Brevet FR2266308A1 — publié le 19751024

La présente invention concerne une diode à semiconducteurs, comprenant un substrat semiconducteur, une jonction pn produite par diffusion d'impuretés et des contacts sur les surfaces d'amenée du courant du substrat. Les jonctions pn des redresseurs de puissance sont essentiellement produites par diffusion d'impuretés. Une structure psn est produite de façon connue par diffusion dans une plaquette semiconductrices de résistance élevée et d'un type de conduction déterminé d'impuretés de type ++ opposé. Une structure p nn classique est par exemple obtenue comme suit diffusion d'accepteurs dans un substrat semiconducteur en silicium n de résistante élevée, suppression de la région p d'un côté du substrat, puis production sur chaque côté, par alliage, d'une zone fortement dopée du remue type. Un profil de diffusion plat est souvent ajusté dans les diodes connues. Il en résulte, pour de bonnes propriétés inverses, un terps de retard inverse plus faible que dans le cas d'un profil abrupt lors de la commutation du sens direct au sens inverse. La réduction du temps de retard inverse provient de ce que le profil de diffusion plat contribue notablement au pouvoir de blocage, de sorte qu'une base plus mince que dans le cas d'un profil abrupt suffit pour une tension inverse maximale donnée. Des porteurs submergent toutefois une grande partie de la région de la diode à profil plat dans le cas de charges directes plus élevées. I1 en résulte un accroissement de l'épaisseur effective de la base et par suite une augmentation notable de la tension directe pour un courant donne.La tension directe est en outre augmentée par le fait que la durée de vie des porteurs de charge dans la région submergée est généralement inférieure à celle dans la région médiane du redresseur a résistance élevée. I.' invention part de l'obseivation suivante : l'épaisseur de la région submergée est notablement supérieure a l'extension de la zone à charge d'espace sous la tension inverse maxirrale (tension de claquage). L'invention a pour objet d'améliorer le comportement direct de la diode à semiconducteurs précédemment décrite, sans nuire à ses autres propriétés et notamment à la tension inverse maximale. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la concentration en impuretés à partir et d'un catie de la jonction pn augr.ente d'abord comme dans le cas d'un .rof' de dopage plat, produit par diffusion d'impuretés, puis croît rapidement. L'épaisseur de la région à profil de dopage plat est avantageusement calculée de façon à contenir une limite de la région à charge d'espace sous des tensions inférieures à la tension de claquage. Selon une autre caractéristique de l'invention, une amélioration supplémentaire du csrr.- portement direct est obtenue à l'aide d'une épaisseur totale de la zone, comprise entre la jonction pn et le contact de connexion et comprenant la région à profil de dopage plat, inférieure de 20 % au moins à la distance séparant la surface de la jonctbn pn de la surface initiale du substrat semiconducteur par laquelle s'est effectuée la diffusion d'impuretés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront; mieux compris a l'aide de la description détaillée ci-dessous et du dessin annexé sur lequel la figure 1 représente la variation de la concentration de dopage dans une diode à semiconducteurs classique et la figure 2 représente la variation de la concentration de dopage dans une diode à semiconducteurs selon l'invention. La figure 1 représente un redresseur pus n n , dont la jonction pn est produite par diffusion d'accepteurs dans un substrat semiconducteur n de résistance élevée. De la façon habituelle, la zone centrale n de résistance élevée constitue la base, la région p l'émetteur pEt la région n fortement dopée l'émetteur n. Outre la zone diffusée, la région p comprend une zone plus fortement dopée par alliage. La région n fortement dopée et faisant suite à la région de résistance élevée est souvent produite par alliage d'impuretés. Les dimensions indiquées sont typiques d'une diode classique. Les deux faces du substrat semiconducteur sont reliées à des contacts métalliques non représentés.Dans le cas d'une charge directe élevée, une grande partie de la région p est submergée par des électrons et des trous (reprisentation en points et tirets sur la figure 1). L'accroissement résultant de l'épaisseur de base effective entraîne une augmentation des pertes directes. Dans le redresseur selon l'invention représente à la figure 2, un profil de diffusion plat est d'abord réalisé dpuis la surface de la jonction pn pour assurer la tension inverse continue permanente, l'épaisseur de la zone à profil de diffusion plat étant utilement déterminée par l'épaisseur de la c he d'arrêt de la structure connue selon figure I sous la tension inverse maximale. La concentration croit rapidement dans une zone étroite faisant suite à la région à profil de dopage plat. Une comparaison des figures 1 et 2 montre immédiatement que l'invention se traduit, pour des courants directs élevés, par un accroissement de l'épaisseur de base effective beaucoup plus faible que dans le cas connu. Une nouvelle réduction des pertes directes s'obtient en diminuant fortement l'épaisseur de la région p par rapport à celle de la structure classique. La dissipation thermique du composant est ainsi beaucoup plus favorable. L'amélioration de la dissipation thermique provient de ce que la diminution de l'épaisseur de l'émetteur rapproche le fond métallique de la région produisant la plus grande partie de la chaleur à dissiper, å savoir la région de base et les bords étroits voisins des régions fortement dopées; Le fond métallique en tungstène ou molybdene et le cas échéant une couche intermediaire d'alpax voisine du silicium ont en effet de meilleure8 propriétés de conduction et d'accumulation de la chaleur que le silicium.La diffusivité thermique X 5 K/Pc (K : conductibilité thermique, c : chaleur spécificiue, P : masse volumique) détermine la compensation d'unekélévation .de température par e passage d'un courant dans la plaquette de silicium. Cette caractéristique du silicium et du métal détermine la distribution locale de température sur les divers cotés. La quantité de chaleur circulant de la région debase (et des bords étroits voisins des régions fortement dopées) vers la plaque de fond s'obtint à partir de la distribution de température, en multipliant l'élévation de température par la chaleur spécifique Pc, puis en intégrant sur l'émetteur p et la plaque de fond. Cette méthode est applicable à des charges de courte durée, tant que la chaleur cédée au radiateur en cuivre du bottier et à ltextérieur n'intervient pas. Le tableau ci dessous présente les valeurs de X et de Pc pour le silicium, le tungstène, le molybdène et l'alpax à une température d'environ 500 K, à laquelle les charges par courant non répétitif de surcharge accidentelle sont en général particulièrement critiques. Si W Mo alpax Xcm le 0033 0,53 0,47 0,63 Pc cal/cm K 0f46 0s65 0 > 66 0,64 On voit que les valeurs de t et de pc des métaux employés sont supérieures à celles du silicium. La différence entre les valeurs s du silicium et des métaux croît avec la température.La suppression d'une couche de silicium d'une épaisseur de 90 um par exemple rapproche la plaque de base en alpax et tungstène (ou molybdène), de sorte que 1. la compensation thermique s'effectue plus rapidement, par suite de la valeur t; supérieure, et 2. la chaleur absorbée dans la zone du métal remplaçant le silicium est plus élevée, par suite de la valeur Pc supérieure pour une élévation de température donnée. La dissipation thermique ainsi améliorée est importante pour de bries sollicitations intenses, produisant un fort accroissement de la température, et tant qu'une faible zone seulement de la plaque de fond participe à la conduction thermique, l'épaisseur de cette zone n'étant pas encore grande par rapport à la diminution d'épaisseur de l'émetteur. La diminution d'épaisseur de l'émetteur entraîne par suite une amélioration de la résistance aux courants non répétitifs de surcharge accidentelle. L'amélioration est moins sensible dans le cas de la dissipation sous charge permanente, pour laquelle la résistance thermique stationnaire intervient et le radiateur en cuivre du bottier joue un rôle important. Pour la production d'une diode à semiconducteurs se.lon l'invention, des impuretés de type opposé sont d'abord introduites dans une plaquette semiconductrice de résistance élevée. La couche diffusée est ensuite éliminée sur une face du substrat semiconducteur, jusqu'à une profondeur déterminée, puis une région fortement dopée est produite par alliage du même type d'impuretés, la variation de concentration en impuretés s'établissant comme l'indique la figure 2. La région à forte densité d'impuretks peut toutefois être produite aussi par épitaxie ou par une seconde diffusion brève. La finition de la diode sur la face opposée du substrat semiconducteur s'effectue de la façon habituelle. Bien entendu, diverses modifications peuvent Entre apportée par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'êtrie décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, ans sortir du cadre de l'invention. Revendications l. Diode à semiconducteurs, comportant un substrat semiconducteur, une jonction pn produite par diffusion d'impuretés et des contacts sur les surfaces d'amenée du courant du substrat, et caractérisée en ce que la concentration en impuretés à partir et d'un côté de la jonction pn augmente d'abord comme un profil de dopage plat, produit par diffusion d'impuretés, puis croît rapidement. 2. Diode à semiconducteurs selon revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la région à profil de dopage plat est calculée de façon à contenir une limite de la région à charge d'espace. 3. Diode à semiconducteurs selon une des revendications I et 2, carac tersée en ce que l'épaisseur totale de la zone comprise entre la jonction pn et le contact de connexion, et comportant la région à profil de diffusion plat, est inférieure d'au moins 20 % à la distance entre la surface de la jonction pn et la surface initiale du substrat semiconducteur, par laquelle s'est effectuée la diffusion dtimpuretés. 4. Procédé pour la production d'une diode à semiconducteurs selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par les opérations suivantes : production d'un profil de dopage plat sur un côté de la jonction pn, parsdiffusion d'impuretés; suppression sur ce côté de la zone diffusée du substrat semiconducteur, puis alliage d'impuretés du nme type, de façon que la région à gradient abrupt d'impuretés se trouve à la distance désirée de la jonction pn. 5. Procédé selon revendication 4, caractérisé en ce que la région à gradient abrupt d'impuretés est produite par épitaxie ou par une brève diffusion d'impuretés.