Brevet FR2192380A1 — publié le 19740208

La présente invention se rapporte à un dispositif semiconducteur comportant plusieurs jonctions montées en série sur un même substrat. Elle concerne plus particulièrement un montage en série de diodes à avalanches de façon à obtenir des puissances élevées. Dans ltétat actuel de la technique, il est courant de monter les diodes de type mesa à l'envers dans leur boitier, c"est-à-dire de telle sorte que la jonction soit très proche du radiateur destiné à évacuer les calories. Dans ces conditions, la résistance thermique est minimale, ce qui permet un fonctionnement àfort courant de polarisation. Mais la surface de la jonction ne peut pas être augmentée au-delà de certaines limites. Pour améliorer encore la puissance du dispositif, on peut donc mettre en série au moins deux diodes dans le même boitier. les deux diodes doivent avoir rigoureusement les mêmes caractéristiques, c'est-à-dire des résistances négatives égales pour une même tension de polarisation en inverse, ce qui est difficile à obtenir pour des diodes fabriquées individuellement. Enfin, les inductances de connexion sont augmentées, et le montage dans un même boitier est délicat. La présente invention permet de pallier ces inconvénients. L'invention a pour objet un montage en série de diodes avalanches montées dans un meme boitier, ledit montage étant caractérisé en ce que les diodes sont formées respectivement, de couches semiconductrices de type de conductivité opposé, réalisées sur le même substrat, lesdites diodes étant reliées entre elles par des couches créées par croissance épitaxiale, très fortement dopées formant entre elles des jonctions sur du semiconducteur au voisinage de la dégénérescence constituant des secondes diodes polarisées en direct quand lesdites diodes sont polarisées en inverse. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des quatre figures jointes qui illustrent différentes variantes de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une portion de substrat 1 de semiconducteur sur lequel doit être réalisé un dispositif conforme à l'invention. Ce substrat est fait en semiconducteur fortement dopé, d'un type donné de conductivité, par exemple du type N dopé à l'arsenic ou au phosphore et dont la résistivité est de ltor- dre de 2 à 3 lO 3 ~* cm. Sur ce substrat 1, on dépose par épitaxie une couche 2 du même type de conductivité que le substrat mais de concentration en impureté moins élevée que celle de ce dernier. La couche 2 est dans le cas présent de type N. Sur cette dernière couche, on dépose par épitaxie une nouvelle couche 3 de type de conductivité opposé P+ formant avec la couche 2 sous-jacente une première jonction N.P. référent82 4 et formant une première diode A. Conformément à l'invention, par épitaxie, on dépose une couche 5 de type N+ sur la couche 3, les couches 4 et 5 dopées res pectivement P+ et N+ forment une diode p+N+, c'#st-à-dire qu'elles constituent un contact de très faible résistance dans le sens passant du fait du fort dopage des zones N et P+. On dépose sur l'ensemble, par exemple une couche 6 de type N et enfin une couche P+ référencée 7, qui forme la seconde jonction N P+ référencée 8 constituant la diode B. Dans une première variante de réalisation, l'ensemble est alors soumis, selon les procédés classiques à une attaque mesa selon le profil représenté par le pointillé 10 et 11. Ainsi de part et d'autre de l'axe X Y se trouvent réalisées une première diode à avalanche A comprenant les couches 2, 5, et la jonction 4, une seconde diode B comprenant les couches 6 et 7, et la jonction 8. Une diode C formée par les couches 3 et 5 relie ces deux diodes t et B La figure 2 représente le dispositif obtenu par découpe de l'ensemble représenté sur la figure 1 après 11 attaque mesa. tes deux diodes A et B sont montées en série par l'intermédiaire de la diode C. Elles sont polarisées on inverse tandis que la diode C est polarisée en direct. la régularité d'épaisseur des couches et leur concentration en impuretés sont parfaitement maîtrisées dans l'état actuel des techniques épitaxiales. Une telle structure conforme à l'invention présente les avantages explicités ei-dessous. Tout d'abord le problème d'nappa riement des diodes en capacité est résolu puisque, par suite du procédé de fabrication, en particulier de la simultanéité de l'attaque mesa, les deux diodes avalanches ont sensiblement la meme section. D'autre part, le montage du dispositif dans un boitier n'est pas plus compliqué que celui du montage d'une diode unitaire. Une seule connexion est nécessaire au lieu de deux, dans le cas de deux diodes conventionnelles montées en série dans le même boitier. L'inductance de connexion est donc deux fois plus faible dans le cas du dispositif selon l'invention que dans les dispositifs connus. Ce dernier point est très important. En effet, si une diode unitaire a une capacité C et une inductance I de connexion imposée par lc boiticr, la fréquence de résonnance f Wi est fixée par la relation LCw2 = 1 et elle doit etre supérieure à la fréquence d'utilisation de la diode si on veut conserver une bande suffisamment largc. Pour deux diodes unitaires mises en série dans le meme boiticr par les moyens connus, l'inductance est égale à 2L, mais elle reste égale à L pour le dispositif conforme à l'invention. Donc la capacité résultante admissible est doublée, ce qui veut dire que dans le cas de deux diodes réalisées selon l'invention, chacune d'elle peut avoir une section multipliée approximativement par un facteur deux. La strucutre de plusieurs diodes, montées en série conformément à l'invention présente encore un autre avantage. tes diodes sont réalisées sur un même substrat au lieu de l'autre sur doux substrats distincts ; par conséquent la résistance série duc à ce dernier est aussi considérablement réduite. t'exemple décrit pour l'illustrer l'invention se rapporte à une structure comportant cinq couches successives déposées par épitaxie, et deux diodes à avalanche en série, mais il doit êtrc entendu que ce nombre n'est pas limitatif et il est possible de réaliser n couches, n étant un nombre entier, comportant P diodes reliées entre elles par Q diodes telles que quand les P diodes sont polarisées en inverse, les Q diodes sont polarisées en direct. L empilage décrit dans les figures 1 et 2, formant P diodes à avalanche, n'est pas limitatif et diverses combinaisons des couches de conductivité différente sont réalisables, conduisant à la mise en série d'au moins deux diodes élaborées sur un même substrat conformément à l'invention. Exemple Il Exemple III Exemple IV couche 7 P+ P+ diode B couche 6 P diode B dìode B couche 5 N diode B diode B N##diodeC N+ diodeC + Xdiode C -diode C 2 diode C couche 3 P tdiodet diode 1 p+ t diode A ) couche 2 P t tE P +\ diode A } diode t substrat N diode A N+ N+ diode9 Tous ces exemples concernent des diodes N PA ou N+P à avalanche réalisées sur un substrat fortement dopé de type N ,reliées en série au moyen des diodes C de type P+N+.0n peut également réaliser la mise en série sur un même substrat de diodes P+N ou Pnit. Dans ce cas,les diodes sont réalisées sur un substrat P Une seconde variante de l'invention est représentée sur la figure 3 et concerne l'empilage de diodes à avalanche du type dit "à double zone d'entrafnement plus connues dans la terminologie anglo-saxonne par le terme "double drift". Une diode de ce type comprend une jonction P N ou'N P réalisée entre deux couches de semiconducteur très fortement dopées, formant une succession de couches N+NP P+ ou P+PN N+. Polarisée en inverse, une telle diode présente un phénomène d'avalanche à la fois dans la zone P et dans la zone N. ta figure 3 représente une des configurations possibles d'un dispositif conforme à l'invention. Il s'agit de deux diodes "doubledrift" montées en série sur un même substrat 10 de semiconducteur fortement dopé de type N sur lequel sont réalisées successivement une couche 11 de type N, une couche 12 de type P, une couche 15 de type P , une couche 14 de type N+, une couche 15 de type N, une couche 16 de type P, enfin, une couche 17 de type P . Quand la prcmière et la seconde diode A2 et 132 constituées respectivement par les couches 11 et 12, 15 et 16, sont polarisées en inverse la diode C2 formée par les couches 13 et 14 est polarisée on direct. L'exemple, rcyrésenté sur la figure 3, concerne une des combinaisons possibles, mais, comme dans le cas de la variante précédente, toutes les permutations sont permises,à condition qu'il existe, entre les diverses couches, au moins deux jonctions reliées entre elles par une jonction telle que celle-ci soit polarisée en direct quand les deux jonctions qu'elle relie sont polarisées en inverse. En parti culicr, le substrat peut être constitué par un semiconducteur de type P+.Qu'il s'agisse de diodes PN ou NP, de la première ou de la seconde variante, celles-ci peuvent être fabriquées collectivement sur un même substrat, selon la technique maintenant classiqu des mesas collectives et ensuite découpées par un procédé chimique ou mécanique en dispositifs élémentaires, contenant chacun un nombre de couches n, fonction du nombre de diodes P. la technique des mesas n'est pas la seule qui permette de réaliser les dispositifs conformes à 11 invention. On peut également faire appel aux techniques bien connues d'épitaxie ou de diffusion localisée, couramment utilisées dans la technologie planar ; la configuration obtenue est représentée sur la figure 4. Dans le cas d'une épitaxie localisée, une cavité 30 (figure 4) est préalablement réalisée dans un matériau 31, qui peut êtrc par exemple un semiconducteur de résistivité très élevée. Ensuite,dans le fond de cette cavité, est fabriquée une couche très fortement dopée d'un type de conductivité donné. Pour illustrer cette variante, on choisit l'exemple de montage décrit précédemment au moyen de la figure 1, mais toutes les combinaisons déjà énoncées sont réalisables selon ce procédé. les memes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures. la couche 1 est dans ce cas dc type N+.Elle peut être obtenue par exemple par diffusion d'une impureté à partir du fond de la cavité 30 jusqu a la surface du matériau 31 sur laquelle est soudé le contact 32. Ensuite, par épitaxie, sont déposées successivement les couches 2, 3, 5, 6 et 7 formant les diodes A, B, et C. Dans une variante de réalisation non représentée, car la configuration finale, au profil de diffusion près, est semblable à celle qui est représentée sur la figure 4, les différentes couches 1,2,3,4,5,6 et 7 sont obtenues par diffusions d'impuretés appropriées dans le matériau 31 à travers un masque de diffusion. Dans ce cas, aucune cavité 30 ne doit castre réalisée dans le matériau 31, elle se constitue au cours des diffusions sucessives et est délimitée par le profil de diffusion. tes exemples décrits montrent que le montage de diodes en série sur un meme substrat conformément à l'invention, qu'il s'agis- se de diodes à avalanche classiques ou do diodes à avalanche dit 'double-drift", est réalisable au moyen des techniques conduisant à des structures mesa ou à des structures planar et ceci quelque soit le montage désiré, qu'il s'agisse de diode PN ou de diodes ~nTP. REVEND I CAT IONS 1. Montage en série de diodes réalisées sur un même substrat, caractérisé en ce que les diodes sont formées respectivement de couches semiconductrices de type de conductivité opposé formées sur le même substrat, lesdites diodes étant reliées entre elles par des couches très fortement dopées, constituant des secondes diodes polarisées en direct quand lesdites diodes sont polarisées en inverse. 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites diodes sont du type , et lesdites secondes diodes du type P+ N+. 3. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites diodes sont du type PN, et lesdites secondes diode du type N+ P+. 4. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qi: lesdites diodes sont du type N NP P+, et lesdites secondes diode du type P N 5. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites diodes sont du type pi PN N+, et lesdites secondes diodes du type N P+.