Brevet FR2389237A1 — publié le 19781124

L'invention concerne les diodes semiconductrices à capacité variable dites "varicap" de type hyperabrupt et les procédés de fabrication, notamment ceux du type collectif, de telles diodes. On sait que les diodes à capacité variable possedent une jonction semiconductrice de type "PN", 1,P+N5 "NP" ou "N+P#', que l'on polarise en sens inverse par une tension électrique continue V, et que, dans ces conditions, ces diodes présentent en courant alternatif, une capacité C variant en fonction de la tension de polarisation suivant la formule : C = k V-n (1) où k est une constante pour une diode donnée, et où l'exposant n est de- llordre de -1/2 et pratiquement constant pour les diodes "varicap" classiques. On connaît des diodes "varicap" dites de type "abrupt" ou "hyperabrupt'-. Pour ces dernieres, l'exposant n est supérieur à l'unité, au moins pour certaines valeurs de V. Ces performances sont obtenues en agissant sur les paramètres de la formation de la zone déserte apparaissant dans le matériau semiconducteur de part et d'autre de la jonction, et principalement du côté de la partie la moins dopée en ce qui concerne les jonctions du type P+N ou NP+ Si l'on appelle x l'épaisseur de cette zone déserte et S la surface moyenne au niveau de cette zone, on a e# e S C = x où e et e, désignent respectivement la constante diélectrique rela tive du matériau semiconducteur par rapport à l'air, et la cons tante diélectrique absolue à l'air. Dans une première méthode de fabrication de telles diodes, on crée une discontinuité de la concentration en impuretés dopantes en dép#osant par épitaxie une couche intermédiaire forte I ment dopée et très mince, de l'ordre de quelques milliers d'angs- trous, entre une couche fortement dopée de type de conductivité opposée, et une couche normalement dopée de même type de conduc tivité.Cette méthode donne de bons résultats, mais il est toutefois très difficile d'obtenir une couche intermédiaire aussi mince qüi soit vraiment homogène, et, en conséquence, les performances varient beaucoup d'un échantillon à l'autre. Dans une deuxième méthode de fabrication de telles diodes, on fait décroître fortement la section de la diode au niveau de la zone déserte, autrement dit le paramètre S de la formule (2) est une fonction fortement décroissante du paramètre x. En fait, la réalisation d'une telle décroissance, bien que possible par attaque "mésa", est difficile à obtenir d'une manière reproductible et donne en tout état de cause des variations de capacité relativement faibles. Dans une troisième méthode de fabrication de telles diodes, la jonction est réalisée aux limites d'une région en forme d'outre dessinée à l'intérieur du matériau semiconducteur, cette région présentant un étrangleaent au niveau des électrodes d'accès, ce qui donne une zone déserte à surface moyenne rapidement décroissante lorsqu'on fait croître la tension de polarisation. Cette méthode conduit à une variation de capacité importante et rapide mais entraîne malheureusement une détérioration également importante du coefficient de surtension de la capacité variable ainsi réalisée. L'invention a pour objet principal de remédier à ce dernier inconvénient. La diode suivant l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, à faible résistivité, une première couche semiconductrice dudit premier type de conductivité, å résistivité moyenne, ayant une épaisseur qui varie suivant une loi telle qu'au moins une nervure apparaisse dans ladite première couche, une deuxième couche semiconductrice d'un type de conductivité opposé audit premier type, à faible résistivité, recouvrant la totalité de la surface de' ladite nervure et au moins une partie de la surface de ladite première couche située de part et d'autre de ladite Hervure. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaîtront au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 représente une caractéristique capacité-tension d'une diode à capacité variable de type connu ; - la figure 2 représente une coupe transversale d'un matériau semiconducteur ; - la figure 3 est une perspective schématique d'une diode selon l'invention ; - la figure 4 est un schéma électrique équivalent d'un élément de la structure de la figure 2 ;; - la figure 5 représente une caractéristique "capacité-tension1, de la diode selon l'invention La courbe de la figure 1 donne la variation de log C en fonction de log V, suivant les notations adoptées dans la formule (1), pour une diode varicap de type hyperabrpt, dans laquelle l'exposant n ne peut plus être considéré comme constant. Dans cette courbe, on voit que, lorsque V est inférieur à V , ltexposant n reste encore sensi o blement constant, ce qui explique le segment de droite AB à pente négative. Lorsque V est compris entre Vo et V1, on observe une portion de courbe BD à forte pente négative, correspondant à un coefficient n plus grand que 1/2, voire bien supérieur à 1. Enfin, audelà de V1 (segment DE), la capacité ne varie pratiquement plus. Figure 2, on a représenté en coupe transversale une plaque 2 de matériau semiconducteur-comportant un substrat 200 fortement dopé, + de type N , une couche 201 dopée, de type N, et une couche 202 fortement dopée de type P . En -outre, la ccupe fait apparaître deux reliefs 21 et 22, dont le l'coeur" est constitué par du matériau semiconducteur N, tandis que la couche 202 a une épaisseur constante égale à celle qu'elle présente en dehors des reliefs. Ces reliefs constituent des nervures parallèles analogues:- aux reliefs représentés en perspective figure 3 avec la référence 21. Toutefois, figure 3, les deux reliefs sont identiques et de section rectangulaire-, comme le relief 21 de la figure 2, alors que le relief 22 (figure 2) est de section trapézoidale. Si l'on appelle x1 la largeur de la nervure à sa base, X2 sa largeur au sommet, W1 la hauteur du relief correspondant, on a par exemple x1= =7 microns X2 = 6 microns W = 10 microns. Les dimensions xl et 12 sont aussi voisines que possible. Leur ordre de grandeur doit être égal à celui de l'épaisseur de la zone déserte produite dans le matériau N par un champ résultant de l'application à la structure d'une tension de l' ordre de grandeur de V0 ou de V1 Figure 35 on a représenté un fragment d'une diode selon l'invention comportant un certain nombre de nervures 21 ayant une structure analogue à celle des reliefs 21 ou 22 du matériau de la figure 2. Toutefois, ainsi qu'il est représenté en coupe figure 4, la couche P ne s'étend pas dans tout l'intervalle entre les ner vures, le reste de l'intervalle étant occupé par une couche de silice 33.Une zone de prise de contact 34, sur la couche P , est aménagée à une extremitEe du dispositif de manière à réaliser par la couche la mise en parallèle des couches superficielles conductrices des nervures (couche P ). La fabrication d'une telle structure s'effectue à partir d'un substrat de matériau semiconducteur 31, par exemple de silicium fortement dopé N (N+) à tres faible résistivité, par exemple égale à 0,01 ohm-cm. Sur ce substrat, on dépose, par épitaxie, une couche 32 de meme type de conductivité N, mais beaucoup moins dope de façon à présenter une résistivité moyenne, par exemple 0,5 o#im-cm. L'épaisseur de la couche 32, avant réalisation des nervures, est par exemple de 35 microns, de façon à obtenir une couche résiduelle de 25 microns présentant des nervures de hauteur égale à 10 microns. On procède alors à une attaque chimique de la-couche N après application préalable d'un masque en matériau non attaquable par l'agent chimique employé, masque protègeant la partie supérieure des nervures à réaliser. Normalement une telle attaque donne des profils trapézoidaux, par suite de la progression de l'attaque sous le asque (attaque latérale3. Toutefois, on a pu réaliser des attaques sur une profondeur de 50 microns en limitant l'attaque latérale à 1 micron environ.Une telle réalisation est possible à condition de tailler le substrat de départ de telle sorte que la surface à épitaxier pour obtenir la couche 32 (figure 3) soit un plan cristallin particulier tel que le plan (100). Une attaque par une solution a base de potasse permet de révéler d'autres plans cristallins et d'obtenir des profils de nervures quasi-rectangulaires On peut aussi procèder par usinage ionique en choisissant un masque assez épais pour résister à l'érosion ionique. On peut enfin effectuer une épitaxie localisée dans des fenêtres rectangulaires ouvertes dans une couche de silice par des moyens classiques. Cette couche de silice est#ensuite partiellement enlevée pour obtenir la couche 33. Dans les méthodes autres que l'épitaxie, on protège les sommets des profils à conserver par une couche adéquate (par exemple résine pour l'usinage ionique, Si3N4 pour attaque chimique du silicium ...) devant résister au traitement employé pour graver les rainures. La couche 33 réalisée par dépôt de Si02 ou oxydation thermique est définie telle qu'elle apparaît sur la figure 3 par procédé photolythographique. La couche P+ est alors réalisée par diffusion ou par tout autre procédé susceptible de réaliser un matériau de type opposé au matériau sousaacent, tel que l'épitaxie5 l'implantation ionique-ou l'alliage avec un corps donneur ou accepteur. Enfin des connexions 35 et 36 sont soudées respectivement sur la couche P pf, en zone 34 > et sur le substrat N Un graphique de fonctionnement de la structure représentée figure 3 est représentée figure 5. On a adopté les mêmes conventions que pour la figure 1. On voit que la portion BD de la courbe de la figure I correspond ici à un segment de droite BD parallèle à l'axe des ordonnées et d'abscisse log V1. On donne ci-après une explication de ce fait. Si l'on considère-une tension VM, inférieure à V1 > le point de fonctionnement sur la courbe de la figure 5 est représenté en M situé entre les points A et B de cette courbe. Figure 4 on a représenté la limite 40 de la zone déserte qui prend naissa#nce dans la couche N lorsqu'on applique la tension VM entre couches N+ et P (tension inverse de la jonction Pin). Cette limite 40 comporte des parties 401 sensiblement rectilignes en dehors du relief 21 et une boucle 402 à l'intérieur de celui-ci. Or, on sait que cette zone déserte se comporte comme une capacité, le reste de la couche N se comportant comme une résistance en série avec la capacité lors de la charge ou de la décharge de celle-ci.On distingue trois parties dans la fraction de structure comportant une seule nervure, à savoir une partie centrale (contenant la boucle 402) et deux parties latérales. Le schéma électrique équivalent comporte trois bras parallèles - un bras central comprenant une capacité C1 (zone déserte) en série avec une résistance R1 ; - deux bras latéraux comprenant une capacité CO (zone déserte) en série avec une résistance Ro. Dans la situation représentée figure 4, la tension VM fait apparaître une capacité, représentée par l'ordonnée du point M, figure 5, et correspondant à la somme des capacités C (deux o fois) et C1 (une fois). Lorsqu'on passe de la tension V à la tension V15 la zone déserte staccrolt, ce qui provoque la disparition de la boucle 402. Cette disparition provoque une brusque diminution de capacité égale à Cl et représentée par le segment BD. On a calculé les performances d'une diode au silicium comportant sur un substrat N+ de résistivité 0,01 ohm, une série de 20 nervures parallèles espacées au pas p (figure 3) de 20 microns, et de dimensions - 10 microns en hauteur, - 6 à 7 microns en largeur, - 400 microns en longueur. La résistivité de la couche N est de 0,5 ohm-cm et l'épaisseur de 15 microns entre les nervures. La couche P ne dépasse pas 2 microns et forme en 34 un rectangle de 400 microns sur 20 microns environ. Elle borde les nervures sur 5 microns de largeur de part et d'autre. Le tableau-ci-après donne, pour différentes valeurs de tension V appliquée entre couche P et substrat N+ les valeurs calculées de l'épaisseur e de la zone déserte, de la capacité C, de la résistance série RS etde la fréquence de coupure fC de la diode. V e C R5 (volts) (microns) (pF) (ohms) fc - 2 0,5 27 0,435 13,5 7 7 150 13 0,400 30 - 1B 1,5 2,3 0,293 230 - 30 2,0 1,7 0,269 350 - 60 3,0 1,15 0,221 625 Il est possible de fabriquer plusieurs diodes selon l'invention sur une meme rondelle de matériau semiconducteur, les différentes étapes de réalisation étant alors effectuées collectivement. REVENDICATIONS 1. Diode à jonction hyperabrupte, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, à faible résistivité, une première couche semic-on- ductrice dudit premier type de conductivité, à résistivité moyenne, ayant une épaisseur qui varie suivant une loi telle qu'au moins une nervure apparaisse dans ladite première couche, une deuxième couche semiconductrice d'un type de conductivité opposé audit premier type, à faible resistivité, recouvrant la totalité de la surface de ladite nervure et au moins une partie de la surface de ladite première couche située de part et d'autre de ladite nervure. 2. Diode suivant la revendication 15 caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs nervures farmmM une série de paallélépipèdes sensiblement rectangulaires, et que ladite deuxième couche forme une série de bandes laissant des vides entre nervures et rattachées entre elles par une bande commune de constitution identique à celle de ladite deuxième couche, laquelle s'étend le long des extrémités voisines de l'ensemble des nervures. 3. Diode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les connexions électriques de ladite diode sont réalisées respectivement sur ledit substrat et sur ladite bande commune. 4. Procédé de fabrication de diodes suivant loune des revendilations précédentes, caractérisé en ce qt'il comporte les étapes suivantes a) formation, par épitaxie sur leditsubstrat, de ladite pre mière couche ; b3 réalisation des nervures c) formation par dépôt de silice d'une couche de protection s'étendant sur la surface de ladite première couche en préservant une bande autour desdites nervures et une bande commune auxdites bandes ; d) formation de ladite deuxième couche ; e) finition de la diode. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (b) les nervures sont formées par attaque chimique à travers un masque. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (b) les nervures sont formées par usinage ionique à travers un masque. 7. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (b) les nervures sont formées par épitaxie sélective sur ladite première couche recouverte d'un masque. 8. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'à l'étape (d) la deuxième couche est réalisée par diffusion. 9. Procédé suivant la revendication #, caractérisé en ce qu'à l'étape (d) la deuxième couche est réalisée par un procédé autre que la diffusion (épitaxie, implantation ionique, alliage)