Brevet FR2326043A1 — publié le 19770422

La présente invention concerne une diode semiconductrice perfectionnée, utilisable dans des dispositifs à semiconducteur fonctionnant par bombardement d'électrons, et un dispositif utilisant de telles diodes. Les dispositifs à semiconducteur a' bombardement d'électrons, bien connus maintenant, sont décrits par exemple dans itarticle intitulé "Electron Bombarded Semiconductor Devices" de A. Silzars et ai. paru dans la revue "Proceedings of the IFES" d'août 1974, pages 1119 à 1158. Ils sont souvent désignés par le sigle "FEtSCO" (Faisceau d'Electron et Semiconducteur), ou par les initiales EBS (Electron Bombarded Semiconductor). Dans ces dispositifs, une diode semiconductrice disposée dans une enceinte sous vide, face à une cathode, est bombardée par un faisceau d'électrons rapides, c'est-à-dire très énergétiques, et donc ionisant. Chaque électron incident engendre dans le semiconducteur des paires électron-trous, en nombre d'autant plus grand que l'énergie du faisceau bombardant cette diode est grand. Suivant le type de jonction constituant la diode, les porteurs de l'un ou l'autre type ainsi créés traversent la zone de charge d'espace de la diode, induisant un courant dans un circuit de charge de la diode ; les porteurs de l'autre type sont attirés vers la surface bombardée. De tels dispositifs sont utilisés dans de nombreuses applications où leur gain en courant élevé (supérieur à 103) et leur très faible temps de réponse sont très avantageux. Ils servent par exemple d'amplificateur, le faisceau d'électrons étant modulé en densité ou en déflexion ; de#générateur d'impulsions de puissance à fronts. raides de multiplexeur ; de mémoire ; etc. Un problème délicat de ces dispositifs réside dans la technologie des diodes qu'ils utilisent. En effet ces diodes, qui peuvent être des jonctions P.N ou des jonctions Schottky, et qui sont le plus généralement réalisées selon une technologie planar, un dopage P étant réalisé par exemple par diffusion sur du silicium de type N, présentent en surface une zone de jonction qu'il est nécessaire de passiver. Si cette partie de jonction directement "visible" de la cathode n'était pas passivée, il y aurait d'importants risques de neutralisation de la diode par mise en court-circuit de la jonction. En effet durant la formation de la cathode du dispositif, et meme pendant son fonctionnement si le vide n'est pas excellent, des particules sont susceptibles de venir se déposer sur la zone libre de la jonction, la mettant en court-circuit. Pour éviter cela, il est classique de réaliser une "passivation" de la jonction de ces diodes en recouvrant cette jonction, en surface, par un dépôt d'Un matériau isolant, silice par exemple. Les risques de court-circuit sont alors supprimés , mais il apparait aussitot un autre défaut et l'on observe une rapide détérioration de la diode dès qu'elle est bombardée par les électrons primaires rapides. Cette détérioration est très probablement due au fait que l'oxyde, silice notamment, utilisé pour passiver la jonction comporte, tant à l'interface semiconducteur oxyde,que dans son épaisseur, un grand nombre de pièges initialement neutres, ionisés par le bombardement des électrons. Les électrons ainsi produits s'éloignent de la jonction sous l'effet du champ électrique résultant de la polarisation inverse de la jonction ; une charge d'espace positive se forme sur le pourtour de la diode, dans la zone recouverte de silice, tendant à neutraliser le champ électrique appliqué, et à rendre le dispositif inutilisable. Ce phénomène est encore plus important lors qu'il existe des atomes alcalins dans la silice.Ces derniers s'ionisent sous l'effet du bombardement ; les ions résultant se déplacent sous l'action du champ électrique, ce qui les rapproche de la jonction, et amplifie le phénomène Il est à noter qu'en plus des électrons primaires tombant directement sur la silice, il existe un autre agent ionisant constitué par les rayons X engendrés par l'impact du faisceau électronique, et il existe un phénomène de rétrodiffusion d'électrons primaires conduisant à un bom barrement ionisant de la silice même en présence d'un cache la protégeant du bombardement primaire. Divers systèmes de caches métalliques ont été proposés pour tenter de remédier au premier de ces inconvénients. Le problème ici est qu'il n'est pas possible de recouvrir complètement la couche de silice par un dépôt métallique sous peine d'augmenter considérablement la capacité de la jonction, ce qui est' néfaste à la bande passante du dispositif qu'elle équipe ; cette bande passante est en effet d'autant plus grande que la capacité de la jonction est faible. Pour ne pas trop affaiblir la bande passante, le dépôt métallique n'est pratiqué sur la silice qu'au voisinage immédiat de la jonction ; des exemples de tels masques sont donnés à la page 1153 de l'article précédemment cité. Ce dépôt métallique local étant insuffisant, il est généralement complété par des masques, éloignés de la surface de la diode pour ne pas augmenter sa capacité, et masquant la périphérie de sa surface aux électrons primaires. Ces masques conduisent à des technologies délicates à mettre en oeuvre. Une autre technique a été proposée pour éviter ces inconvénients des jonctions planar ; ctest l'utilisation de la technologie #ésa inversée ; elle est efficace mais elle est complexe de mise en oeuvre et se trouve être surtout valable pour les diodes de grande surface. La présente invention propose une diode à jonction pour dispositif à semiconducteur bombardé par un faisceau d'électrons présentant les avantages de la technologie planar, c'est-à-dire permettant de réaliser des diodes de dimensions variables dans de grandes proportions, et notamment des diodes de petite surface, contrairement à la technologie mésa inversée, et dans laquelle, malgré cela, toute la couche d'oxyde "visible" de la cathode est protégée par du métal, sans pour autant augmenter de manière trop importante la capacité de la diode, et sans etre trop difficile à réaliser. Selon l'invention, une diode semiconductrice pour dispositif à bombardement d'électrons du type FELSCO comporte : une jonction réalisée par la méthode planar sur la partie centrale d'une première face d'un substrat semiconducteur ; un anneau d'un matériau isolant, recouvrant la périphérie de la jonction, ainsi passivée ;-un anneau métallique recouvrant ledit anneau isolant ; les deux dits anneaux ayant leurs dimensions extérieures inférieures à celles de la deuxième face du substrat, ledit substrat ayant lui-meme, sur sa première face, des dimensions réduites par une attaque mésa, de manière que les deux dits anneaux débordent ladite première face. Grâce à la structure ainsi obtenue par la combinaison des deux méthodes planar et mésa, et à la dimension des deux anneaux par rapport à la base du substrat, la totalité du matériau isolant, silice par exemple servant à la passivation de la jonction, est masquée par l'anneau métallique, sans que soit pourtant trop augmentée la capacité de la diode. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue schématique en coupe d'une diode semiconductrice de l'art antérieur - la figure 2, une vue schématique en coupe d'une diode de l'invention; - la figure 3, des vues schématiques en coupe illustrant les différentes étapes d'un procédé de réalisation d'une diode de l'invention. La figure 1 représente schématiquement et vue en coupe une diode semiconductrice de l'art antérieur pour dispositif FELSCO, Comme il est décrit par exemple dans l'article précité il est classique de réaliser ces diodes sur des substrats, de silicium de type N par exemple, composés de deux zones de dopages différents. Une première zone 1 constituant le substrat proprement dit est fortement dopée, N ; une deuxième zone 2, plus faiblement dopée, N, est obtenue par épitaxie sur la zone 1 et permet d'obtenir la zone de charge d'espace ("depletion region") nécessaire au bon fonctionnement des dispositifs FELScq. La jonction est ici une jonction P.N obtenue par exemple par diffusion 3 d'un dopant de type P dans le silicium N à travers le masque que forme la couche d'oxyde 4,couche de silice par exemple. Comme décrit plus haut, la couche de silice 4 passive la jonction et l'ensemble des deux masques 5 et 6 évite aux électrons primaires émis par la cathode K du dispositif FELSCO de venir frapper la silice. Une telle structure, comme déjà expliqué, est loin d'être parfaite puisqu'elle n'évite pas aux électrons rétrodiffusés par exemple de venir frapper la silice non recouverte de métal. Ces électrons provoquent l'ionisation des pièges de la silice ; le champ électrique dû à la tension V polarisant la jonction en inverse entraine la formation d'une charge d'espace positive sur le pourtour de la diode, tendant à annuler le champ appliqué et a rendre la diode inutilisable. La figure 2 représente schématiquement et vue en coupe une diode de l'invention dans un exemple de réalisation où il s'agit d'une jonction P.N. Il est entendu que l'invention s'applique tout aussi bien à des modes de réalisation où la jonction est une jonction Schottky ; de même elle s'applique à des jonctions à anneau de garde. Dans tous les cas la jonction est réalisée-selon la méthode planar ; le substrat est ici encore un substrat en deux parties zone 10 fortement dopée P et zone 11 moins dopée N. La jonction est passivée par la couche 12 isolante, silice par exemple ; cette couche 12 est un anneau qui recouvre la périphérie de la jonction de manière à convenablement la passiver, et dont les dimensions externes sont inférieures -à celles de la partie 10 du substrat. Ainsi lorsqu'on recouvre cet anneau de silice 12 d'un anneau métallique 13, la totalité de la silice se trouve cachée aux électrons primaires tissus de la cathode K sans pour autant trop augmenter la capacité de la diode, l'anneau 13 ayant des dimensions externes inférieures a celles de la partie 10 du substrat. Enfin, la face du substrat supportant la jonction est soumise à une attaque mésa telle que les anneaux 12 et 13 débordent de cette face. Grâce à cette structure originale, la seule possibilité dlioni- sation de pièges dans la silice qui pourrait venir d'électrons rétrodiffusés venant frapper la région périphérique 14 de la silice, ne provoque aucun effet gênant. En effet en cas d'ionisation de pièges dans la région 14 de la silice, et grâce à la configuration originale de la diode de l'invention, le sens du champ électrique résultant de la tension V est tel que les ions mobiles positifs ont tendance à s'écarter de la jonction, ce qui est particulièrement favorable à un bon fonctionnement de la diode, contrairement au cas des diodes de l'art antérieur. On peut noter que les diodes de l'invention peuvent comporter, comme les diodes de l'art antérieur, une mince couche métallique déposée sur la partie centrale 15 de la jonction destinée à assurer la conduction du courant à la surface de la diode. Cette couche n'est pas toujours nécessaire et peut éventuellement etre remplacée par une grille métallia,ue déposée sur la surface ; elle doit, dans tous les cas, etre suffisamment mince pour ne pas gêner les électrons incidents qui ne doivent pas perdre trop d'énergie en la traversant. La figure 3 illustre schématiquement diverses étapes d'un procédé de fabrication d'une diode selon l'invention. Une première étape consiste à réaliser une jonction sur un substrat en deux parties 10 et 11, la couche 11 peu dopée étant obtenue + par exemple par épitaxie sur une couche substrat 10 plus dopée N ce substrat est par exemple du silicium. La jonction est réalisée par la méthode planar à travers un masque d'oxyde 20, silice par exemple, masquant toute la face du substrat sauf sa partie centrale où sera réalisée la jonction. On a représenté figure 3 (al) une jonction P-N obtenue par exemple par diffusion d'un dopage de type P dans le silicium ; la figure 3 (a2) représente une jonction Schottky 21 avec anneau de garde 22. La figure 3 (b) représente une étape supplémentaire consistant à déposer sur la couche de silice 20 une couche de verre au phosphore. Cette étape n'est pas originale en elle-même, pas plus que la présence de la couche de verre au phosphore 23 à laquelle elle conduit. En effet, on a constaté que les effets néfastes des pièges de la silice étaient encore plus importants lorsqu'existaient, dans cette silice, des atomes alcalins, ce qui est souvent le cas. La couche de verre au phosphore, qui peut etre utilisée également dans les diodes de l'invention permet, grâce au rôle de getter du phosphore pour les ions alcalins, de diminuer leurs effets. Après avoir ainsi éventuellement déposé la couche 23, on attaque la couche d'oxyde 20 et la couche 23 sur leur pourtour de manière à conserver seulement (figure 3 (c)) un anneau de silice 12 dont les dimensions externes sont inférieures aux dimensions du substrat, éventuellement recouvert par un anneau de verre au phosphore 24. On réalise ensuite, figure 3 (d) un dépôt métallique, aluminium par exemple, sur les deux anneaux 12 et 24, de manière à les recouvrir d'un anneau métallique 25. Pour obtenir un dépôt en forme d'anneau on peut soit ne déposer du métal que sur les parties à recouvrir, par une méthode de masque par exemple, soit déposer une couche continue de métal (ou plusieurs couches de différents métaux) sur toute la surface et enlever les parties superflues par attaque chimique ou usinage ionique. Dans ce dernier cas, l'épaisseur de la couche métallique étant nécessairement faible, on pourra ensuite effectuer une croissance par déport électrolytique de manière que l'anneau métallique 25 ait une épaisseur convenable. On peut alors, dans une étape non illustrée ici, déposer une mince couche métallique sur la partie centrale de la diode si celleci doit, comme dit plus haut, en comporter une. Puis, avant de réaliser l'attaque mésa, figure 3 (e), on protège la partie centrale de la diode par une couche protectrice 26 constituée par exemple de résine ou d'un dépôt de silice. On réalise alors l'attaque mésa de la face du substrat comportant la jonction de manière à obtenir la structure caractéristique d'une diode de l'invention, figure 3 (f), d'où la couche de protection a été enlevée. REVENDICATIONS 1. Diode semiconductrice pour dispositif à bombardement d'électrons du type FELSCO, caractérisée en ce qu'elle comporte une jonction réalisée par la méthode planar sur la partie centrale d'une première face d'un substrat semiconducteur un anneau d'un matériau isolant, recouvrant la périphérie de la jonction, ainsi passivée ; un anneau métallique recouvrant ledit anneau isolant les deux dits anneaux ayant leurs dimensions extérieures inférieures à celles de la deuxième face du substrat, ledit substrat ayant lui-même, sur sa première face, des dimensions réduites par une attaque mésa, de manière que les deux dits anneaux débordent de ladite première face. 2. Diode semiconductrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est un matériau semiconducteur et comporte deux zones, une première zone peu dopée sur laquelle est réalisée ladite jonction, cette première zone peu dopée étant supportée par une deuxième zone plus fortement dopée. 3. Diode semiconductrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite jonction est une jonction P.N. 4. Diode semiconductrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite jonction est une jonction Schottky. 5. Diode semiconductrice selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la jonction comporte un anneau de garde. 6. Diode semiconductrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un anneau de verre au phosphore est intercalé entre lesdits anneaux isolant et métallique. 7. Diode semiconductrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une mince couche métallique recouvrant la surface libre de la jonction. 8. Procédé de réalisation d'une diode selon la revendication 1, caractérise; en ce qu'il consiste à - réaliser une jonction sur la partie centrale d'une première face d'un substrat semiconducteur par la méthode planar, à travers une couche d'oxyde servant de masque ; - attaquer la couche d'oxyde à la#périphérie de ladite première face, de manière à ne laisser subsister qu'un anneau d'oxyde recouvrant la périphérie de la jonction - déposer une couche métallique en anneau sur ledit anneau d'oxyde , - recouvrir la partie centrale de ladite première face comportant la jonction par une couche protectrice et réaliser, sur ladite face, une attaque mésa réduisant ses dimensions de manière que les anneaux d'oxyde et de métal débordent de ladite face - éliminer ladite couche protectrice. 9. Dispositif à bombardement d'électrons du type FELSCO comportant, à l'intérieur d'une enceinte sous vide, une cathode émettant des électrons vers au moins une diode semiconductrice, caractérisé en ce que ladite diode est conforme à l'une des revendications 1 à 7.