Brevet FR2182225A1 — publié le 19731207

La présente invention est relative aux dispositifs semiconducteurs excités par la lumière et concerne plus particulièrement les interrupteurs ou redresseurs commandés, excités par la lumière. On fait état d'une technique pour la réduction de la quantité d'énergie lumineuse réfléchie résultant de l'impact de la lumière incidente sur la surface d'un dispositif excité par la lumière. La conception actuelle des dispositifs semiconducteurs excités par la lumière, et en particulier des interrupteurs ou redresseurs commandés, excités par la lumière, constitue un compromis entre une dissipation de chaleur efficace, une surface de contact électrique suffisante et une surface de contact optique suffisante. En l'absence d'un matériau de mise en contact électrique qui devrait être transparent aux radiations ou à la lumière d'excitation,la surface du corps de matériau semiconducteur, par exemple du silicium, à travers laquelle la lumière d'excitation pénètre, ne peut pas être mise en contact électrique. Par conséquence, la lumière ne peut entrer dans le corps de silicium que sur une surface relativement petite et une circulation de courant latéral doit s'établir avant que tout le corps soit "passant". Un dispositif 8, typique de la technique antérieure, est représenté à la figure 1. Ce dispositif excité par la lumière est un interrupteur à quatre zones et est constitué d'un corps 10 de silicium ayant une zone 12 d'émetteur anodique du type P, une zone 14 de base du type N, une zone 16 de base du type P et une zone 18 d'émetteur cathodique du type N. Le dispositif 8 comprend deux bornes de puissance 28 et 33, adaptées pour pouvoir être raccordées à une source d'énergie électrique, non représentée. Dans la réalisation particulière représentée, la borne supérieure 28, qui est de préférence réalisée en cuivre ou en tout autre matériau similaire de conductibilité électrique élevée, présente une partie plate 30 sur laquelle est appliquée la zone inférieure 12 d'émetteur anodique.La partie plate 30 se prolonge vers le bas par un goujon fileté 32, adapté pour être raccordé à un dispositif de dissipation de chaleur. La borne supérieure 33 est constituée d'une partie cylindrique creuse, également réalisée en cuivre ou en tout autre matériau de conductibilité électrique élevée, qui possède à son extrémité inférieure une collerette 34 qui repose sur la face supérieure du corps 10 et est reliée à la zone 18 d'émetteur cathodique. Une enveloppe isolante 36 en céramique, ayant la forme d'une coupe, entoure le corps 10 en silicium et est rendue étanche au point de traversée des bornes 28 et 33. Le dispositif décrit jusqu'ici est de construction similaire à celle d'un interrupteur à quatre zones, sauf que le conducteur de grille ou de porte que 1' on trouve dans les dispositifs commandes par impulsions, est éliminé. Au lieu d' un conducteur de porte classique, ce type de dispositif possède un alésage interne, pratiqué dans la borne supérieure 33, et, l'extrémité supérieure de 1' alésage+38 est, par l'intermédiaire d'un conduit de lumière, posant de préférence sur la surface de l'émetteur cathodique, raccordé à une source d'énergie lumineuse 42. constituée de façon typique par une diode laser à arséniure de gallium ou à une pile de diodes laser. La lumière émise par la source lumineuse 42 est amenée à travers le conduit de lumière 40, directement sur une région non métallisée de la surface de la zone 18 d'émetteur cathodique.Le dispositif est donc déclenché par la lumière, schématiquement figurée par les flèches 44, qui traverse la zone 18 d'émetteur cathodique et pénètre dans la zone 16 de base du type P et, dans une certaine mesure, dans la zone 14 de base du type N. Les interrupteurs excités par la lumière, réalisés suivant les techniques antérieures, sont, pour la plupart, des dispositifs à goujon du type représenté à la figure I et, comme tel, ne peuvent pas être empilés de manière compacte pour être utilisés à des tensions élevées. La figure 2 représente un empilage classique de dispositifs excités par la lumière, réalisés suivant les techniques antérieures. L'empilage 50 est constitué d'une série de dispositifs interrupteurs 52 à quatre zones, excités par la lumière, logés dans des boîtiers plats, entre lesquels sont disposés des éléments d'écartement 54 -électriquement conducteurs. Un conduit de lumière 56 traverse chacun des éléments d'écartement 54 et pénètre dans la porte supérieure du dispositif 52, disposé en-dessous de l'élément d'é cartement. La lumière transmise par les conduits 56 rend les dispositifs 52 conducteurs. Les dispositifs 52 sont du même type que celui représenté à la figure 1, sauf qu'ils sont encapsulés dans un boîtier plat au lieu d'être encapsulés dans des boîtiers à goujon, comme montré à la figure 1. L'empilage 50 de la figure 2 présente un inconvénient majeur. Pour tenir compte du conduit de lumière, l'élément d'écartement 54 doit être relativement épais et l'augmentation d'épaisseur qui en résulte se traduit par une augmentation de l'inductance du circuit et du volume nécessaire pour loger l'empilage 50. Dans les circuits modulateurs de radar, où le rapport di/dt peut être de plusieurs milliers d'ampères par microseconde, des inductances extrêmement faibles peuvent être très importantes, par exemple à 2 000 ampères par microseconde, une inductance de 5 x 10 8h se traduira par une chute de tension de 100 volts aux bornes de l'inductance. Un seul des éléments d'écartement peut facilement introduire une telle inductance. Par conséquence, un des buts de la présente invention est un dispositif a mélioré, sensible aux radiations ou excité par la lumière, pouvant être actionné d'une manière telle qu'elle permet, lors de l'impact de la lumière incidente sur la surface de ce dispositif, de réduire au minimum la quantité d'énergie lumineuse réfléchie. Suivant la présente invention, on a décrit un appareil sensible aux radiations comprenant un dispositif excité par la lumière et un moyen pour diriger de l'énergie lumineuse polarisée dans un plan de manière qu'elle frappe une surface du dit dispositif excité par la lumière, suivant un angle d'incidence correspondant à l'angle de Brewsters. L'angle de Brewsters est décrit en détail dans "Principle of Optics", par M. Born et E. Wolf, édité par "Pergamon Press" (1964). L'angle de Brewsters est défini dans "Electronics and Nucleonics Dictionary", par John Marcus, 3ème édition (1966), comme étant: l'angle d'incidence pour lequel une onde polarisée parallèlement au plan d'incidence est entièrement transmise, sans aucune réflexion. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés qui sont relatifs à une réalisation donnée à titre d' exemple. Sur ces dessins: - La figure I est une coupe pratiquée dans un dispositif excité par la lumière, réalisé suivant l'art antérieur. - La figure 2 est une représentation schématique d'un empilage de dispositifs excités par la lumière, réalisés suivant les techniques antérieures. - Les figures 3, 4 et 5 sont des vues latérales de corps en matériau semiconducteur, pouvant être utilisés dans le dispositif suivant l'invention. - La figure 6 est une vue explosée d'un semiconducteur excité par la lumière réalisé suivant les principes de la présente invention. - La figure 7 est un graphique de la réflectibilité par rapport à l'angle d' incidence. - La figure 8 est une représentation schématique d'un empilage de dispositifs fabriqués suivant les principes de la présente invention. - La figure 9 est un schéma montrant un rayon d'énergie lunimeuse, monochromatique, incident qui tombe sur un dispositif excité par la lumière et les rayons fractés et réfléchis correspondants. A la figure 3, on a représenté un corps 110 de matériau semiconducteur pouvant être utilisé dans un dispositif excité par la lumière, réalisé suivant 1' invention. Le corps 110 de matériau semiconducteur de la figure 3 ressemble au corps de matériau semiconducteur de la figure 1 et, tous les détails similaires portent les mêmes références qu a la figure 1. Le corps 110 de la figure 3 présente une caractéristique que l'on ne trouve pas dans les dispositifs antérieurs. Cette caractéristique consiste en des moyens réflecteurs. Ces dits moyens réflecteurs consistent en une série de sillons 60 creusés dans la face inférieure 62 du corps 110. Les moyens réflecteurs provoquent, conjointement avec les radiations lumineuses qui pénètrent profondément à l'intérieur du matériau semiconducteur, une "mise en conduction" du dispositif plus rapide. Les radiations lumineuses frappent les moyens réflecteurs, c'est-à-dire les sillons 60 et sont immédiatement réfléchies à travers le corps 110. La région relativement éloignée du corps 110 est donc excitée sans aucun retard pour l'instauration de l'accélération latérale. L'utilisation de tels moyens réflecteurs est exposée en détail dans la demande US. 834 997 du 20 juin 1969, également cédée à la Westinghouse Electric Corporation. Bien que l'incorporation de tels moyens réflecteurs, en l'occurrence les sillons 60 de la figure 3, soit souhaitable, elle n'est toutefois pas indispensable, et la face inférieure 62 du dispositif 110 peut être lisse et ne pas présenter de tels sillons. Un tel corps est représenté à la figure 4 et porte la référence 210. En outre, il n'est pas nécessaire que la zone 16 soit exposée à la surface supérieure du corps. Cette modification est également représentée à la figure 4. Comme indiqué à la figure 5, un contact électrique 64 en métal, tel que par exemple du molybdène, du tungstène, du tantale ou un alliage à base de ceux-ci, est soudé sur la face inférieure 62 du corps semiconducteur, à l'aide d'une couche de soudure 66. La couche de soudure 66 est, de préférence, formée avec une soudure dure, c'est- -dire un alliage à base d'or ou d'argent, fondant au-dessus d'environ 3500C. Un second contact électrique 70 est attaché à la surface supérieure 72 du corps semiconducteur. Le contact 70 est, de préférence, constitué par une couche d'aluminium, obtenue par évaporation, ayant une épaisseur de 55 000 à 65 000 A. Le corps en semiconducteur muni de ses contacts électriques, qui est représenté à la figure 5, porte la référence 310. Il faut noter que le contact 70 est percé d'une ouverture ou fenêtre centrale 74 pour permettre à l'énergie lumineuse d'atteindre la surface 72 du corps. La surface de la fenêtre 74 dépend du di/dt que l'on désire lorsque le dispositif est terminé. La surface de l'ouverture ou fenêtre 74 par rapport au dil dt possible doit être telle que la densité de courant ne dépasse pas 5 000 ampè 2 res par cm du dispositif. Une fenêtre circulaire de 3,75 mm de diamètre permet un di/dt de 4 000 ampères par microseconde. Si on utilise un corps semiconducteur ayant la configuration représentée à la figure 3, pour ce qui est des zones 18 et 16, le contact 70, ne repose que sur la partie de la face 72 où la zone 18 est exposée et ne doit pas recouvrir la zone 16. A la figure 6, le corps 310 de la figure 5 est représenté comme étant logé à l'intérieur d'un boîtier d'encapsulage assurant une liaison par compression. La figure 6 est une représentation sous forme de vue explosée de manière à la rendre plus claire. Il est bien entendu que le corps 110 peut être le corps de matériau semiconducteur représenté à la figure 3 ou à la figure 4. Comme indiqué à la figure 6, le corps 310 est disposé dans un boîtier d'encapsulage 80 qui comprend une partie supérieure 82 et une partie inférieure 84. Dans la fabrication commerciale réelle de cet assemblage, le corps 310, la partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 et la partie inférieure 84 du dit boîtier d'encapsulage 80 peuvent être, comme indiqué, pré-assemblés, l'assemblage final consistant simplement à attacher ensemble la partie supérieure 82 et la partie inférieure 84 du boîtier d'encapsulage 80, le corps 310 étant disposé à l'intérieur du dit boîtier. La partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 peut comporter un élé- ment électriquement isolant 86, fabriqué en porcelaine au zirconium ou en tout autre matériau isolant convenable, ainsi que des pièces métalliques 88 et 90 munies d'un rebord. Ces pièces 88 et 90 doivent être fabriquées avec un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui de l'élé- ment isolant 86 et pouvant être fixé sur ce dernier par brasage, soudage, ou par tout autre moyen de fixation convenable.Par exemple, les pièces 88 et 90 peuvent être réalisées avec un alliage plaqué de cuivre, contenant de 10 à 35 % en poids de cobalt, de 22 à 33 % en poids de nickel et le reste étant du fer avec des impuretés accidentelles, cet alliage étant vendu sous la marque "KOVAR". Les pièces métalliques 88 et 90 peuvent être fixées sur l'élément isolant 86 par de la soudure à l'argent ou par tout autre matériau de brasage convenable. La partie 82 du boîtier d'encapsulage 80 est complétée en brasant un élément 92 en forme de coupe sur la pièce 88, l'élément 92 en forme de coupe étant fabriqué à l'aide d'un métal relativement tendre ayant une haute conductibilité thermique et électrique, comme par exemple l'argent.L'élément 92 en forme de coupe constitue 1' un des contacts de pression sur le corps 310 et le diamètre de sa base peut être sensiblement le même que celui de la couche d'aluminium 70. La partie inférieure 84 du boîtier d'encapsulage 80 comprend un élément métallique 94 en forme de coupe, qui comme l'élément 92, constitue également l'un des contacts de pression sur le corps 310, et une pièce métallique 96. L'élément métallique 94 en forme de coupe peut être également fabriqué en argent. L'élément 94 en forme de coupe est fixé sur la pièce métallique 96 avec de la soudure à l'argent ou par tout autre moyen de fixation convenable. L'élément 94 en forme de coupe peut présenter, à la partie extérieure du fond de la coupe, un renfoncement 98 ayant un diamètre tel qu'on puisse y loger un contact 64 du corps 310. La pièce métallique 96 est réalisée à l'aide d'un matériau pouvant être facilement fixé sur la pièce 90 de la partie 82. Par exemple, la pièce 96 peut être fabriquée en acier plaqué de cuivre et soudée, par projection, sur la pièce 90, la partie en saillie 100 de la pièce 96 étant un bossage de soudage. L'assemblage final du dispositif encapsulé complet consiste simplement à placer le corps 310 dans le renfoncement 98 de la partie inférieure 84, le contact 64 du dit corps étant mis en contact avec le fond du dit renfoncement 98. La partie supérieure 82 du boîtier d'encapsulage 80 est alors placée au-dessus de l'élément métallique 94, en forme de coupe, de la partie inférieure 84, les pièces métalliques 90 et 96 étant en contact. Les pièces métalliques 90 et 96 sont fixées l'une à l'autre, par exemple par soudage, pour terminer l'assemblage. Si on le désire, on peut placer à l'intérieur de l'encapsulage 80 un dessicateur convenable. Donc, le boîtier d'encapsulage possède deux éléments en forme de coupe, disposés face à face, qui forment dans le dit encapsulage des dépressions opposées, relativement importantes, dirigées vers l'extérieur. Les éléments en forme de coupe 92 et 94 qui constituent en fait les contacts de pression sur le corps 310 ont leurs bords dirigés vers l'extérieur et le fond de leur partie renfoncée dirigé vers l'intérieur, pour que l'un vienne appuyer sur le contact 70 et l'autre sur le contact 64 du corps 310. Cette disposition permet de loger des électrodes 102 et 104, relativement grandes, dans le creux des éléments 92 et 94 et d'appliquer la pression nécessaire pour réaliser des liaisons par compression de haute qualité, entre le corps 310, les éléments 92 et 94, en forme de coupe, et les électrodes 102 et 104. Les électrodes 102 et 104 peuvent être fabriquées en cuivre ou en tout autre matériau convenable ayant de bonnes caractéristiques de conductibilîté électrique et thermique. On a observé et vérifié par expérimentation, que le couplage optique de 1' énergie radiante dans un dispositif semiconducteur excité par la lumière, peut être optimisé sans l'utilisation d'un revetement anti-réfléchissant en dirigeant la lumière sur le dispositif suivant l'angle de Brewsters, calculé dans le cas d'un dispositif en silicium dans l'air et d'une lumière de 1,06 micron de longueur d'onde, si la majorité de radiations est polarisée dans un plan. Des radiations polarisées dans un plan peuvent être obtenues à partir de sources de lu mière monochromatique, coltine par exemple les lasers. L'incidence de lumière suivant l'angle de Brewsters est réalisable en particulier pour des lasers à facteur de qualité variable du résonateur optique qui, utilisés corne sources de lumière d'excitation, émettent des radiations qui sont pratiquement polarisées à 100 % dans un plan. Cette technique permet également l'utilisation de sources de lumière constituées par des lasers CW dont les radiations peuvent être polarisées efficacement à l'intérieur de la cavité, de même que toute autre source d'énergie polarisée dans un plan. En général, quand la lumière passe d'un premier milieu (par exemple de l'air ayant un premier indice de réfraction) à un second milieu (par exemple du silicium présentant un second indice de réfraction), une partie de la lumière incidente est réfléchie à la surface de séparation des deux milieux et une partie est réfractée, c'est-à-dire transmise à travers le second milieu, comme indiqué au graphique de la figure 9. Dans de nombreux cas, il est souhaitable de transmettre autant d'énergie lumineuse incidente que possible du premier milieu au second milieu en réduisant au minimum l'énergie du faisceau réfléchi. Ce résultat est généralement obtenu par l'application d'un revêtement anti-réfléchissant sur la surface S du second milieu. Les principes optiques dans la fabrication des revêtements anti-réfléchissants sont décrits en détail dans "Fundamentals of Optics" par F.A. Jenkins et H.E. White, publié par Mc Graw Hill (1953). Il suffit de dire qu'un revêtement anti-réfléchissant d'une épaisseur donnée a une efficacité optique de 100 z pour une longueur d'onde unique de lumière à un angle unique d'incidence. L'utilisation d'une source de lumière monochromatique fournissant des radiations qui sont polarisées dans un plan et dirigées pour frapper la surface du second milieu, suivant un angle correspondant à l'angle de Brewsters, fournit la même efficacité de couplage optique tout en éliminant la nécessité d'appliquer un revêtement anti-réfléchissant.L'efficacité de couplage optique peut autre considérée comme le rapport de l'intensité de la lumière transmise dans le second milieu et celle de la lumière incidente dans le premier milieu multiplié par 100 Z. Il peut être démontré que l'efficacité du couplage ou de la transmission optique pour l'agencement illustré schématiquement à la figure 9, augmente de façon monotone à partir de l'incidence normale perpendiculaire à la surface S, jusqu'à une valeur de l'angle e correspondant à l'angle de Brewsters, si le plan de polarisation du faisceau incident est parallèle à la surface S (consulter: "Principle of Optics" mentionné ci-dessus). Tout angle d'incidence différent de l'angle droit mais inférieur à l'angle de Brewsters avec l'orientation ci-dessus, donne une amélioration de la transmission optique de la lumière polarisée dans un plan par rapport à celle produite à incidence normale.Pour un angle e légè- rement supérieur à l'angle de Brewsters, l'efficacité de la transmission est plus grande que celle à incidence normale mais diminue très rapidement jusqu'à zéro pour un angle d'incidence de 900. L'angle de Brewsters pour un ensemble donné de milieux correspondant au milieu 1 et au milieu 2 et une longueur d'onde spécifique, peut être défini comme l'angle d'incidence qui établit effectivement un angle droit de 900, pour l'angle 43 entre le faisceau réfracté et le faisceau réfléchi. L'énergie émise par un laser à facteur de qualité au néodynium est approxi mativement monochromatique ( A la figure 8, on a représenté schématiquement une série de dispositifs semiconducteurs excités par la lumière, empilés l'un sur l'autre, l'énergie lumineuse incidente étant dirigée sur les surfaces respectives à partir d'une source d'énergie lumineuse 112 polarisée dans un plan qui dirige un faisceau de lu mière à travers l'ouverture 108 qui s'étend entièrement à travers l'électrode 102 et l'élément 92, décrit à la figure 6. L'ouverture 108 est orientée dans une direction faisant un angle correspondant à l'angle de Brewsters, en dehors de la perpendiculaire à la surface S. Supposons une réalisation où le milieu 1 de la figure 9 est de l'air et le milieu 2 du silicium, on a tracé à la figure 7 un graphique de la réflectibilité ou pouvoir réflecteur, en fonction de l'angle d'incidence. Pour faciliter les explications, on admet que l'indice de réfraction de l'air est 1 et que 1 'inci- dence de réfraction du silicium est 3,5, cette dernière valeur étant extraite de "Refractive Index of Silicium, Applied Optics", volume 10, No.4, avril 1971. Les données de la figure 7 sont basées sur la réflectibilité de la surface de séparation de l'air et du silicium, en fonction de l'angle d'incidence pour une lumière de 106 microns de longueur d'onde polarisés dans le plan d'incidence. Une courbe de forme similaire à celle représentée à la figure 7 existe pour d'autres milieux et pour d'autres longueurs d'onde de lumière. On peut constater à la figure 7 qu'un angle e de 10 degrés donne une réflectibilité d'environ 0,31, c'est-à-dire qu'environ 31 % de l'énergie lumineuse frappant la surface du corps de silicium sont perdus par réflexion. Si l'angle e est égal à 20 degrés, les pertes imputables à la réflexion sont d'environ 29 Z. Comme on peut le voir en examinant le graphique de la figure 7, plus l'angle e augmente, moins les pertes d'énergie lumineuse par réflexion sont élevées. A environ 74 degrés 3 minutes, il n'y a pas de pertes d'énergie lumineuse dues à la réflexion. Cet angle, pour ces milieux, correspond à l'angle de Brewsters. Les pertes dues à la réflexion commencent alors à nouveau à augmenter quand l'angle e dépasse 74 degrés 3 minutes. REVENDICATIONS. 1. Appareil sensible aux radiations, caractérisé par un dispositif excité par la lumière et par un moyen pour diriger une énergie lumineuse polarisée dans un plan pour qu'elle frappe une surface du dit dispositif excité par la lumière, suivant un angle d'incidence correspondant à l'angle de Brewsters. 2. Appareil sensible aux radiations, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dit dispositif excité par la lumière est un dispositif semiconducteur. 3. Appareil sensible aux radiations, suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la dite énergie lumineuse polarisée dans un plan est une énergie lumineuse monochromatique. 4. Appareil sensible aux radiations suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dit moyen pour diriger de l'énergie polarisée dans un plan comprend un laser. 5. Appareil sensible aux radiations suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle de Brewsters est défini comme étant l'angle d'incidence d'une énergie lumineuse polarisée dans un plan, frappant la dite surface, mesuré à partir de la perpendiculaire à la dite surface, qui établit effectivement un angle d'environ 900 entre l'énergie lumineuse ré fractée et l'énergie lumineuse réfléchie à la dite surface. 6. Appareil sensible aux radiations suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie lumineuse polarisée dans un plan, est polarisée dans le plan de la perpendiculaire à la dite surface du dit dispositif excité par la lumière.