Brevet FR2134473A1 — publié le 19721208

Les dispositifs semi-conducteurs hyperfréquence constituent, en général, des charges de faible impédance pour les sources d'alimentation et leur capacité d'entrée est indésirablement élevée lorsqu'ils sont de grande puissance, car elle réduit la vitesse à 5> laquelle on peut faire varier l'énergie d'entrée de courant continu, par exemple pour leur appliquer des impulsions ou pour les moduler . En outre, les dispositifs semi-conducteurs hyperfréquence sont jusqu'à présent formés par une couche obtenue par croissance épita-10 xiale d'un matériau semi-conducteur de forte résistance sur une pastille de matériau semi-conducteur de faible résistance du même type de conductivité. Lorsque de tels dispositifs sont destinés à être utilisés comme diodes à avalanche ou comme oscillateurs à effet Gunn, l'interface entre la couche épitaxiale et la tranche ori-15 ginale dans laquelle la pastille a été découpée crée généralement du bruit qui peut être dû à des variations irrégulières du gradient d'impureté dans cette région et/ou à des imperfections dans la masse du matériau qui se reflètent dans plusieurs couches épitaxiales de la structure du réseau cristallin. 20 L'invention enseigne qu'on peut rendre notablement plus élevé le niveau de sortie d'énergie hyperfréquence d'un système hyperfréquence à semi-conducteurs en formant une série de dispositifs semiconducteurs sous la forme de dispositifs à jonction dos-à-dos comportant une connexion électrique commune par l'intermédiaire d'un 25 dissipateur de chaleur commun. Ces dispositifs sont, de préférence, électriquement symétrique en ce sens qu'ils assurent une amplification et/ou une oscillation hyperfréquence lorsqu'une tension de source d'alimentation leur est appliquée dans un sens ou dans l'autre. Un avantage supplémentaire d'un dispositif dos-à-dos réside en 30 ce que le matériau semi-conducteur peut être formé directement par amincissement d'une pastille découpée dans un lingot de semi-conducteur tiré sans formation de couche épitaxiale, ce qui réduit le prix de revient du dispositif et ce qui améliore sa reproductibili-té. 35 Plus précisément, l'invention vise des dispositifs à avalanche à barrière de Schottky dos-à-dos formés par découpage d'une pastille d'une épaisseur suffisante pour permettre un traitement sans brisure à partir d'un lingot tiré de matériau semi-conducteur présentant la concentration en porteurs désirée et le type d'impureté ko voulu pour les régions actives du dispositif fini, formation d'un 72 14587 2. 2134473 dissipateur de chaleur électriquement conducteur sur l'une des surfaces de la pastille, amincissement de la pastille, par exemple par rodage ou corrosion de son autre surface jusqu'à obtention d'une épaisseur inférieure à 10 microns de façon que les régions actives 5 des dispositifs semi-conducteurs s'étendent sur la majeure partie de l'épaisseur de la pastille, formation d'une série de régions actives dans la pastille, ces régions présentant des largeurs inférieures à dix fois l'épaisseur de la pastille et des longueurs supérieures à dix fois l'épaisseur de la pastille, le dissipateur de 10 chaleur s'étendant au-delà des régions actives et formant un contact électrique sur la surface des parties de la pastille semi-conductrice opposées au dissipateur de chaleur. Une tension appliquée entre deux contacts de ce type sur le côté desdits dispositifs opposé au dissipateur de chaleur commun 15 provoque le passage d'un courant à partir de l'un desdits contacts à travers l'un des dispositifs semi-conducteurs dans un premier sens, puis à travers le dissipateur de chaleur et, enfin, à travers l'autre dispositif semi-conducteur dans un second sens opposé au premier, ce qui assure un fonctionnement de ces deux dispositifs en 20 simplificateurs et/ou oscillateurs hyperfréquence. Dans le cadre des buts que vise l'invention, la.région semi-conductrice peut être soit un matériau massif homogèfae ou une couche épitaxiale de 10 microns ou plus d'épaisseur sur une pastille semi-conductrice N-fr, la totalité du matériau de la pastille étant ulté-25 rieurement éliminée par rodage ou corrosion après la formation d'un dissipateur de chaleur sur la couche épitaxiale. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples : 30 - la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation de l'invention suivant la ligne 1-1 de la Pig. 2} - la Fig. 2 représente une vue en coupe verticale du dispositif représenté sur la Fig. 2, suivant la ligne 2-2 de la Fig. t; - la Fig. 3 représente une vue en coupe transversale à plus 35 grande échelle d'une partie de la région des électrodes du dispositif semi-conducteur représenté sur les Fig. 1 et 2 ; - la Fig. k représente uii mode de réalisation de l'invention dans lequel le dispositif des Fig. 1 à 3 fonctionne en oscillateur couplé avec une charge; et ko - la Fig. 5 représente un mode de réalisation de l'invention 72 14587 3. 2134473 dans lequel le dispositif des Fig. 1 à 3 est incorporé à un système d'amplification d'un signal hyperfréquence extérieur. On va tout d'abord examiner les Fig. 1 à. 3 sur lesquelles est représentée une plaquette 10 d'un matériau désiré quelconque pré-5 sentant de bonnes propriétés de conduction thermique et électrique tel que, par exemple, l'or. La plaquette 10 présente des dimensions désirées quelconques et, dans l'exemple représenté ici, elle supporte deux régions de matériau semi-conducteur continuellement connecté 11. La plaquette 10 peut être, par exemple, d'une largeur de 10 1,65 mm, d'une longueur de 3»3 mm et d'une épaisseur comprise entre 0,177 mm et 0,25^ mm. Les régions du matériau semi-conducteur, qui peut être, par exemple de l'arséniure de gallium, du silicium ou du phosphu^e d'-indium ou tout autre matériau semi-conducteur désiré quelconque, 15 forment, dans l'exemple indiqué ici, une série de portions allongées d'une largeur inférieure à dix fois leur épaisseur et d'une longueur supérieure à dix fois leur épaisseur. Par exemple, dans le mode de réalisation décrit ici, les régions semi-conductrices sont formées chacune de deux séries de quatre portions allongées, qui 20 s'étendent dans des directions orthogonales et qui se coupent pour former une matrice. Chacune de ces portions a une largeur, dans la région adjacente à la plaquette 10, d'environ 50 microns et une longueur de l'ordre de 750 microns, de sorte que seul un faible pourcentage de la superficie totale de la plaquette 10 est recou-25 vert par les régions semi-conductrices actives. La plaquette 10 se comporte comme un dissipateur de chaleur pour le dispositif et, en raison de la configuration allongée des régions, une fraction appréciable de la chaleur qui, autrement, s'écoulerait pratiquement entièrement suivant une direction normale à 30 la surface de la plaquette 10, s'écoule dans une direction comportant une composante parallèle à la surface de la plaquette 10, ce qui augmente le flux calorifique total pour un gradient de température donné entre les régions semi-conductrices 11 et la plaquette 10. Entre les éléments 11 et la plaquette 10 est interposée une 35 couche 12 de métal tel que du platine qui joue le rôle d'électrode pour la formation de la plaquette 10 par placage électrolytique d'une manière qui sera décrite ci-après et qui se comporte, en outre, comme une barrière pour empêcher la diffusion de l'or du dissipateur de chaleur 10 dans les régions semi-conductrices 11, dans le 40 cas où les dispositifs sont soumis à des températures élevées, soit 72 14587 4. 2134473 lors de leur traitement ultérieur, soit pendant leur fonctionnement. Sur le côté des régions semi-conductrices 11 opposé au dissipateur de chaleur 12 est disposée une autre couche—barrière 13 de platine sur laquelle est formée une couche-électrode 14. 5 Le matériau semi-conducteur 11 peut être, par exemple, de 1'- arséniure de gallium du type N ayant une concentration en porteurs 14 17 de l'ordre de 10 à 5 x 10 porteurs par centimètre cube. Si les régions 11 sont formées à partir d'une pastille découpée dans un lingot tiré d'arséniure de gallium monocristallin, l'impureté de 10 dopage est, de préférence, du soufre, tandis que si le matériau semi-conducteur est formé par croissance épitaxiale sur une telle pastille, l'impureté de dopage est, de préférence, du tellure. Toutefois, l'invention prévoit d'une manière plus générale l'utilisation de n'importe quelle impureté désirée pour assurer l'obtention 15 de la concentration en porteurs voulue. Comme indiqué sur la Fig. 2, la plaquette 10 est montée sur une embase isolante 15 qui est en un bon conducteur thermique tel que du bioxyde de béryllium et qui s'étend au-delà des bords de la plaquette 10. La couche isolante 15 a une épaisseur qui est fonction 20 des caractéristiques d'impédance en hyperfréquence désirées et qui est, de préférence, comprise entre 0,127 et 1,27 J^m. La couche 15 est montée sur le fond 16 d'une chambre conductrice comportant des parois extrêmes 17» une paroi supérieure ou couvercle 18 et des parois latérales 19« Des lignes d'entrée coaxiales 20 sont fixées aux 25 parois extrêmes 17 et comportent des conducteurs intérieurs respectifs 21 qui pénètrent dans ladite chambre. Un diélectrique à l'état solide 22 est interposé entre les conducteurs extérieur et intérieur de chaque ligne. L'un des conducteurs intérieurs 21 est connecté à l'une des 30 couches 14 par un fil fin 23, par exemple fixé par thermocompression ou par un autre procédé désiré quelconque, l'autre conducteur intérieur 21 étant connecté à la couche 14 de l'autre dispositif semiconducteur 11 par un fil fin 23, d'une manière analogue. Le couvercle 18 qui peut, si on le désire, être amovible, est fixé, par exem-35 pie» par soudage aux parois extrêmes 17 et aux parois latérales 19 et l'espace présent au-dessus du dispositif semi-conducteur peut être rempli d'un matériau isolant tel qu'une résine époxyde, ou rempli d'un gaz, ou vidé si on le désire. On va maintenant examiner la Fig. k sur laquelle est représenté ko un oscillateur utilisant un dispositif 30 du type représenté sur 72 14587 5. 2134473 les Fig. 1 à 3 dont les lignes coaxiales 20 comportent des conducteurs intérieurs respectifs 21 connectés aux couches 14 du dispositif semi-conducteur. L'une des lignes coaxiales alimente une charge 31 qui peut être de type désiré quelconque, telle qu'une antenne ou 5 une cavité dans laquelle on peut placer un matériau à chauffer. Un conducteur 32 est connecté au conducteur 21 qui sort de la ligne coaxiale 20 à travers un piège à haute-fréquence qui peut être, par exemple, un tronçon quart d'onde de ligne coaxiale indiqué en 35» Le conducteur 32 est connecté à une source d'alimentation 10 33 qui est, de préférence du type à courant constant et qui peut être réglable pour permettre d'ajuster la puissance de sortie du dispositif. L'autre côté de la source d'alimentation 33 est connecté au conducteur extérieur 20 de l'autre ligne coaxiale dont la longueur 15 est choisie d'environ un quart de longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement du dispositif et dont le conducteur intérieur 21 est court-circuité sur le conducteur extérieur à l'extrémité de la ligne 20 par une plaque de court-circuit 34o En raison des désadapta-tions d'alimentation qui se produisent dans le dispositif, des ré-20 flexions ont lieu à partir de la charge 31 à travers la structure d'amplification comprenant les régions semi-conductrices 11, ces réflexions étant assurées pratiquement entièrement par la ligne coaxiale quart d'onde court-circuitée. En conséquence, le système oscille à une fréquence déterminée par la longueur de la ligne coaxia-25 le court-circuitée, longueur qui, si on le désire, peut être ajustable comme indiqué. L'oscillation se produit à la fréquence de résonance globale du système et la longueur effective de la ligne coaxiale court-circuitée peut ne pas être exactement égale à un quart de longueur d'onde afin que le dispositif semi-conducteur voit un 30 quart de longueur d'onde électrique effective en regardant vers l'arrière à travers la ligne coaxiale 20 en direction de la plaque de court-circuiiSge L'épaisseur de l'élément isolant 15 est choisie telle que le dissipateur de chaleur 10 et la paroi inférieure 16 qui peut se 35 comporter comme une plaque froide forme une ligne de transmission à plaques parallèles dont l'impédance caractéristique est, de préférence, sensiblement égale à celle des lignes coaxiales. Toutefois, il est prévu que, si le système doit fonctionner en oscillateur, comme mentionné ici, on peut utiliser une désadaptation d'impédance 40 des lignes coaxiales. La désadaptation d'impédance globale entre 72 14587 6. 2134473 les dispositifs semi-conducteurs 11 et la charge 31 est, de préférence, choisie à la valeur minimale pour laqtr&lle l'énergie réfléchie par l'extrémité charge du dispositif 30 est amplifiée par celui-ci, réfléchie à nouveau par la plaque de court-circuit 34 et 5 réamplifiée par le dispositif 30 pour produire un gain de boucle global supérieur à l'unité. On va maintenant examiner la Fig. 5 sur laquelle est représenté un amplificateur dans lequel une source de signal 40 est couplée, par l'intermédiaire d'une ligne 41 , à l'une des entrées 51 d'un 10 circulateur à trois orifices 42 de type classique de telle façon que ledit signal soit couplé à la sortie d'un second orifice 52 avec la ligne coaxiale d'entrée 48 d'un amplificateur 43 qui peut être un dispositif du type représenté sur les Fig. 1 à 3> L'amplificateur 43 est alimenté par une source réglable à courant constant 15 44 et son énergie de sortie hyperfréquence est couplée par une ligne coaxiale 45 avec une charge de signal 46 telle qu'une antenne ou un étage d'amplification suivant. Toute énergie réfléchie par la charge de signal 46 et/ou l'simplificateur 43 ou les lignes coaxiales 48 et 45 traverse le troisième orifice 53 du circulateur 42 20 pour parvenir à une ligne coaxiale 49 couplée avec une charge adaptée 47, ce qui empêche des réflexions à travers l'amplificateur 43. Pour cette application, l'entrée et la sortie de l'amplificateur 43 sont, de préférence, adaptées en impédance aussi étroitement que possible dans la gamme de fréquence de fonctionnement désirée et la 25 source d'alimentation 44 est ajustée à un niveau de courant, de préférence juste inférieur à celui pour lequel des oscillations sont excitées, de manière à assurer un gain optimal du système. On va maintenant décrire un procédé de fabrication du dispositif suivant l'invention suivant un mode de réalisation préféré. 30 Une pastille d'arséniure de gallium de quelques dizaines de microns d'épaisseur est découpée dans un monocristal tiré d'arséniure de gallium dopé au soufre jusqu'à concurrence d'une concentra- 14 17 tion en porteurs de l'ordre de 10 à 5 x 10 ' porteurs par centimètre cube. Si on le désire, une couche épitaxiale peut être formée 35 sur l'une des surfaces de la pastille avec une épaisseur supérieure à 10 microns, cette couche étant dopée au tellure jusqu'à concurrence d'une concentration en porteurs comprise dans la gamme de 10^ à 17 5 x 10 porteurs par centimètre cube et, dans ce cas, la concentration de dopage de la tranche initiale dans laquelle est formée la 40 pastille n'est pas critique et cette tranche peut même être, par 72 14587 7. 2134473 exemple, non dopée. Comme représenté sur la Fig. 3, l'une des surfaces de la pastille qui, si l'on utilise une couche épitaxiale,, est la surface exposée de celle-ci, est revêtue d'une couche de métal 12 capable 5 de former une jonction à barrière de Schottky avec l'arséniure de gallium. Dans l'exemple décrit ici, on utilise une couche de platine de 0,4 micron d'épaisseur formée par dépôt sous vide, pulvérisation anodique ou placage. Un dissipateur de chaleur 10 en or ou en un autre matériau approprié est formé sous la couche 12 par placage 10 ou par un autre procédé désiré quelconque. La couche 10 doit être une couche d'un matériau bon conducteur thermique et électrique. Le dépôt des couches 10 et 12 s'effectue, de préférence, à des températures inférieures à celle pour laquelle se produit une modification appréciable quelconque de la structure du réseau cristallin du 15 matériau semi-conducteur et inférieures à celle pour laquelle une diffusion appréciable pourrait se produire à partir de la plaquette en or 10 à travers des imperfections de la couche 12, L'épaisseur de la couche 10 du dissipateur de chaleur est suffisante pour assurer un bon support mécanique à l'élément semi-conducteur 11 et est, 20 de préférence, au moins de plusieurs dizaines de microns. La surface de l'élément 11 opposée à celle qui est revêtue de la couche 12 est rodée ou corrodée, par exemple, avec une solution de H^SO^, HgOg et HgO pour amincir la pastille de manière à réduire son épaisseur à une valeur inférieure, par exemple à 10 microns. 25 Dans le cas d'une pastille comportant une couche épitaxiale, ladite pastille est, de préférence, suffisamment amincie pour que la totalité de son matériau N+- original soit éliminée de façon que le matériau semi-conducteur résiduel ait été entièrement.formé par croissance épitaxiale et présente, de préférence, une densité de porteurs 30 uniforme. La surface semi-conductrice exposée de la pastille est alors revêtue d'une couche 13 de platine, par exemple de 0,4 micron d'épaisseur et d'une couche d'or 14 d'environ 0,5 micron d'épaisseur, ce qui assure une distribution uniforme de la tension d'entrée dans 35 toute l'étendue de la région 11. Un masque est formé sur la couche 14 par des techniques classiques d'application d'une couche de gélatine photosensible dite ■photoresist" pour exposer la zone dans laquelle l'élément 11 et les couches 12, 13 et 14 doivent être éliminés. Ces couches sont 40 alors éliminées en soumettant la pastille successivement à l'action 72 14587 8. 2134473 de corrosifs appropriés de manière à corroder les divers matériaux suivant une pratique bien connue. Le masque est ensuite dissous et la pastille est découpée en dés pour former un certain nombre de structures individuelles analogues à celle qui est représentée sur 5 les Fig. 1 et 2, Chacune de ces structures contient au moins deux régions semi-conductrices continues 11 isolées l'une de l'autre partout, sauf dans la région du dissipateur de chaleur 10. Les couches 14 sont ensuite connectées aux conducteurs intérieurs 21 respectifs des lignes coaxiales 20 d'entrée et de sortie par des fils fins 23 10 fixés par thermocompression. 72 14587 9. 2134473 - REVENDICATION So - 1 - Dispositif à semi-conducteurs caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison au moins un élément en matériau semi-conducteur présentant une densité de porteurs sensiblement uniforme dans 5 toute l'étendue d'une région active et des électrodes comprenant des contacts pour établir un champ électrique dans ces régions, au moins l'une de ces électrodes comportant des portions qui s'étendent dans une direction parallèle auxdites régions, sur une distance inférieure à dix fois l'épaisseur de celles-ci et, dans une au-10 tre direction parallèle auxdites régions, sur une distance notablement supérieure à dix fois l'épaisseur de celles-ci. 2 - Dispositif à semi-conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison au moins un élément en matériau semi-conduc teur ayant une région active pour assurer une amplification et/ou 15 une oscillation aux hyperfréquences, ladite région s'étendant, dans au moins une direction sensiblement transversale à la direction moyenne de déplacement des porteurs dans ladite région, sur une distance inférieure à dix fois l'épaisseur de celle-ci, un dissipateur de chaleur thermiquement couplé avec ladite région et une série d'-20 électrodes espacées dudit dissipateur de chaleur pour transmettre une énergie d'entrée à ladite région active. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'une tension est appliquée à ladite région dans une gamme de grandeurs qui produit une variation spatiale périodique de la densi 25 té de charges dans ladite région. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une série desdites régions thermiquement couplées avec un dissipateur de chaleur commun. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce 30 que ladite tension est appliquée en série à toutes lesdites régions 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite tension est appliquée entre une série d'électrodes espacées du dissipateur de chaleur par le matériau semi-conducteur. 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce 35 que lesdites électrodes et ledit dissipateur de chaleur forment des jonctions avec le matériau semi-conducteur. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les jonctions sont commandées de manière à produire une multiplication de porteurs dans la région adjacente aux jonctions qui 40 sont polarisées en sens inverse. 72 14587 10. 2134473 9 - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est de l'arséniure de gallium. 10 - Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les électrodes sont en platine. 5 11 - Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur est en or. 12 - Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le dissipateur de chaleur est monté sur un isolateur électrique de forte conductivité thermique". 10 13 - Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ledit isolateur électrique est monté sur l'une des parois d'une cavité entourant lesdites régions semi-conductrices. 14 - Dispositif suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'au moins un conducteur d'une première ligne de transmission à 15 haute-fréquence est couplé à travers ladite cavité avec une première des électrodes en contact avec le matériau semi-conducteur. 15 - Dispositif suivant la revendication 1k, caractérisé en ce que ladite première ligne de transmission à haute-fréquence est connectée à une charge de signal. 20 16 - Dispositif suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'une source d'alimentation à courant variable est branchée entre les électrodes espacées du dissipateur de chaleur. 17 - Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il est prévu une seconde ligne de transmission à haute-fréquence 25 ayant au moins un conducteur connecté à une seconde desdites électrodes. 18 - Dispositif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que la seconde ligne de transmission à haute-fréquence présente une réactance déterminatrice de fréquence par rapport aux régions semi- 30 conductrices. 19 - Dispositif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que la seconde ligne de transmission à haute-fréquence est alimentée par une source de signal par l'intermédiaire d'un isolateur de signal. 35 20 - Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que l'isolateur de signal comprend un circulateur à ferrites comportant au moins trois orifices, dont un premier est couplé avec la source de signal, dont un second est couplé avec la seconde ligne de transmission à haute-fréquence et dont le troisième est couplé 40 avec une charge sensiblement adaptée en impédance dans la gamme des fréquences de fonctionnement du dispositif.