Brevet FR2299727A1 — publié le 19760827

La présente invention concerne un thyristor à caractéristiques de commutation améliorées. On sait que les thyristors comportant classiquement - une plaquette de matériau semi conducteur avec une première et une deuxième facs et entre ces deux faces des couches superposées selon l'épaisseur de cette plaquette dans l'ardue suivent de ladite première A ladite deuxième face ss une couche d'injenction 3 dopage d'un premier type de conductivité électrique, - une couche de blocage 3 faible dopage d'un deuxième type de conductivité opposé audit premier type, - une couche de commande A dopage moyen du premier type, une couche d'émetteur à fort dopage du deuxième type, q une preraign électrode principale en contact sur ladite première face avec ladite couche d'injenction; - un deuxième électrode principale en contact sur ladite deuxième face avec ladite couche d'ématteur ss - une électrode de commande connectée A ladite couche de commande. La premier type de conductivité électrique est classiquement celui par porteuts positifs ou "trous" et le deuxième par porteurs négatifs, c'est-àdire par électrons. La première électrode principale est une anode portée 3 un potentiel positif et la deuxième une cathode portée A un potentiel négatif. Le déclanchement du thyristor se fait en appliquant A l'électrode de commande ou "gâchette" une impulsion positive par rapport 3 la cathode. Le do page "mayen" de la couche de ccHnend est suffisa-nent fort pour que cette impulsion soit transmise A la surface de jonction avec émetteur et pour qu'il en résulte far injection importants d'électrons par l'émetteur dans la couche de commande. Le dopage "moyen" de cette couche est d'autre part suffisamment faible pour que certains de ces électrons puissant par diffusion atteindre la couche de blocage sans être éliminés par recombinaison avec des trous. Ils provoquent alors "l'allumage", c'est-à-dire le déclechement du thyristor par un processus bien connu. Les thyristors classiques présentent l'inconvénient suivant lorsque l'application d'une impulsion positive 1 la gachette crée une injection ib portante d'électrons de l'émetteur vers la couche de commande cette injection se traduit nécessairement par un courant électrique au sein de la couche de commande entre la gâchette et les régions de la surface de jonction o se produit l'injenction, Ce courant entrains une chute de tension qui croît evEc la distance entre la gâchette et la région d'injec- tion considérée. En raison de la valeur peu élevée du dopage de la couche de commande, et donc de sa résistivité assez grande, cette chute de tension est importante elle se traduit par le fait que l'injection d'électrons est pratiquement locoalisés dans certaines régions seulement de le surface de jonction entre l'émetteur et la couche de commande. Ces régions sont situées à proximité immédiate de la gachette. Le thyristor s'allume alors dans un premier temps, seulement dans ces régions qui deviennent alors le siège d'une intense injection d'électrons à travers la surface de jonction. En raison de cette intense injection, il y a ensuite propagation d'un front d'allumage à une vitesse relativement lente d'environ 0,05 mn par microseconde, à partir de ces régions jusqu'à ce que le thyristor soit totalement allumé, c'est-à-dire que l'injection intense d'électrons se fasse à travers la totalité de la surface de jonction entre l'émetteur et la couche de commande0 Ce processus d'allumage apparat malheureusement souvent trop lent. C'est pourquoi diverses dispositions ont été proposées pour le rendre plus rapide. On a notamment construit des thyristors dans lesquels le ligne formant le bord de la gâchette sur la couche de commande à proximité de l'émet teur présentaient une forme contournée de manière à ce que se longueur développée soit particulièrement grande par rapport à l'aire de surface de jonction entre émetteur et couche de commande. On utilisait pour cela une structure gachetts-cathode du type planaire interdigitée. La longueur initiale du front d'allumage présentait alors sensiblement une longueur équivalente au périmètre de g chette et il en résultait une vitesse initiale de croissance de l'aire allumée particulièrement grande.Cette solution présente l'inconvénient d'aug- menter l'aire totale de la gbchettet st de la région de la couche de commande située entre les gâchettes et l'émetteur. Cette augmentation est d'autant plus grande que l'on veut obtenir une plus grande rapidité de déclenchement. On diminue alors de manière correspondante l'aire de la surface de jonction entre l'émetteur et la couche de commande, et, par conséquent, l'intensité maximale que le thyristor peut conduire en régime permanent, c'est-A-dire après la fin du processus d'allumage0 On connait par ailleurs des thyristors à extinction commandée par la gâchette ou G.T.O. agate Turn Off) dont l'extinction se fait en appliquant une forte impulsion négative à la gâchette de manière à arrêter l'injection d'électrons par l'émetteur dans la couche de commande malgré l'existence entre la cathode et l'anode d'une différence de potentiel favorisant cette injection, Pour rendre une telle extinction possible, et pour diminuer l'énergie de l'impulsion négative nécessaire, il est connu d'utiliser une structure gSchette-cathode interdigitée analogue à celle qui a été précédemment mentionnée et présentant le méme inconvénient lorsqu'on veut augmenter son efficacité. Cet inconvénient est la diminution de l'intensité que le thyristor peut conduire en régime permanent. La présente invention a pour but la réalisation d'un thyristor à caractéristiques de commutation améliorées présentent des possibilités de commutation particulièrement favorables tout en étant capable de conduire un courant électrique intense en régime permanent, ces possibilités de commutation pouvant entre une grande rapidité d'allumage, ou la possibilité d'extinction par une impulsion de commande d'énergie diminuée. Elle a pour objet un thyristor à caractéristiques de commutation améliorées comportant - une plaquette de matériau semi conducteur avec une première et une deuxième face, et entre ces deux faces, des couches superposées-selon l'épaisseur de cette plaquette dans l'ordre suivant de ladite première à ladite deuxième face - une couche d'injection à dopage d'un premier type de conductivité électrique s - une couche de blocage à faible dopage d'un deuxième type de conductivité opposé audit premier type 5 - une couche de commande à dopage moyen du premier type, - une couche d'émetteur à fort dopage du deuxième type J - une première électrode principale en contact sur ladite première face avec ladite couche d'injection ;; - une deuxième électrode principale en contact sur ladite deuxième face avec ladite couche d'émetteur t - une électrode de commande connectée à ladite couche de commande, caractérisé par le fait qu'une couche de conduction à fort dopage du premier type est disposée à l'intérieur de ladite couche de commande, une partie au moins de cette couche de conduction formant une grille placée entre lesdites couches de-blocage et d'émetteur à distance de la couche d'émetteur, les trous à travers cette grille étant occupés par le matériau à dopage moyen de la couche de commands. A l'aide des figures schématiques I à 12 ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. La figure 1 représente une vue en coupe par un plan axial d'un thyristor selon l'inventian. La figure 2 représente une vue de dessus du thyristor de la figure 1. Les figures 3 à 12 représentent des vues en coupe par un plan axial des structures obtenues à la suite d'opérations successives de fabrication du thyristor des figures I et 2. On voit sur les figures I et 2 un thyristor de puissance constitué d'une plaquette-circulaire de silicium monocristallin dans laquelle ont été fcrmées des couches de différents types de conductibilité électrique, qui sont superposées dans l'ordre suivant à partir de la face inférieure 9 de la plaquette - une couche d'injection 2 du type P avec une concentration de dopage de l'ordre de 101 atomes par centimètre cube en surface - une couche de blocage 4 de type N à faible dopage correspondant à une résis- tivitévoisine de 50 à 60 ohm-centimètres:: - une couche de commande inférieure 6 de type P à dopage moyen avec une concen 17 tration de dopage de l'ordre de 10 atomes par centimètre cube dans sa partie la plus dopée qui est la plus éloignée de la couche 4 j - une couche de conduction 8 de type P à fort dopage de 1020 atomes par centi- mètre cube comportant une région périphérique 10 et une grille 12 dans les trous de laquelle sont disposés des régions de commande intermédiaire 14 de type P à dopage moyen en continuité avec la couche de commande inférieure 6 j - une couche de commande supérieure 18 à dopage moyen de type P en continuité avec les régions de commande 14 et limitée par la face supérieure de la plaquette dans une région intermédiaire 18 de cette face supérieure, le taux de dopage de cette couche étant de 1018 atomes par centimètre cube an surface j dans une région centrale de cette même face supérieure entourée par la région intermédiaire 18, une couche d'émmétteur 20 à fort dopage de type N, de 1020 atomes par centimètre cube; - dans une région périphérique de la face supérieure entourant la région intermédiaire 18 une région de connexion 22 à fort dopage de type P de 1020 atomes par centimètre cube en continuité avec la région périphérique 10 de la couche de conduction et s'étendant jusqu'à la face supérieure. La région périphérique 10 de la grille, et la région de connexion 22 s'arrentent avant le bord de la plaquette dans son état final et sont entourées par une bordure 23 de type P à faible dopage, qui permet aux surface équipotentielles de se répartir convenablement au voisinage du bord de la plaquette comme connu pour éviter des claquages électriques sur la tranche de la plaquette. Comme on le voit sur la figure 2, la grille 12 peut être constituée de barreaux parallèles. La largeur de ces barreaux peut etre voisine de celle des trous qu'ils laissent entre eux, par exemple 0,1 mm, ou être inférieure. D'autres formes sont évidemment possibles pour la grille ou les barreaux, Ces derniers peuvent être par exemple disposés selon des rayons d'un cercle, ou avoir la forme de cercles concentriques, ou de spirales, ou d'autres formes plus complexes, de manière à répartir le mieux possible le courant d'injection sur la surface de jonction entre émetteur et couche de. commande. Ouelle que soit la forme choisie pour la grille 12 et les barreaux, il semble préférable que la section totale des trous existant à travers cette grille soit au moins égale au tiers de l'aire de la surface occupée par cette grille, y compris la surface des trous. La surface occupée par la grille 12 est située en regard de la couche d'émetteur 20, et d'aire voisine. Des électrodes constituées par des couches métalliques sont disposées classiquement au contact de la plaquette. Ce sont une anode 30 au contact de la couche d'injection .2, le contact pouvant être améliore par une couche à dopage renforcé de type P+, atteignant 3 en surface une concentration de in20 atomes par cm , une cathode 32 sur l'émetteur 20 et. une gdchetts 34 sur la région de connexion 22. La région de connexion 22 peut être supprimée, la couche de commande supérieure 16 étant alors creusée à sa partie périphérique pour permettre de placer la gachette 34 sur la région périphérique 10 de la couche de conduction. La fonction de la couche de conduction 8 à fort dopage est, selon l'invention, de diminuer la résistance électrique entre la gachette 34 et les régions de lå couche de commande situées au voisinage de la couche d'émetteur 20, mais éloignées de la gachette 34. Dans le cas d'un thyristor à grande rapidité de déclenchement, ceci présente l'avantage que l'impulsion de déclenchement appliquée à la gâchette 34 est transmise au voisinage de la totalité de la surface de jonction entre la couche de commande et l'émetteur, ce qui permet quasi instantanément une injection importante d'électrons à travers toute cette surface, et donc l'allumage simultané de toutes les régions du thyristor. La couche de conduction 8 doit cependant, selon l'invention, présenter en regard de l'émetteur 20, la forme d'une grille de façon à ce que les électrons injectés à partir de l'émetteur puissent atteindre la couche de blocage 4 à travers les trous de cette grille sans se recombiner avec les porteurs positifs qui sont très nombreux dans la couche de conduction. On peut remarquer que la grille 12 absorbe une proportion non négligeable des électrons injectés par l'émetteur dans la couche de commande. Pour qu'un nombre suffisant d'électrons atteigne la couche de blocage, l'intensité de l'impulsion de déclenchement doit donc être relativement élevée. Ceci peut être obtenu par divers moyens, par exemple par l'incorporation d'un amplificateur de g chette de type connu dans le thyristor. Dans le cas d'un thyristor à extinction commandée par la gâchette, l'avantage apporté par la couche de conduction 8 est qu'il existe une résistance électrique fortement diminuée pour le courant qui doit circuler entre la gachette 34 et les régions de l'émetteur 20 éloignées de cette gachette pour assurer l'extinction des régions correspondantes du thyristor. La tension nécessaire pour assurer ce courant peut alors être diminuée. Quant à l'existence des trous, elle est nécessaire, selon les raisons expliquées précédemment, pour permettre le déclenchement du thyristor. Le thyristor qui vient d'être décrit peut être fabriqué à l'aide des étapes suivantes, dans le cas où il doit pouvoir supporter une tension de 1.200 V, par exemple, et conduire une intensité de 100 A a) on part d'une plaquette de silicium monocristallin 40 d'un diamètre de 30 mm et d'une épaisseur de 0,4 mm de type N, avec une résistivité de 50 à 60 ohmcentimètre (voir figure 33 ; b) on diffuse du gallium ou de l'aluminium et du gallium sur les deux faces de la plaquette 40 sur une profondeur de 70 microns avec une concentration de surface de 1018 atomes par centimètre cube vivoir figure 4) 1 on forme ainsi une couche inférieure et une couche supérieure de type P, de part et d'autre d'une couche de type N. La couche inférieure est la couche d'injection 2, la couche de type N est la couche de blocage 4. c) on rôde et on polit optiquement la face supérieure de la plaquette jusqu'à ce que la concentration de surface soit de 10 atomes par centimètre cube avoir figure 53 ; d) on dispose sur la face supérieure de la plaquette un masque 42 d'oxyde de silicium avoir figure 6), les endroits masqués correspondant aux trous 14 précédemment mentionnés avoir figures 1 et 2) Le masque d'oxyde sst réalisé par une technique bien conne : on forme d'abord une couche d'oxyde continue j on la recouvre d'une résine photosensible ; on irradie cette résine à travers un masque j on élimine les parties de la résine que l'opération d'irradiation a laissées ou rendu sélectivement éliminables ; on attaque la couche d'oxyde à travers les ouvertures de la résine i on élimine enfin les parties restantes de la résine e) on diffuse du bore à travers les ouvertures du masque d'oxyde obtenu en d) sur une profondeur de 20 microns pour obtenir une concentration de 1020 atomes par centimètre cube ;; on forme ainsi la couche de conduction 8 de type P, la partie de type P formée en b ] et c3 et non affectée en e) constituant d'une part au voisinage de la couche de blocage 4 la couche de commande inférieure 6 et, d'autre part, dans les trous de la grille 12, les régions de commande 14. Le masque d'oxyde est éliminé vivoir figure 7). f) on réalise par épitaxie un dépôt de silicium de 20 microns d'épaisseur en continuité cristalline avec la plaquette sur sa face supérieure. Ce dépôt est du type P avec une concentration de 1018 atomes par centimètre cube (voir figure 8). g) on réalise sur la face supérieure de la plaquette un masque 44 d'oxyde de silicium laissant libre une partie périphérique de cette face (voir figure 9) i h) on réalise une diffusion de bore sur une épaisseur supérieure 9 20 microns travers l'ouverture périphérique du masque 44 avec une concentration de surface de 1020 atomes par centimètre cube, on élimine ensuite le masque 44 # oh a ainsi réalisé la région de connexion 22 de type P a fort dopage en continuité avec la partie périphérique de la couche de connexion 8. (voir figure 103.Au cours de cette opération, la grille 12 voit ses barreaux s'élargir légèrement en raison des températures atteintes i) on forme un masque d'oxyde périphérique 46 sur la face supérieure de la plaquette en laissant une ouverture centrale correspondant à l'émetteur 20 Revoir figure 11) i j) on fait diffuser du phosphore sur une épaisseur de 7 a 10 microns à travers l'ouverture du masque 46 avec une concentration de surface un peu supérieure à 1020 atomes par centimètre cube.On réalise ainsi l'émetteur 20 (figure 12) : k) on taille les bords de la plaquette en biseau, de manière classique, de manière à ce que le diamètre de sa face supérieure soit plus petit que celui de sa face inférieure 1) on dépose des couches métalliques pour former l'anode 30, la cathode 32 et la gachette (34) (voir figure 1) m) on place la plaquette dans un boîtier classique non représenté muni des éléments de connexion, d'isolement et de refroidissement nécessaires;; Uans le cas où la gâchette cst disposée directement sur la partie périphé- rique de la couche de connexion 9, l'ensemble g), h), i), jj, est remplacé par les étapes successives suivantes - u) et v) comme i) et j), pour former l'émetteur 20 s - w) on creuse la partie périphérique et la face supérieure de la plaquette pour atteindre la partie périphérique de e la couche de connexion 8. Les concentrations indiquées ci-dessus peuvent bien entendu être modifiées dans certaines limites. Il apparît cependant souhaitable que les caractéristiares ci-dessous soient obtenus s - la concentretion do dopage de ladite couche 4e conduction 8 est au moins 10 fois supérieure . la cocentration e dopage des parties voisines de ladite couche de commande (8, 14, 18); - les concentrations de dopage r: :n atome es par centimètreég cu'.e sont au moins ales à 5.1010 dans lesdites couches d'émetteur (20) et de conduction (8), et comprise entre 5.1016 et 2.1018 dans ladite couche de comande 8, 14, 16. REVENDICATIONS 1/ Thyristor à caractéristiques de commutation améliorées comportant - une plaquette de matériau semi conducteur avec une première et une deuxième face, et entre ces deux faces des couches superposées selon l'épaisseur de cette plaquette dans l'ordre suivant de ladite première à ladite deuxième face - une couche d'injection (2) à dopage d'un premier type de conductivité électrique, - une couche de blocage t4) à faible dopage d'un deuxième type de conductivité opposé audit premier type, - une couche de commande (6, 14, 183 à dopage moyen du premier type, - une couche d'émetteur (20) à fort dopage du deuxième type, - une première électrode principale t303 en contact sur ladite première face avec ladite couche d'injection 3 - une deuxième électrode principale (32) en contact sur ladite deuxième face avec ladite couche d'émetteur X - une--électrode de commande (34 ] connectée à ladite couche de commande X caractérisé par le fait qu'une couche de conduction t83 à -fort dopage du premier type est disposés à l'intérieure de ladite couche de commande 16, 14, 16) une partie au moins de cette couche de conduction formant une grille t123 placée entre lesdites couches de blocage t43 et d'émetteur t203 à distance de-la couche d'émsttsur, les trous à travers cette grille étant occupés par le matériau à dopage moyen de la couche de commande (14). 2/ Thyristor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite électrode de commande 134) est en contact avec ladite couche de conduction (83 de manière à connecter cette électrode de commande à ladite couche de commande (6, 14, 16) par l'intermédiaire de cette couche de conduction, toutes les parties de cette couche de conduction étant en continuité de manière que toutes les parties de ladite grille t12) soient connectées à ladite électrode de commande 134i selon un trajet situé entièrement dans un matériau à fort dopage du premier type. 3/ Thyristor selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite grille (12) est disposée dans une partie intermédiaire de ladite couche de commande (6, 14, 16), à distance non seulement de ladite couche d'émetteur t203 mais encore de ladite couche de blocage (4). 4/ Thyristor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la section totale des trous à travers ladite grille (12) est au moins égale au tiers de l'aire occupée par cette grille. 5/ Thyristor selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la concentration de dopage de ladite couche de conduction (8) est au moins 10 fois supérieure à la concentration de dopage des parties voisines de ladite couche de commande LG, 14, 16). S/ Thyristor selon la revendication 5, caractérise par le fait que les concentrations de dopage en atomes par centimètre cube, sont au moins égale à 5.1019 dans lesdites couches d'émetteur (20) et de conduction (8) et comprise entre 5.1015 et 2.1018 dans ladite couche de commande (6, 14, 16).