Brevet FR2373879A1 — publié le 19780707

L'invention concerne une nouvelle structure semiconductrice à diélectrique épais, applicable à des composants et à des dispositifs plus complexes destinés à fonctionner à des fréquences su périeures à 1 GHz, voire très supérieures (domaine des ondes millimétriques) tels que les diodes à avalanche, les diodes Gunn, les diodes à capacité variable (varactors), en ce qui concerne les composants, et, en ce qui concerne les dispositifs, les émet teurs, récepteurs, limiteurs, dispositifs de commutation à diodes du type 11p I N" etc... L'invention concerne également le procédé de labrication de ladite structure. Dans la demande de brevet déposée le 12 Décembre 1975, sous le NO 75.38109, la demanderesse a revendiqué un "Procédé collectif de fabrication de dispositifs semiconducteurs a jonction, comportant le dépôt d'une épaisse couche de diélectrique dans les intervalles créés par une attaque mésa, donc entre les diodes mésa d'une même rondelle semiconductrice. Ces diodes mésa sont ensuites collectivement soudées "à 11 envers" sur un support de dissipation thermique, clest-à-dire du côté des couches dites actives de la structure semiconductrice.Après rodage du substrat, poussé jusqu a la mise à nu du diélectrique épais, on procède à des métal lisations débordant les parties restantes du substrat puis à une attaque chimique limitée à une partie du diélectrique épais pour aboutir à une collection de diodes mésa, soudées à l'envers sur le support dissipais et entourées, chacune, d'un anneau de diélectrique épais compris entre deux métallisations. Cette technologie présente deux inconvenients (a) le procédé de fabrication est complexe et comporte de nombreuses étapes très diverses ; (b) 11 épaisseur du diélectrique épais est limitée à la hauteur des tables obtenues lors de la première attaque mésa. Or il y a avantage à augmenter cette épaisseur pour diminuer la capacité entre les métallisations qui se trouvent de chaque coté du diélectrique épais. L'invention vise à remédier à ces inconvénients Dans la structure selon l'invention, une diode de type l'mesas est réduite à sa partie "mésa" tout en gardant un substrat résiduel fortement dopé. Elle est entourée de diélectrique de manière à constituer un bloc de grandes dimensions par rapport à la diode. Le bloc présente deux grandes faces planes et parallèles portant, chacune, une métallisation. Un contact direct est établi, côté substrat, entre la diode et l'une des métallisation Une liaison thermique et électrique est établie, entre la métallisation opposée du bloc et la diode, au moyen d'un plot épais de métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. 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 les figures 1 et 2 représentent des exemples de structure selon l'invention ; les figures 3 à 9 représentent plusieurs étapes de Cabrieation de l'invention ; les figures 10 à 14 représentent des exemples dtapplication de différentes structures conformes à l'invention. Figure 1, on a représenté une structure selon l'invention comportant une diode de type mesa à trois couches superposées N N N ,N+#, réduite à sa partie mésa, dont la couche N+ constitue le substrat résiduel à la suite d'étapes de fabrication qui seront décrites plus loin. La diode est surmontée d'une métallisation 5 en forme de plot massif en métal bon conducteur de chaleur et de l'électricité (de l'or par exemple?, l'ensemble étant entouré de diélectrique 2 constituant un bloc 10 à faces métallisées 3 et X, de forme rectangulaire ou circulaire.Les dimensions de la diode sont par exemple les suivantes - de l'ordre du micron pour la hauteur h (somme des épaisseurs du substrat résiduel N+ et des couches N et P+) ; de l'ordre de la dizaine de microns pour le diamètre au niveau de la base du substrat. Au contraire les dimensions du bloc 10 sont beaucoup plus grandes - de l'ordre de la centaine de microns pour l'épaisseur H ; - de l'ordre du millimètre pour la longueur ou la largeur L d'une des faces métallisées 3 et 4. Les faces métallisées du bloc 10 jouent un triple rôle. Elles fournissent des électrodes pour le courant continu de pqlarisation l'une d'elles étant par exemple à la masse et l'autre à une borv ne d'une source de polarisation. Elles fournissent des surfaces conductrices pour la propagation de courants de très haute fréquence. Enfin, du point de vue thermique, elles facilitent l'é- coulement de la chaleur produite dans les couches actives, étant reliées à ces couches par des chemins de faible résistance thermique : en effet du côté substrat on trouve une très petite épaisseur de couche semiconductrice, et du côté opposé on trouve le plot 5. Figure 2, on a représenté une structure selon l'invention qui ne diffère de la précédente que pour la métallisation , en effet une métallisation 14 recouvre les faces latérales du bloc 10 en se raccordant à la face métallisée 4 tandis que la métallisa- tion de la face opposée se réduit à un disque 13 recouvrant le substrat résiduel N D'autres structures 'Semiconductri9es rentrent dans le cadre de #l'in- vention, notamment avec un nombre de couches différent et.avec des couches extrêmes N au lieu de P et réciproquement. Le substrat peut être du type P et les couches actives peuvent avoir été ormées non seulement par épitaxie mais également par diffusion ou par implantation ionique. La figure 3 représente le point de départ d'un procédé collectif de fa brication de structures selon l'invention. Une rondelle de matériau semiconducteur, silicium monocristallin par exemple, partiellement représentée en coupe schématique, comporte un substrat 20 dopé N , sur lequel on a forme par épitaxies successives, une couche 21 de silicium monoeristallin dopé N (ou plusieurs couches actives, en cas de structure plus complexe) puis une couche 22 de silicium monoeristallin dopé P . La figure 4 représente l'aboutissement d'étapes préliminaires dudit procédé, au cours desquelles, on a formé, par une méthode classique, une grande quantité de tables mésa, comportant du sommet à la base une couche PS, une couche N (dans le cas le plus simple) et une partie du substrat N+ protégée par les couches précédentes contrw-une attaque chimique suffisamment poussée de la rondelle pour entamer le substrat N+. Il y a lieu de noter que dans le cas de l'invention, les intervalles entre tables mésa sont beaucoup plus grande que les largeurs de tables mésa, par exemple de l'ordre du millimètre alors que la largeur d'une table mésa est de l'ordre de quelques dizaines ou d'une centaine de microns.La première étape caractéristique du procédé à partir de la structure collective représentée figure 4, consiste à déposer une couche 26 de diélectrique sur les tables mésa de la rondelle, ce qui donne le résultat représenté figure 5. Un dépôt aussi épais de diélectrique suppose que l'on accorde les coefficients de dilatation. du diélectrique et du matériau semiconducteur de la rondelle, sous peine de cassure lors des changements de température. Dans le cas du silicium on utilise des verres au silicate de coefficient de dilatation voisin de celui du silicium. On peut également déposer, par une méthode actuellement classique, du silicium polycristallin rendu isolant. Dans le cas de l'arséniure de gallium, on sait également déposer de l'arisé niure de gallium polycristallin de très haute résistivité.Enfin, on peut, dans le même cas, faire erotre de l'arséniure de gallium monocristallin-de très haute résistivité dans les intervalles existant entre les tables mésa, préalablement recouvertes d'un diélectrique bloquant la croissance épitaxiale. Cette dernière technologie est décrite dans la demande de brevet déposée le 24 Septembre 1976, sous le NO 76 28 769, par la demanderesse. Après rodage de la rondelle sur la face apparente de la couche 26 on aboutit à la structure représente figure 6. La deuxième étape caractéristique du procédé comporte l'ouverture d'entonnoirs d'accès aux diodes mésa. A cet ef~et, suivant une méthode classique, on réalise une attaque chimique collective du diélectrique de la couche 26 à chaque emplacement de table mésa, en protégeant le reste de la couche 26 par un masque résistant à l'agent d'attaque employé. On obtient ainsi les entonnoirs 27 représentés en figure 7. La troisième étape caractéristique du procédé consiste à remplir les entonnoirs de métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, (or, argent, éventuellement cre). On sait réaliser de tels dépôts 5, massifs et localisés par des méthodes classiques faisant intervenir notanment l'électrolyse. On obtient ainsi la structure représentée figure 8. La quatrième étape caractéristique du procédé est le rodage de la rondelle du côté du substrat de façon à éliminer le substrat entre des tables mésa. Après ce rodage, complété par un rodage de l'autre face destiné à l'aplanir, on obtient la structure représentée figure 9. Pour obtenir des structures conformes à l'invention, on complète le procédé décrit ci-avant par des étapes complémentaires telles que les suivantes a) découpage de la rondelle en structures rectangulaires, ou circulaires, comportant chacune soit une, soit plusieurs diodes ; b) métallisations partielles ou totales de chacune des grandes faces des structures. Dans le cas où la structure comporte plusieurs diodes, on peut - soit mettre les diodes en parallèle, avec métallisations collectives ; - soit utiliser les diodes individuellement en établissant des métallisations individuelles sur au moins une face. L'utilisation d'une structure selon l'invention est Dossible pour réaliser de nombreux composants destinés à fonctionner aux hyperfréquences (diodes à avalanche, diodes Gunn, varactors, diodes P I N de commutation, limiteurs). Elle semble notamment très bien adaptée aux systèmes d'émission à effet de volume (diodes Gunn, à avalanche, Baritt, etc...) en ondes millimétriques. Parmi les exemples d'utilisation, on citera les suivants Premier exemple : dispositif d'adaptation à un câble coaxial d'une structure émettrice ou réceptrice. Figure 10, on a représenté une structure 100 comportant une métallisation partielle 101 du côté du substrat résiduel de la diode mésa, et une métallisation totale 102 du côté opposé. Cette structure est revêtue d'une armature conductrice 103 soudée à la métallisation 102 et rabattue sur la face opposée de la structure en laissant un intervalle d'isolement 104 entre la métallisation 101 et l'armature 103. Cette structure est soudée à l'extrémité d'un tronçon de câble coaxial 40. Le conducteur central 401 est relié à la métallisation 101 tandis que le conducteur périphérique 402 est soudé à l'armature 103 sur la partie rabattue. Une structure 31, identique à celle de la figure 2, est encastrée dans le conducteur périphérique 402 d'un tronçon de câble coaxial 40. Cette structure est de contour circulaire ou carré selon la forme du conducteur central auquel elle doit s'adapter. La métallisation latérale 14 est soudée à la partie :nterne du conducteur 402 tandis que la métallisation 13 est soudée à l'extrémité du conducteur 401 préalablement sectionné en retrait. Deuxième exemple : cavité résonnante formée par une structure selon l'invention. Figure 12 (a et b) on a représenté respectivement en plan et en coupe une structure selon l'invention de forme paral lélépipédique presque entièrement revêtue par une métallisation 51, à l'exception de la partie centrale, côté substrat, revêtue d'une métallisation 52 destinée à recevoir une des connexions d'alimentation de la diode. Une telle cavité, contenant un semiconducteur actif, peut être utilisée comme dispositif hyperfréquence : en ce cas, les dimensions transversales de la cavité, ctest-à-dire du bloc diélectrique, sont par exemple de l'ordre de la demi-longueur d'onde de propagation dans le diélectrique. Troisième exemple : oscillateur monolithique. Figure 13, on trouve une vue en plan d'une structure selon l'invention, comportant - d'une-part une métallisation formant masse (face non vue du dispositif de la figure 13) - d'autre part des métallisations constituant, avec le diélectrique et le plan de masse, des circuits hyperfréquence du type microbande (microstrîp de la terminologie anglaise) dans l'exemple représenté figure 13 on trouve une métallisation 64 raccordée à la diode 60 (substrat N+ ou métal le recouvrant) de la structure, ce qui fournit un élément de résonateur. On a en outre disposé une métallisation 62 pour constituer selon une méthode classique un filtre passe-bas sur une arrivée 64 de ligne de polarisation. On trouve enfin en 65 une ligne de couplage servant de départ par exemple vers un aérien d'émetteur. Quatrième exemple : elément de guide d'onde plat. Figure 44, on a représenté une structure 70 ana'orgue à celle de la figure 12, mais en différant par l'absence de métallisation sur une ou deux faces latérales opposées (71 et 72). La structure est un élément de guide d'ondes de section rectangulaire égal à l'une des faces 71 -ou 72. Dans le cas où seule la face 72 n'est pas métallisée, on a une extrémité de guide comportant un court-circuit arrière (la face, 71). Dans le cas où les faces 71 et 72 ne sont pas métallisées, on a un élément de guide pouvant être inséré dans un guide de même section REVENDICATIONS 1. Structure semiconductrice comportant une diode de type mésa et un bloc de matériau diélectrique de grandes dimensions par rapport à celles de la partie mésa de ladite diode, caractérisée en ce que ledit bloc présente deux grandes faces planes et parallèles portant chacune une métallisation, que ladite diode, réduite à sa partie "mésa" comporte un substrat résiduel fortement dopé de faible épaisseur par rapport à l'épaisseur de la partie mésa, et que ladite diode est noyée dans ledit bloc de telle sorte que son substrat résiduel soit en contact avec une des métallisations de grande face, un plot de métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité assurant la liaison à travers ledit bloc, entre la face opposée au substrat de ladite diode et la métallisation de l'autre grande face dudit bloc. 2. Structure semiconductrice suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la métallisation de l'une des grandes faces dudit bloc se prolonge sur au moins une autre face, la métallisation de la face opposée n'étant que partielle. 3. Procédé de fabrication d'une structure semiconductrice suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes a - Partant d'une structure semiconductrice collective, comportant plusieurs diodes de type mésa ayant un substrat commun, réatisation d'une couche de diéltetrique recouvrant les parties mésa desdites diodes et beaucoup plus épaisse que lesdites parties mésa ; b - Ouverture, dans ladite couche de diélectrique, d'entonnoirs d'accès aux diodes mésa ;; c - Remplissage des entonnoirs par un-dépôt de métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité i d - Rodage de ladite structure semiconductrice collective sur la face côté substrat de façon à éliminer ledit substrat entre lesdites parties "mésa", et rodage de la face opposée pour la rendre plane. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est complété par le découpage de ladite structure semiconductrice collective en blocs comportant une ou plusieurs diodes et par la métallisation partielle ou totale des grandes faces de chaque bloc. 5. Dispositif à très-haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte une structure suivant l'une des revendications 1 et 2. 6. Dispositif d'adaptation à un câble coaxial d'une structure suivant l'une des reyendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une des grandes faces métallisées dudit bloc est revêtue d'une armature conductrice soudée au conducteur périphérique dudit câble, tandis que la face opposée dudit bloc est soudée par sa métallisation au conducteur central dudit câble. 7. Dispositif d'adaptation à un câble coaxial d'une structure suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ladite structure est encastrée dans le conducteur périphérique dudit câble, la grande face côté substrat de ladite structure étant soudée au conducteur central dudit câble par sa métallisation partielle, la grande face opposée étant soudée au conducteur périphérique dudit câble par sa métallisation prolongée sur les faces latérales. 8. Cavité résonnante, caractérisée en ce qu'elle comporte une structure selon ?a revendication 2, la métallsation de l'une des grandes faces étant prolongée sur toutes les autres faces en laissant cependant un intervalle d'isolement avec la métallisation partielle de la grande face opposée. 9. Oscillateur monolithique, caractérisé en ce qu'il comporte une structure suivant la revendication 1, la métallisation de l'une des grandes faces constituant un plan de masse et la grande face opposée portant, outre la métallisation en contact avec ladite diode, des métallisations complémentaires constituant avec ledit plan de masse des éléments de circuits hyperfréquences. 10. élément de guide d'onde plat, caractérisé en ce qu'il comporte une structure selon la revendication 2,ledit bloc de matériau diélectrique constituant le diélectrique du guide d'onde et la métallisation prolongée de l'une des grandes faces constituant un tronçon de conducteur dudit guide d'onde