Brevet FR2336803A1 — publié le 19770722

L'invention se rapporte aux diodes à avalanche destinées à fonc tionner, soit en oscillateurs, soit en amplificateurs, à des fréquences supérieures à 30 Gliz (ondes millimétriques), avec une puissance relativement importante, par exemple de 100 à 200 milliwatts à 75 GHz. Elle concerne une structure N+ P P+, dite "complémeitaire11, par comparaison avec d'autres structures connues. On résume ci-après les caractéristiques, avantages et inconvénients comparés des trois types principaux de structure de diode à avalanche au silicium actuellement utilisées en ondes millimétriques. N i : structure P+ N N+, dite "simple drift", réalisée à partir d'un substrat très dopé (N+). On dépose par épitaxie sur ce substrat une couche N d'épaisseur et de dopage contrôlés avec précision en fonction de la fréquence de fonctionnement. De façon typique on-aura une couche N de 0,5 micron d'épaisseur avec un dopage de 1017 at/cm3. Par épitaxie, diffusion ou implantation on réalise ensuite une cou kohe P destinée à faire une jonction P - N. L'ensemble est ensuite métallisé sur les deux faces, puis soudé par thermocompression sur un support en cuivre doré, du côté de la couche P+ de façon à réduire au maximum la résistance thermique entre la jonction et le support qui joue le rôle de radiateur extérieur. Cette structure n'est pas la meilleare en ce qui concerne les performances de puissance et de limitation du niveau de bruit. NO 2 : structure N P P+ ditè "complémentaire" (de la précédente) réalisée à partir d'un substrat P+, de façon analogue à la structure N0I, les types de conductivités étant inversés par rapport à cette dernière. On a représenté figure 1 une telle structure après finition de la diode effectuée selon l'art connu. Au cours de cette finition, on a réduit le diamètre de la diode au niveau de la jonction abrupte P N+, ce qui a donné un renflement au niveau du substrat par suite de la moins grande vitesse d'attaque chimique du silicium P+. La jonction P N est très proche de la métallisation 3 et du radiateur 4 en cuivre doré, ce qui favorise l'évacuation des calories engendrées pendant le fonctionnement de la diode. La métallisation 2,comportant une couche d'or sur un dépôt préliminaire de titane, permet de raccorder la diode en haute fréquence comme en courant continu. Les performances de cette diode sont excellentes. Toutefois on doit souligner les difficultés et inconvénients suivants a) le dopage et l'épaisseur de la couche P sont plus critiques que dans le cas Je la structure Nô 1., à cause de la moins bonne mobilité des trous par rapport à celle des électrons b) le substrat P+ généralement dopé au bore présente une transition de dopage P peu abrupte a cause du coefficient de diffusion élevé du bore dans le silicium c) en raison du profil de la diode, il est impossible de vérifier au microscope le diamètre de la diode au niveau de la jonction abrupte, ce qui est un sérieux inconvénient d) le profil de la diode favorise les claquages dans l'air entre le substrat P+ et le radiateur 4. N03 : structure P P N N dite "double drift". Cette diode se comporte .?u point de vue des hyperfréquences comme une diode à avalanche à couche N en série avec une diode à avalanche à couche P. Théoriquement elle donne des performances supérieures > i chacune de ces diodes prises isolément, mais, en pratique, - - chacune des deux couches (P et N), doit être contrôlée avec une extrême précision, ce qui complique le processus de fabrication - la mesure séparée de chaque dopage (P et N) est impossible, par suite de la structure elle-même, ce qui rend douteuse l'(ptimi- sation des performances. L'invention remédie aux divers inconvénients et difficultés signalés dans le cas des trois types de diodes connues. la diode à avalanche selon l'invention, tout en présentant une structure du type 2 (N+ P P+) diffère de la diode connue par le fait qu'elle comporte un substrat N+ au lieu d'un substrat P+, et qu'elle est soudée au radiateur extérieur par la couche P+, la jonction abrupte N P étant donc séparée du radiateur par une distance égale à la somme des épaisseurs des couches. Cette diode présente les avantages de la structure NO 2, sans en avoir les inconvénients, comme on le verra par la suite. La résistance thermique est relativement peu augmentée par la distance entre jonction abrupte et radiateur, du fait, qu'en ondesmilllmé- triques les épaisseurs des couches semiconductrices sont très petites. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels la figure 1 représente une diode connue la figure 2 donne un exemple de réalisation de l'invention. La diode de structure N0 2 représentée figure 1 a été décrite plus haut. Elle facilite la comparaison avec la diode selon l'invention ayant la même structre de principe mais des caractéristiques différentes. A titre d'exemple, la structure représentée figure 2 a été + réalisée à partir d'un substrat en silicium dopé N sur lequel on a déposé par épitaxie une couche P d'épaisseur et de dopage con trôlés avec précision en fonction de la fréquence de fonctionnement. Par épitaxie, diffusion ou implantation ionique on a réalisé ensuite une couche P+ destinée à favoriser la prise de contact électrique avec la masse. Des métallisations 21 et 22 ont été ensuite déposées respectivement côté substrat N+ et côté couche P+. Ces métallisations comportent une couche d'arrêt faite à l'aide d'un- métal tel que le titane (de préférence) le chrome, le tantale ou le tungstène. L'ensemble est soudé par thermocompression sur un support de cuivre revêtu préalablemert d'une couche d'or 3. La finition #e la diode a comporté une attaque chimique qui a donné le profil représenté f#igure 2, par suite du fait que le si liei1lm dopé N+ est plus rap'dement attaqué que les couches P. La forme de la diode, notamment sa section par un plan parallèle aux métallisations, est déterminée par le contour de la métallisation 21. Une telle section peut être ronde ou carrée, voire rectangulaire. Outre les points déjà signalés, on peut citer les avantages suivants a) le diamètre de la diode (ou sa surface) peut être vérifié au microscope, en raison de la croissance de ce diamètre (ou de cette surface) observée en allant de la métallisation 21 à la métallisation 22 b) la transition de dopage entre substrat N+ et couche P est très abrupte du fait du dépôt de la couche P par épitaxie ; il en résulte que l'épaisseur de la couche P est bien définie ce qui facilite la détermination de la fréque##nce de fonctionnement donnant le meilleur rendement. REVENDICATIONS t. Diode à avalanche, de structure N P P+, destinée à fonctionner en ondes millimétriques, comportant un radiateur extérieur, caractérisé en ce qu'elle comporte un substrat semiconducteur très dopé, d'une conductivité de type N, une couche dopée P déposée par épitaxie, et une couche très dopée d'une conductivité de type P en contact thermique avec le radiateur extérieur. 2. Diode à avalanche suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a subi une attaque chimique de nature à lui donner une section (par un plan parallèle auxdites couches) régulièrement décroissante lorsqu'on se déplace dans le sens allant du substrat vers lesdites couches. 3. Diode à avalanche suivant l'une des revendications précédettes caractérisée en ce que ledit substrat et lesdites couches sont en silicium.