Brevet FR2235494A1 — publié le 19750124

la présente invention concerne un thyristor comportant au moins quatre régions de type alterné, un contact d'anode, un contact de cathode et au moins une électrode de commande ou gachette. Aux fréquences pas trop élevées, l'échauffement des thyristors s'effectue essentiellement par la dissipation à l'état passant. la caractéristique de l'état passant détermine l'intensité admissible par l'intermédiaire de l'échauffement. On sait que le comportement à l'état passant d'un thyristor est déterminé par l'épaisseur des deux régions de base et par la durée de vie des porteurs de charge minoritaires dans ces régions. les régions de base désignent habituellement les deux bases des transistors constituant le thyristor. Dans un thyristor à quatre régions de type alterné, les deux régions intérieures constituent les régions de base. Dans un thyristor conventionnel, à structure pnpn de l'anode vers la cathode, les pertes à l'état direct sont déterminées par la base n en particulier. L'invention a pour objet dtaméliorer le comportement d'un thyristor à l'état passant, sans réduire ses autres propriétés. Selon une caractéristique essentielle de llinvention, la région anodique, constituant l'émetteur, présente à la jonction avec la région intérieure voisine un gradient aussi élevé que possible de concentration en dopant, au lieu du gradient plat habituel. Le cas limite suivant est compris : la région anodique présente un dopage sensiblement homogène et la concentration de dopage de la jonction avec la région intérieure voisine présente une décroissance abrupte ou le gradient de concentration de la jonction avec la région intérieure voisine croit d'abord à la façon d'un profil de dopage plat, obtenu par diffusion dtimpuretffiss puis croit rapidement. La tension inverse maximale est alors supérieure à celle obtenue dans le premier cas. L'épaisseur de la région à profil de dopage plat peut varier entre O et une valeur légèrement supérieure à l'extension de la jonction dans cette région. L'épaisseur de la région est généralement comprise entre 5 et 40 Wm. Lors de la fabrication de l'émetteur selon l'invention par alliage ou épitaxie, la région d'émetteur est dopée de façon sensiblement homogène, du contact d'anode vers la région à gradient de concentration rapide. Selon une autre caractéristique de l'invention, une amélioration supplémentaire de la caractéristique à l'état passant est obtenue en rendant l'épaisseur de la région anodique inférieure à celle adoptée dans une structure conventionnelle. Une épaisseur environ égale à cinq fois la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans cette région, généralement inférieure à 1 Sm, est suffisante. Compte tenu de considérations pratiques, on s'efforce d'obtenir une épaisseur de 5 à 20 m lors de la production d'un thyristor selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente la courbe de la concentration de dopage d'un thyristor conventionnel et d'un thyristor selon l'invention; la figure 2 représente la courbe de la concentration de dopage dans un autre exemple de réalisation selon l'invention; et la figure 3 r#eprésente la courbe de la concentration de dopage pour la description d#'une caractéristique préférentielle et de la fabrication d'un thyristor selon l'invention. Un thyristor conventionnel présente le profil de dopage typique de la figure 1, les épaisseurs de couche indiquées étant représentatives d'une telle structure de thyristor. Un thyristor diffusé a été choisi comme exemple. les régions p1 et p2 forment une région p, constituant l'émetteur anodique. nl est la-base n, p3 la base p et n2 l'émetteur cathodique du thyristor. La courbe de la concentration de dopage est représentée en trait plein pour la structure conventionnelle. La courbe de concentration des porteurs de charge injectés qui s'établit à l'état passant du composant est représentée en points et tirets. Unevpartie de l'émetteur p, fonction de l'intensité du courant, est submergée de porteurs de charge.L'épaisseur Wp2 (i) de la partie de l'émetteur p sub merdée par des porteurs de charge est meme supérieure, aux densités de courant élevées, à l'épaisseur Wp3 de la base p et varie typiquement de 30 à 50 m. Par suite de la submersion de l'émetteur, la chute de tension à l'état passant n'est pas déterminée par l'épaisseur de base réelle W = W + W 3 nl p mais par l'épaisseur de base effective Weff 3 Wnl +Wp3 + Wp2 (i) -L'épaisseur de base est ainsi augmentée de Wp2(i), de sorte que la chute de tension croit également.Lorsque la base p n'est que partiellement submergée, W est une épaisseur effective de cette dernière, fonction p3 du courant. Ce calcul simple est valide dans l'hypothèse suivante :Sa durée de vie des porteurs de charge dans la partie submergée de L'émetteur et dans la base p est égale à la durée de vie dans la base n. En règle générale, la durée de vie est toutefois beaucoup plus courte dans la partie de l'émetteur p ajoutée à la base que dans la base n meme. La submersion de émetteur a donc une action encore plus intense que celle correspondant à ltelargissement géométrique de la base. L'invention interdit l'augmentation effective de ltépaisseur de base dans le cas d'une charge à l'état passant, au moyen d'un profil de dopage aussi abrupt que possible de l'émetteur p adjacent à la base n (courbe en tirets de la figure 1). Seule l'épaisseur de base réelle intervient ainsi dans la taractéristique à l'état passant, de sorte que la chutede tension est-plus faible pour un courant donné. La caractéristique à l'état passant étant également déterminée par la recombinaison dans les régions extérieures fortement dopées, la récombinaison dans le nouvel émetteur p ne doit pas entre sensiblement supérieure à celle dans la partie fortement dopée et non submergée de l'émetteur d'origine. Dans une autre forme de mise en oeuvre de l'invention, l'émetteur p est réalisé de façon que la concentration de dopage croisse rapidement à une distance déterminée de la jonction avec la base n (figure 2). La distance entre la croissance rapide du profil de dopage et la jonction avec la base n doit dans le cas le plus favorable être suffisamment élevée pour que le profil abrupt ne perturbe pas ou guère l'extension de la zone à charge d'espace dans la partie conventionnelle de l'émetteur, produite par diffusion de trous lors de l'application de la tension maximale. Le gradient de concentration rapide ne perturbe alors pas la tension inverse admissible, mais la caractéristique est améliorée dans le sens direct, aux densités de courant élevéesss par suite de l'épaisseur de base effective plus faible. les conditions sont par ailleurs identiques à celles décrites à l'aide de la figure 1. La structure améliorée présenterait les mimes propriétés que la structure de dopage conventionnelle pour l'évacuation de la chaleur produite par les pertes dans la région de base si l'épaisseur de l'émetteur était égale à celle de la région d'émetteur p complète dans le cas con ventionnel, soit une valeur typique de 100 Wm. Outre l'interdiction dlé largissement de la base par le profil rapide ou abrupt, une autre amé- lioration résulte du choix d'une épaisseur d'émetteur plus faible. Il est possible de réduire l'épaisseur de émetteur à un multiple de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, sans nuire au. fonctionnement du composant.Cette longueur de diffusion étant très faible dans des régions fortement dopées, une épaisseur d'émetteur de 10 bu suffit largement dans les cas importants en pratique, En d'autres termes, l'épaisseur de la plaquette de silicium peut etre réduite de 90 Zm dans -l'exemple précédent. Une certaine amélioration du composant résulte déjà du fait que la chute de tension aux bornes de la région d'émetteur intervient aussi aux densités de courant élevées. La diminution de ces pertes dépend de celle de l'épaisseur d'émetteur par rapport à l'épaisseur de la partie fortement dopée et non submergée de l'émetteur p de la structure habituelle. L'amélioration de la dissipation thermique résulte de ce que la diminution d'épaisseur de l'émetteur rapproche le fond métallique de la région principaîe de production de la dissipation, c'est-à-dire de la région de base et d'étroits bords adjacents des régions fortement dopées. Le fond métallique en tungstène ou molybdène, avec le cas échéant une couche intermédiaire d'alpax adjacente au silicium, a an effet de meilleures propriétés de conduction et d'accumulation de la chaleur que le silicium.La thermodiffusivité > - R/Pc QC r conductibilité thermique, c = chaleur specifique, p P masse volumique) détermine la compensation d'une élévation de température produite par le passage du courant dans la plaquette de silicium. - Cette grandeur du silicium et du métal déter- mine la répartition de température locale dans le temps.La quantité de chaleur s'écoulant de la région de base (et des étroits brods voisins des régions fortement. dopées) vers la- plaque du fond s'obtint à partir de cette répartition de la température, en multipliant l'élévation de température par la chaleur spécifique par#unité de volume Pc, puis en intégrant sur l'émetteur p et la plaque de fond. fl s'agit de brèves surcharges, tant que la chaleur cédée au radiateur en cuivre du bottier et à l'extérieur n'intervient pas.Le tableau ci-dessous présente les valeurs de et de Pc du silicium du tungstène, du molybdène et de l'alpax aux rempératures voisines de 500 K, pour lesquelles les courants non répétitifs de surcharge accidentelle sont an général particulièrement critiques, Si W Mo alpax -a Ccm2/s) 0,33 0,53 0,47 0,63 aCtcm2/s? 0,33 0,53 0,47 0,63 Pccal/cm3.K) 0,46 0,65 0,66 On voit que les valeurs de ç et de Pc des métaux employés sont supérieures à celles du silicium. La différence entre les valeurs de Xt du silicium et des métaux croit avec la température.Lorsqu'unie couche de silicium d'une épaisseur de 90 bm par exemple est supprimée, c'est-à- dire le fond en alpax et tungstène (ou molybdène} est rapporché, 1. la compensation thermique est plus rapide par suite de la valeur supérieure de ; 2. pour une élévation de température donnée, la chaleur absorbée est superieure dans la région du métal remplaçant le silicium, par suite de la valeur supérieure de Pc. La dissipation thermique ainsi améliorée est importante dans le cas de brèves charges intenses, pour lesquelles la température augmente fortement et tant que la zone de la plaque de fonc participant à la conduction thermique est faible, son épaisseur n'étant pas encore grande par rapport à la réduction de 1 'épaisseur d'émetteur. Cette dernière entraine par suite une amélioration de la résistance aux courants non répétitifs de surcharge accidentelle. La dissipation thermique est moins améliorée dans le cas d'une charge permanente, pour laquelle la résistance thernique stationnaire intervient et le radiateur en cuivre du bottier joue un rle important. L'invention a également pour objet un procédé pour la production de la structure de thyristor selon l'invention, La région d'émetteur anodique est d'abord produite par diffusion d'impuretés, puis les autres régions sont produites par des techniques connues, telles que-la diffusion ou l'alliage; une partie de cette région d'émetteur est ensuite supprimée, puis un émetteur à gradient de concentration rapide est produit par alliage, de façon que le-front de la région recristallisée se situe dans la région d'émetteur initiale, à la distance désirée de la région voisine de type opposé. Une variante du procédé consiste à supprimer la région d 'émetteur jusqu la profondeur désirée, puis à déposer par épitaxie un nouvel émetteur, avec un gradient de concentration aussi élevé que possible. Le procédé de production est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 3. Deux régions de type p sont d'abord produites dans une plaquette de silicium de type n, par diffusion de gallium, L'épaisseur de la région p3 est généralement diminuée par attaque chimique ou rodage, afin d'ajuster les propriétés d'amorçage du thyristor. Afin de compléter la structure conventionnelle, et dans un modèle entièrement diffuse, les régions n2 et n3 de type n sont produites par diffusion de phosphore ou d'arsenic, puis la région n3 est de nouveau supprimée. La structure de thyristor conventionnelle serait alors constituée par l'émetteur anodique t2 et l'émetteur cathodique n2, et les deux régions de base nl et p3 > la bornes de gâchette se trouvant sur la région p3.La structure selon l'invention est obtenue après la deuxième opération de diffusion en supprimant les régions n3 et p2 Jusqulk une distance prédéterminée de la région nl, puis en produisant la nouvelle partie p2* de l'émetteur p représentée en tirets, par alliage d'aluminium par exemple. L'enlèvement dela région p2 et l'alliage d'aluminium sont adaptés de façon que le front de recristallisation se situe à la distance désirée de la jonction p2nl. Cette distance dépend de l'extension de la jonction dans la région P2 sous la tension inverse maximale. La finition du composant du cté cathodique s'effectue de façon connue. L'invention est applicable avec le même succès à une diode à relaxation comportant au moins quatre régions de type alterné. Les conditions sont alors identique8, la seule différencepar rapport au thyristor rési- dant dans l'absence de gâchette. Bien entendu, diverses modifications peuvent Etre apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de i 'invention. Revendications 1. Thyristor comportant au moins quatre régions de type alterné, un contact d'anode, un contact de cathode et au moins une gâchette, ledit thyristor étant caractérisé en ce que la région anodique, constituant l'émetteur, présente un gradient de concentration aussi élevé que possible du dopant sur la jonction avec la région intérieure voisine. 2. Thyristor comportant au moins quatre régions de type alterné, un contact d'anode, un contact de cathode et au moins une gâchette dans lequel la région anodique constituant l'émetteur présente un gradient de concentration aussi élevé que possible du dopant et caractérisé en ce que le gradient de concentration entre la jonction avec la région intérieure voisine croit d'abord comme un profil de dopage plat, produit par diffusion d'impuretés, puis croc t rapidement. 3. Thyristor selon revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région à profil de dopage plat est calculée de façon que cette région contienne une limite de la zone da charge d'espace. 4. Thyristor selon une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région du profil de dopage plat est comprise entre 5 et 40 bm. 5. Thyristor selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région d'émetteur, comprise entre la région gradient de concentration élevé et le contact d'anode, est sensiblement égale à cinq fois la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires dans cette région. 6. Thyristor selon revendication 1, caractérisé en ce que 1 1épaisseur minimale de la région anodique est sensiblement égale à cinq fois la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires dans cetterégion. 7. Thyristor selon une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région est comprise entre 5 et 20 uni. 8. Procédé pour la production d'un thyristor selon une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la région d'émetteur anodique est d'abord produite par diffusion d'impuretes, puis les autres régions produites par diffusion ou diffusion et alliage, ledit procédé étant carac térisé en ce que la région d1émetteur est partiellement enlevée, puis un émetteur est produit par alliage, avec un gradient de concentration élevé, de façon que le front de la région recristallisée se situe dans la région d'émetteur d'origine, à la distance désirée de la région voisine de type opposé, 9. Procédé selon revendication 8, caractérisé par la production au cours de la seconde phase d'un émetteur à gradient de concentration élevé par diffusion d'impuretés ou par épitaxie.