Brevet FR2205747A1 — publié le 19740531

la présente invention concerne une résistance dynamique négative à haute fréquence, du type diode à temps de transition impact à avalanche, dénommée dans ce qui suit "IMPATT. On utilise aujourd'hui plusieurs techniques spéciales pour obtenir avec des diodes BBATT des puissances de sortie élevées et/ou des rendements élevés à une fréquence donnée. Cs techniques prévoient de grandes surfaces de jonction, des géométries de circuit spéciales telles que des bagues et des rectangles allongés, des dissipateurs de chaleur en diamant9 des dissipateurs de chaleur refroidis à l'azote liquide9 et une construction à couches multiples0 En outre, divers paramètres associés au dispositif intrinsèque sont connus pour améliorer le fonctionnement de ces diodes ISWATT en jonction avec l'une ou plusieurs des techniques spéciales indiquées ci-dessus pour obtenir des puissances de sortie et des rendements plus élevée. Dans le silicium lui-memep par exemple9 une construction n+ ppr (complémentaire de la construction traditionnelle p+ nn+) s'est révélée capable d'augmenter l'efficacité de fonctionnement, et une construction de regrain à double dépit a montré un accroissement important à la fois de la puissance de sortie et du rendement. Dans la diode selon l'invention, on utilise le contrôle du profil de dopage dans la zone de la jonction comme moyen pnur obtenir des puissances de sortie exceptionnelement élevées avec des surfaces de jonction relativement petites, ainsi que des rendements élevés. En outre, le signal de sortie de la diode conforme à l'invention présente un bruit de fond plus faible que dans les dispositifs construits par d'autres techniques. le gradient de concentration des porteurs désiré est obtenu par de multiples étapes de diffusion avec des concentrations de dopant différentes. L'invention a pour objet une diode I1PATT traditionnelle de type p+ nn+, caractérisée par une région d'avalanche au voisinage de la jonction p-n. Lorsqu'un tension inverse suffisante est appliquée à la jonction, il se produit une avalanche, c'est-à-dire une multiplication du nombre de paires de trous électroniques disponibles. lies porteurs de charge ainsi engendrés se propagent à travers le reste de la diodes doù il résulte un décalage de phase dans le courant extérieur par rapport à la tension appliquée. Ctest ce décalage de phase qui est responsable de la résistance dynamique néga tive, ou du gain de puissance obtenu a couche p+, telle que celle formée dans une diode II{PAfT traditionnelle a une concentration de porteurs élevée à la surface du semi-conducteur, et celle-ci tombe brusquement à la profondeur de pénétration de la couche, En formant la diode avec deux ou plusieurs diffusions d'un dopant de type p ayant des concentrations différentes et des profondeurs différentes9 le gradient de concentration peut être modifié de telle sorte que la concentration en porteurs soit faible près de la jonction et élevée loin de celle-ci. A cet effet9 la présente invention concerne une diode IMPATT9 diode caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat semi--conducteur ayant une concentration élevée en impuretésde porteurs une couche épitaxiale déposée sur ce substrat, ayant une concentration modérée en impuretés de porteurs 2 ces impuretés étant du même type que le substrat9 et plusieurs couches diffusées dans cette couche épitaxiale, ces couches diffusées ayant une impureté de type opposé à celle du substrat et de la couche épitaxiale 9 chacune de ces couches diffusées ayant une concentration en porteurs plus grande que la couche diffusée précédente et étant diffusée à une moins grande profondeur que la couche diffusée précédente. Le mode de réalisation préféré de llinvention utilise deux diffusions pour obtenir-une diode ayant une configuration p+ -pnn+. En éloignant la région de haute concentration de la proximité de la jonction p-nS on permet la création d'une région à avalanche, laquelle engendre davantage de chaleur dans une diode ItPATT, pour pénétrer davantage dans la région p, plus près du puits de chaleur. On obtient ainsi une amélioration importante des caractéristiques thermiques de l'ensemble. On obtient également une amélioration d'efficacité opérationnelle étant donné que la concentration en porteurs eet plus fable près de la jonction et plus élevée dans la région p+ éloiée de la jonction9 ce qui réduit le stockage des porteurs minoritaires et contribue directement à l'effioacite de la diode. Il en résulte que le diode IMPACT selon l'invention est capable de fournir une puissance élevée. La description ci-après se rapporte à des exemples non limitatifs de réalisàtion représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure i est une représentation schématique en coupe transversale d'un exemple de diode IMPAi1' conforme à l'invention, - la figure 2 est un graphique des concentrations en porteurs de diverses couches de matière déposées sur, ou diffusées dans un substrat semi-conducteur, en fonction de la distance à la surface, dans une diode selon lvention partiellement terminée; - la figure 3 est un graphique des concentrations en porteurs dans la réalisation terminée d'une diode selon l'invention, en fonction de la distance à la surface;; - la figure 4 est un graphique de la puissance de sortie et du rendement en fonction du courant, pour une diode typique; - la figure 5 est un graphique analogue à celui de la figure 4 pour une autre diode typique. En se référant à la figure i, cette dernière représente la réalisation d'une diode selon l'invention avec un gradient de concentration en porteurs réalisé par deux étapes de diffusion pour donner une diode IMPATT de configuration n+ pp+. La diode est fabriquée suivant des techniques connues, sous la forme d'une grande rondelle de substrat ayant les couches appropriées déposées sur elle ou diffusées dans elle; et cette rondelle est découpée ensuite en un certain nombre de petites pastilles qui forment plusieurs diodes selon l'invention. la matière de substrat est une matière semi-conductrice de type n+ ctest-à-dire une matière ayant une densité élevée d'électrons libres9 de l'ordre de 4 x 1019 par centimètre cube. Ire substrat est désigné par 10 dans la figure 1, la densité des porteurs étant indiquésen 17 dans la figure 2.Une couche 11 de matière n ayant une densité d'électrons libres de lnordre de 6 x î015 par centimètre cube est déposée sur le substrat9 épitaxialement sur une épaisseur d'environ 7 microns. I2épaisseur exacte et la densité d'électrons libres dépendent de la fréquence de fonctionnement désirée de la diode terminée. la densité des porteurs de la couche il est indiquée en 18 dans la figure 2. Une couche 12 de type p ayant un profil de densité de porteurs approximativement tel que celui indiqué par a courbe 19, est diifusée dans la couche 11 de type n à une profondeur dgapproximativement 1 micron. La concentration en porteurs à la surface de la rondelle9 due à cette diffusion9 est. de l'ordre de 3 x 1019 trous par centimètre cube. Une seconde étape de diffusion est alors effectuée. Elle diffuse une matière ayant une densité de porteurs d'environ 4 x 1020 trous par centimère cube dans le substrat et forme une couche 53. La seconde étape de diffusion a également pour effet de pénétrer un peu plus loin dans le substrat9 de sorte que les couches 12 et 13 ont ensemble une épaisseur d'environ 15 micron. Le profil composite de concentration en porteurs est représentée par la courbe 21 de la figure 3 qui montre la densité des porteurs en fonction de la distance à la surface de la matière semi-conductrices en commençant par la couche 13 p+ ayant une densité de porteurs de l'ordre de 4 x 1020 trous par centimètre cube et tombant approximativement à 1019-trous par centimètre cube au début-de la couche 12 de type p à environ 1 micron de la surface puis ensuite à nouveau à la jonction métallurgique en 22. La couche 11 de matière de type r part de la jonction métallurgique vers le début de la matière de substrat 10 de type n+ où la densité de porteurs est à nouveau élevée. les bornes 14 et 15 sont plaquées sur les surfaces du dispositif conformément aux techniques de fabrications de la diode Ire profil de dopage ainsi décrit a pour résultat de donner un dispositif ayant- une puissance de sortie élevée et un rendement plus élevé que les dispositifs réalisés suivant la te 1risque antérieure.Il est clair que9 bien qu'on ait décrit un exemple dans lequel région p de la diode a une forme propre à créer la faible concentration en porteurs désirée près de la jonction métallurgique et une forte concentration loin de cette Jonction9 en utilisant deux étapes de diffusion avant des pénétrations différentes et des concentrations de porteurs différentes, un nombre plus élevé de diffusionspourrait également être utilisé Four former différemment la pente de la courbe de concentration en porteurs en fonction de la distance.D'autre parut, une diode complémentaire c' est-à-dire une diode commençant par un substrat avec une couche épitaxiaie de type p suivi par des diffusions multiples n et n+, pourrait autre réalisés suivant l'invention et posséder des avantages similaires à ceux décrits. Des diodes IMPATT ont été construite en utilisant un dopage contrâlé dans la jonction et dans son voisinage immédiat9 par une double diffusion, comme décrit ci-dessus0 On a réalisé ainsi des puissances de sortie allant jusqu'à 1952 watt à 10p2 Hz et un rendement de 9,4 % avec des surfaces de jonction relativement petites et des rendements atteignant 10,3 % à 0,9 watt à nouveau dans des fréquences en bande X. En outre, le signal de sortie observé à l'analyseur de spectre montre un bruit de fond plus faible que celui des dispositifs contruits avec d'autres techniques. Cette puissance élevée et =es hauts rendements sont indiqués respectivement dans les figures 4 et 5.A noter que ces résultats concernent desdispositîfs mesa simples avec des puits de chaleur en cuivre déposés par placage, ît montés dans un bottier traditionnel à base de cuivre avec refroidissement par eau. Les dispositifs ci-dessus sont obtenus par diffusion multiple de bore pour une impureté de type p dans une couche épitaxiale de type n sur un substrat à faible résistivité, dopé à l'arsenic Ia résistivité de la couche n était de 0,89 ohm/m, tes diffusions sont réglées de manière à avoir pour résultat une concentration en porteurs relativement faible au voisinage immédiat de la jonction et une concentration en porteurs élevée loin de la jonction.Une telle concentration donne les caractéristique importantes suivantes a 10) la faible concentration en porteurs près de la jo tion fait que la région d'avalanche pénètre plus loin dans la région p et ainsi la zone génératrice de chaleur se déplace plus près du puits de chaleur0 Ce faitS ainsi que les diffusions de type p très peu profondes donnent une amélioration important des caractéristiques thermique des dispositifs ainsi que de la puissance de sortie. 20) La faible concentration en porteurs près de la jonction et la concentration élevée en porteurs dans la région p+ située plus loin à partir de la jonc- tion réduisent le stockage des porteurs minoritaires et son effet sur les performances du dispositif, Ceci contribue directement à l'amélioration de l'efficacité de fonctionnement de la diode0 30) La modification de structure causée par la diffusion dépend de la concentration en impuretés diffusées.Une diffusion directe peu profonde deimpureté p+ provoque une modification de structure excessive dans la région d'avalanche et près de celle-ci. Ceci conduit à un bruit de fond trop élevé des diodes ii4PATT. La construction par diffusion multiple fdurnit par conséquent des dispositifs à bruit de fond plus réduit. les diodes ainsi fabriquées présentent des puits de chaleur plaqués sur du cuivre et possèdent des connections multiples en fil métallique afin de réduire l'inductance. L'évaluation R F a été faite dans un circuit "à guide d'onde à capuchon avec un capuchon conique d'un diamètre de 12,4 mm et d'une cônicité de 100. Ces caractéristiques ainsi que d'autres paramètres du circuit étaient optimisés pour des diodes à faible capacité0 Le produit de la puissance par l'impédance d'une diode ISSATT caractérise la qualité de celleci. Bien que ce facteur croisse lorsque la fréquence décroit il peut entre considérés à une fréquence donné comme un facteur de qualité de la diode et peut être utilisé pour choisir ira meilleur des diodes disponibles. Un paramètre plus simple serait la puissance de sortie par unité de capacité du dispositif au voisinage duclagM$ Cependant bien que la puissance de sortie d'une diode IMPATT continue à croître lorsque la puissance d'entrée croit (polarisation continueJjusqugà ce qu'elle brûle, la puissance de sortie n'est pas la seule quantité à considérer. Ceci peut outre résolu considérant les caractéristiques de puissance et de rendement comme une fonction de la tension pour n'importe quelle diode BBAT (figure 4 et 5). On constate que, tandis que la puissance de sortie continue à croître, le rendement atteint une vaieur maximale et commence ensuite à décroître.Etant donné qu'un fonctionnement du dispositif au-delà du point de rendement maximal n'est généralement pas recommandé, comme région sûre de fonctionnement, la puissance de sortie au point de plus haut rendement pour être utilisée pour la détermination du facteur de qualité. Ainsi, si Pmax n est la puissance de sortie correspondant au rendement maximale et CBV la capacité du dispositif total au voisinage du plaquage, un facteur pratique de qualité Q peut titre défini par Pmax n Q =- --- CBV Ce facteur de qualité pour les diodes des figures 4 et 5 est respectivement de 3,07 et 2,8, la puissance étant exprimée en watt et la capacité en pf. Bien qu'on ait décrit une diode IMPA22 ayant un profil de concentration de porteurs au voisinage de la jonction p-n, obtenu par diffusion multiple d'impureté pour obtenir les caractéristiques désirées, diverses modifications restent possible sans sortir pour autant du domaine de l'invention. REVENflICATIONS 1 ) Diode iiATT, diode caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat semi-conducteur ayant une concentration élevée en impuretés de porteurs, une couche épitaxiale déposée sur ce SubStrat ayant une concentration modérée en impuretés de porteurs, ces impuretés étant du méme type que le substrat, et plusieurs couses diffusées dans cette couche épitaxialeS ces couches diffusées ayant une impureté du type opposé à celle du substrat et de la couche épitaxiale, chacune de ces ccurbes diffusées ayant une concentration en porteurs plus grande que la couche diffusée précédente et étant diffusée à une moins grande profondeur que la couche diffusée précédente0 20) Diode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat et la couche épitaxiale sont en matière semi-ccnductrice respectivement de type n+ et n, les couches diffusées étant en matière semi-conductrice du type po 30) Diode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la couche de type p est diffusée dans la couche épitaxiale sur une profondeur d'approximativement 1,5 micron et présente une concentration maximale en porteurs de l'ordre de 7 x 1019 trous par cm3, tandis que la couche de type type p est diffusée dans la première couche diffusée sur une profondeur d'approximativement 1 micron, et présente une concentration maximale en porteurs de l'ordre de 4 x 1020 trous par cm3. 40) Diode suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est une diode au silicium. 50) Diode suivant ia revendication 1, caractérisée en ce que le substrat et la courbe épitaxiale sont en matière semiQconductrice respectivement du type et et 2 les couches diffusées étant en matière semi-conductrice du type n 60) Pr-océdé pour la formation du gradient de concentration en impuretés dans un semi-conducteur destiné à la fabrication d'une diode ItPATT selon la revendication 1 procédé caractérisé en ce quson diffuse dans ce semiconducteur des couches success.ves d1impuretés, chacune de ces couches présentant une concentration en impuretés supérieure à celle de la diffus Drécédente9 et ayant une profondeur de pénétration moindre que celle de la diffusion précédente. 70) Diode à temps de transmission d'impact à avalanche conforme à celle obtenue par le procédé de la revendication 6, diode caractérisée par des couches diffusées successivement, chacune de ces couches étant moins profonde que la précédente, et ayant une concentration en impuretés plus grande que ia couche précédente, cette concentration étant inférieure de deux ordres de grandeur à la concentration de la couche précédemment diffusée.