposé suivant la configuration désirée et en attaquant avec un mélange à 50 % en volume d'acide nitrique concentré et 50 % en volume d'acide phosphorique concentré, l'aluminium fut enlevé des rainures d'isolement entre la série de régions cathodiques et la région de grille d'une galette et d'entre les régions cathodiques et de grille de l'autre galette, ainsi que des surfaces latérales des deux galettes. Le contact électrique en aluminium fut fritté dans les régions respectives dans un four à 500 t 10 degrés C pendant 15 minutes. La rainure de rotation est montrée plus en détail à la figure 8. La surface supérieure originelle 20 telle que montrée aux figures 2 et 3 a été attaquée a l'acide pour produire une nouvelle surface 21 qui se trouve en-dessous de la jonction pn 24. Un contact électrique 32 est fixé à cette surface 21 et l'élec- brode de grille 34 est montrée en contact par pression avec le contact 32. Etant élevée au-dessus de la surface 21, la jonction pn 4 de chaque région 12 est isolée par rapport à la jonction 24 adjacente. Un espace est ménagé entre les régions cathodiques 12 adjacentes au contact 32 pour compléter l'isolement. Chaque galette traitée a subi ensuite un chanfreinage et une attaque å l'acide en rotation des arêtes périphériques pour maîtriser le champ électrique des régions et pour isoler les Jonctions de blocage dans chaque élément. Toutes les surfaces exposées du matériau semiconducteur furent enduites d'un vernis séchant à température ambiante pour rendre passives les surfaces et Jonctions p-n dans celles-ci. Chaque galette traitée a ensuite été soumise à un essai en tant que dispositif de coupure à grille de commande. Le contact à la région de grille était au centre de la région de grille de chaque galette. Les dispositifs de coupure à grille de commande dans lesquels une région cathodique massive entourait la grille à amorçage central étaient capables de couper 10 ampères au plus. Le dispositif de coupure à grille de commande réalise suivant l'invention a été capable de couper des courants de plus de 90 ampères et a pu fonctionner un plus grand nombre de fois comme interrupteur de ce niveau de courant. Les résultats obtenus montrent que la galette traitée suivant l'invention est très supérieure à la galette traitée suivant les techniques antérieures en ce qui concerne la quantité de courant qu'elle peut couper. La galette traitée suivant l'invention utilise mieux la géométrie de la région cathodique que les galettes réalisées antérieurement. RRJENDICATI0NS. 1. Dispositif de coupure semiconducteur commandé par grille pour courant élevé caractérisé en ce qu'il eomiprend une galette en matériau semiconducteur ayant une série de premières régions d'un type de conductivité exposée à l une des surfaces principales de la #ale#te, une seconde région de type opposé de conduc tivité en relation de jonction avec les dites premières régions, une troisième région du premier type de co-duetivité en relation de jonction p-n avec la dite seconde région, et une quatrième région du dit type de conductivité s?étendant de la surface importante opposée de la galette vers la dite troisième région en relation de jonction p-n entre elles, des premières et secondes électrodes disposées à la dite première surface importante de la galette en contact non redresseur avec les dites premières et seconde régions respectivement et une troisie#- me électrode disposée a la surface Importante opposée de la galette en contact non redresseur avec la dite quatrième région, les dites premières régions étant soit en forme de bandes étroites allongées sans angle aigu ayant la même largeur sur toute leur longueur, soit en forme de configuration circulaire de même diamètre. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ces bandes allongées sont disposées dans une configuration concentrique autour du centre de la dite surface importante de la galette. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des dites bandes allongées est disposée dans une direction radiale autour de la par tie centrale de la dite surface principale de la surface de la galette. 4. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les dites bandes allongées sont de même longueur. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les dites bandes allongées comprennent deux groupes de bandes allongées disposés alternative- ment, les premières bandes allongées du premier groupe ayant une longueur plus grande que les bandes allongées de l'autre groupe. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les extrémités les plus éloignées de toutes les bandes sont situées à la même distance de la partie centrale de la dite première surface importante de la galette. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les configurations circulaires sont plus su moins uniformément réparties sur toute la première surface i-j1rtante de fa galette. 8. Dispositif suivant l'- e r#es revendications prçcédentes, caractérisé en ce que chacune des premières régions a une épaisseur comprise entre 0,127 et o,89 min. 9. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque paire de premières régions est distante de la paire voisine d'environ 0,12 mm. 10. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sont pratiquées des rainures d'isolement entourant entièrement, respectivement les dites premières régions entre les dits premiers contacts électriques et le dit second contact électrique et en ce qu'elles s'étendent à partir de la dite première surface importante de la galette jus ;uta une profondeur plus grande que les jonctions p-n entre ces dites premières et seconde régions 11. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dites premières, seconde, troisième et quatrième régions sont respectivement du type n, du type p, du type n et du type p et en ce que les dites pre mière, seconde et troisième électrodes sònt respectivement des électrodes de cathode émettrice, de grille et d'anode.