Brevet FR2374744A1 — publié le 19780713

L'invention concerne les diodes semiconductrices à capacité variable du type dit- "hyperabrupt", et les procédés de fabrica tion, notamment ceux du type collectif, de telles diodes. On sait que les diodes à capacité variable, appelées aussi diodes varicap, possèdent une jonction semiconductrice de type "PN", "P+N", "NP" ou "N+P", que lton 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 a (1) où k est une constante pour une diode donnée, et où l'exposant n est de l'ordre-de -1/2 et pratiquement constant pour les diodes "varicap" clas#siques. On connaît des diodes varicap dites de type "abrupt" ou "hyperabrupt". Pour ces dernières, 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 coté ~de la partie la moins dopée en ce qui concerne les jonctions du t'pe P+N ou NP+.Si l'or' appelle x l'épaisseur de cette zone déserte et S la surface moyenne au niveau de cette zone, on a où et Eo désignent respectivement la constante diélectrique relative du matériau semiconducteur par rapport à l'air, et la constante diélectrique absolue de l'air. Dans une première méthode de fabrication de telles diodes, on créée une discontinuité de la concentration en impuretés dopantes en déposant par épitaxie une couche intermédiaire fortement dopée et très mince, de l'ordre de quelques milliers d'angstroms, entre une couche fortement dopée de type de conductivité opposée, et une couche normalement dopée de même type de conductivité. Cette méthode donne de bons résultats, mais il est toutefois très difficile d'obtenir une couche intermédiaire aussi mince qui soit vraiment homogène, et, en conséquence, les performances varient beaucoup d'un échantillon à l'autre. Dans une deuxième méthode de fabrication de telles diode#s, on fait décroitre 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 étranglement au niveau des électrodes d'accès, ce qui donne une région déserte S 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 diodesuivant l'invention est earactérisée en ce qu'elle comporte un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, a forte résistivité, et une couche semiconductrice dudit premier type de conductivité, à résistivité moyenne, ladite couche entourant un premier -îlpt de matériau semiconducteur dudit premier Sype de conductivité, à très faible résistivité, et au -moins un deuxième îlot de matériau semiconducteur d'un type de conductivité opposé audit premier type, à très faible résistivité, ledit deuxième llot présentant un coutour festonné de telle sorte que la jonction semiconductrice ainsi constituée ait la forme d'une bande présentant des boucles à très petite ouverture par rapport au périmètre de ladite boucle. 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 de diode hyperabrupte ; - les figures 2 et# 3 aeprésentent des structures connues de diodes hyperabruptes ; - la figure 4 est un schéma électrique équivalent de la structure de la figure 3 ; - la figure 5 est une- perspective schematique d'une structure de diode selon l'invention ; - les figures 6 et 7 représentent des vues partielles de la structure de la figure 5 ; - la figure 8 est un schéma électrique équivalent d'un éle#ent de la structure de la figure 5 ; - la figure 9 représente une-variante d'un élément de structure selon l'invention.;; - les figures 10 et Il représentent des caractéristiques de diodes selon l'invention. La courbe de la figure 1 donne la variation de log C en fonction de log. V, suivant les notations adoptées pour la formule (1) qui devient, dans le cas de la diode hyperabrupte C =kV#n (V) (3) Lorsque V est inférieur à VO, l'exposant n est sensiblement constant et égal à 1/2 ; on relève donc un segment de droite AB de pente négative constante (-1/2). Lorsque V est compris entre VO et V1, on a une portion de courbe BC à forte pente négative, correspondant S un coefficient n plus grand-que 1/2, voire bien supérieur à 1. Enfin,#au-dela de V1, (segment CD), la capacité ne varie pratiquement plus. La figure 2 est une illustration de la méthode de fabrication, déjà citée, dans laquelle on fait décroître fortement la section de la diode au niveau de la zone déserte. La diode varicap hyperabrupte représentée est du type oméga. Son substrat P+, supportant une couche N relativement épaisse et une couche N beaucoup plus mince, a été entamé par une attaque mésa effectuée d partir de la couche Nt, en donnant un profil "mésa", qui s'évase progressivement de la couche N au substrat P+. Une source 3 à tension continue réglable polarise la jonction P N en sens inverse au moyen de connexions 1 et 2 raccordant respectivement les pâles et + de la source au substrat et à la couche N .Pour une valeur déterminée de la tension réglable, il apparaît, de part et d'autre de la jonction, une zone déserte comprenant une couche relativement mince limitée par une surface 21, du coté P + et une couche d'épaisseur x beaucoup plus grande limitée par une surface 22 du coté N. Lorsque V augmente ' h surface 22 décroît plls ou moins rapidement et l'on obtient une caractéristique analogue à celle de la figure 1, bien que de moindre amplitude, et ne présentant pas de coude accusé en B. La figure 3 est une illustration de la méthode de fabrication, déjà citée, où on réalise une jonction en forme d'outre, dans le cas d'une région N entourée de matériau P+. Le profil de la région N, d'axe de symétrie ZZ,tel que le fait apparaître une coupe (pratiquée perpendiculairement à la surface plane portant les contacts 1 et 2 de polarisation) suit une ligne brisée EFGHIJKL beaucoup plus longue que le profil 30 d'un lot N+ supportant le contact 2. Pour une tension V de faible valeur absolue, on a une zone déserte de petite épaisseur xor La surface moyenne de cette zone comprise entre la jonction et le contour 220, est du même ordre de grandeur que la surface de la jonctia} donc relativement grande en raison de la longueur du profil EFGHIJKL.Pour une certaine valeur de V, soit V1 > le contour interne de la zone déserte devient le profil 221 de longueur beaucoup plus petite. La diminution de surface moyenne de la zone déserte devient-de plus en plus forte lorsque la tension de polarisation passe de O à -V1. Le schéma équivalent de la région N, figure 4, fait appa reître de chaque coté de l'axe ZZ - pour la valeur -V1 de la tension de polarisàtion, un couple de résistance R1 et une capacité C1 en série avec chacune des résistances R1, l'ensemble correspondant à la configuration de zone déserte limitée par le contour 221 ; - pour la valeur -V de cette tension, un couple de résistances Ro respectivement en série avec les résistances R1, et des capacités CO correspon#dant à la zone déserte de con figura- tion déterminée par le contour 220. On voit, d'après la figure 4, que les résistances s'ajoutent alors que les capacités se substituent l'une à l'autre dans les deux configurations. Il en résulte une détérioration du coefficient de surtension de la capacité variable présentée par la diode varicap. Figure 5, on a dessiné une perspective schématique d'une structure unitaire de diode selon l'invention. Dans l'exemple représenté, deux îlots P+, contour festonné 51 et 52 flanquent un îlot N parallélépipédique 53, en laissant entre les lots une région N formant des "outres" à l'intérieur des îlots P Les îlots P+ et N+ ont une épaisseur égale à la profondeur de la région N, c'est-d-dire à ltépaisseur de la couche épitaxiale que l'on a déposé sur un substrat N pour obtenir une telle structure. A titre d'exemple, ce substrat est en silicium dopé N d'une résistivité de 2000 ohms-cm ou plus, la couche N étant d'une épaisseur de 10 microns et d'une résistivité de 0 > 5 ohm-cm. Figures 6 et 7, on a représenté en plan et en coupe, une des outres de la région N, par exemple la région marquée par le repère 50 aux figures 5, 6, et 7. Soient a, b, et c les dimensions de la barre supérieure et de la jambe du T indiquées figure 6. On a par exemple a 2 microns, b = 20 microns, c = 30 microns, la largeur W de l'espace libre entre P+ et N à l'emplacement le plus étroit étant de 5 microns. La longueur c de la jambe du T doit etre largement supérieure à la profondeur de la couche N. En ce qui concerne le procédé de fabrication de telles structures, il peut être, avantageusement, du type collectif. En ce cas, on part d'une rondelle de silicium dopée N , de résistivité au moins égale d 2000 ohms-cm, sur laquelle on forme > par épitaxie une couche N de résistivité beaucoup plus faible, par exemple 0,5 ohm-cm. On réalise ensuite par diffusions localisées les îlots P Enfin, on grave chimiquement un sillon d l'emplacement de l'îlot N+, sillon dans lequel on créé par diffusion une couche mince dopée N+, pour obtenir le profil 70, figure 7. Cette der nitre méthode vise à séduire le temps de diffusion pour éa.ter les inconvénients d'une diffusion prolongée dans un dispositif semiconducteur ayant déjà reçu une diffusion P+. En outre la prise de connexion sur l'îlot N+ est facilitée par l'existence d'un sillon. Le nombre d'éléments en forme de T peut être d'une vingtaine de chaque côté d'un îlot N+, ou même davantage. Le schéma équivalent de la région N, figure 8, comporte un T formé de trois résistances (R1 et deux fois R2) et de deux capacités terminales C2, et en outre, en parallèle sur ce T, deux branches Rov CO en série. Dans le cas de l'invention, l'augmentation de résistance, lorsque l'épaisseur xO de la zone déserte augmente#, est palliée par ltexistence des résistances Ro en parallèle. Figure 9, on a représenté un élément de structure correspondant à une outre de la région N, dans laquelle on a désigné les points anguleux du profil par une série de repères EFGHIJKL par analo#gie avec les notations de la figure 3. On remarquera toutefois un étranglement de la région N entre les points E et L. Une telle structure présentew la particularité suivante lorsqu'on augmente la tension inverse de polarisation, les zones désertes qui se font face en bordant respectivement les flancs EF et LK se rejoignent à l'emplacement de l'etranglexent EL.Il en résulte un isolement de toute la région N située à l'intérieur de l'outre EFGHIJKL#. ~ On observe alors, sur-un graphique analogue d celui de la figure 1, (figure 10) une#disconti- nuité : le segment BC devient parallèle à l'axe des ordonnées, ce qui correspond à une chute brusque de capacité pour une valeur V1 de la tension inverse. Selon une variante de la structure de la figure 9, on échelonne les étranglements du type EL de manière a réaliser plusieurs chutes de capacité. Par exemple, dans la structure de la figure 5, le dessin de l'îlot 51 sera modifié de façon à comporter, à lten- trée des différentes regions N, un étranglement d'une dimension telle que la chute de capacité se produise pour une tension inverse V1. Le dessin de l'îlot 52 sera modifié de façon à comporter, S l'entrée des différentes régions N, un étranglement d'une dimension telle que la chute de capacité se produise pour une tension inverse V2. On observera alors une courbe à deux décrochements B1B2 et C1C2 correspondant aux valeurs V1et V2 (figure 11). REVENDICATIONS 1. Diode S capacité variable du type hyperabrupt, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité, d forte résistivité, et une couche semiconductrice dudit premier type de conductivité, à résistivité moyenne, ladite couche entourant un premier îlot de matériau semiconducteur dudit premier type de conductivité, d très faible résistivité, et au moins un deuxième îlot de matériau semiconducteur d'un type de conductivité opposé audit premier type, àtrès faible résistivité, ledit deuxième îlot présentant un contour festonné de telle sorte que la jonction semiconductrice ainsi constituée ait la forme d'une bande présentant des boucles à très petite ouverture par rapport au périmètre de ladite boucle. 2. Diode suivant la revendication i, caractériséeen e que ledit premier îlot a la forme d'un parallélépipède allongé bordé sur au moins un grand côté par une région semiconductrice d résistivité moyenne pénétrant d l'intérieur du deuxième îlot en formant des outres, la distance moyenne entre un grand côté du premier îlot et les régions dudit deuxième îlot séparant lesdites outres étant bien moindre que la profondeur desdites outres. 3. Diode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites outres présentent un étranglement d leur entrée. 4. Diode suivant la revendication 2, earactérisée en ce que ledit premier îlot comporte sur toute sa longueur un sillon occupant la plus grande partie de la largeur dudit premier îlot. 5. Procédé de fabrication de diodes suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'iL comporte les étapes suivantes a) la formation par épitaxie sur ledit substrat de ladite couche à résistivité moyenne b) la diffusion d'un premier îlot ou d'une série d'îlot du même type ; c) la diffusion d'un deuxième îlpt ou d'une série d'îlots semblables bordant respectivement chacun des îlots réalisés d l'étape précédente. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les etapes (b) et (c) une étape supplémentaire consistant à graver un sillon occupant toute la longueur et la plus grande partie de la largeur de l'emplacement réservé dudit deuxième îlot. 7. Dispositif à très haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs diodes suivant l'une des revendications I à h.