Brevet FR2535901A1 — publié le 19840511

THYRISTOR ASYMETRIQUE A FORTE TENUE EN TENSION INVERSE. La présente demande concerne le domaine des composants semiconducteurs de forte puissance et, plus particulièrement, elle concerne un thyristor de type asymétrique à forte tenue en tension inverse. Les caractéristiques et avantages des thyristors asymétriques sont par exemple décrits dans l'article "New developments in asymmetrical power thyristors" de P Bacuvier, R. Pezzani, J C Salbreux et A Sénès publié dans les Proceedings of the Second International Power conversion Conference, Munich, sep- tembre 1980. Il est notamment exposé dans cet article qu'un avantage essentiel des thyristors asymétriques par rapport aux thyristors classiques est que les premiers permettent d'obtenir des temps de fermeture beaucoup plus brefs tout en gardant les mêmes caractéristiques de tenue en tension directe Toutefois, les thyristors asymétriques décrits dans cet article présentent une très faible tenue en tension inverse ou capacité de blocage en inverse, indiquée dans l'article comme étant de l'ordre de 20 volts tandis que la tenue en tension directe est, dans l'un des exemples donnés, de l'ordre de 2400 volts Il est exposé également dans cet article que cette mauvaise tenue en tension inverse des thyristors asymétriques est peu gênante dans de nombreux montages o le thyristor se trouve en parallèle sur une diode tête-bêche et n'a donc pas de tension inverse importante à supporter. Effectivement, si pour cette application la tenue en tension inverse est sans grande importance, il existe d'autres applications des thyristors pour lesquelles on souhaite bénéficier des avantages de rapidité existant dans les thyristors asymétriques, mais o l'on souhaite également bénéficier d'une tenue en tension inverse non négligeable. Un objet de la présente invention est de prévoir un tel thyristor à tenue en tension inverse importante et à temps de fer- meture bref. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un thyristor asymétrique comprenant, de sa face supérieure à sa face inférieure, une couche de cathode Ni, une couche de gâchette Pi, une couche de base N 2 N 2 + asymétrique, la zone N 2 + plus for- tement dopée se trouvant du côté de la face inférieure, une couche d'anode P 2 et en outre, entre la zone N 2 + plus fortement dopée et la couche d'anode P 2, une couche supplémentaire P 2 moins dopée que la couche N 2 Cette couche P 2 peut notamment être formée par épitaxie. Pour mieux faire comprendre la présente invention, on va d'abord définir les caractéristiques structurelles d'un thyristor influant sur sa tenue en tension inverse On rappellera aussi cer- taines explications théoriques sur les phénomènes physiques inter- venant quand un thyristor se trouve à l'état bloqué Néanmoins, même si les théories actuelles rappelées ci-après sur le blocage s'avèrent erronées, le thyristor asymétrique selon l'invention est défini par ses caractéristiques structurelles et une erreur dans l'exposé théorique ne saurait influer sur la présente invention dont les avantages ont été prouvés expérimentalement. La description ci-après, qui rappelle les structures de l'art antérieur et leur fonctionnement ainsi que la structure et le fonctionnement d'un thyristor asymétrique selon la présente invention, sera faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures l A, 1 B et IC représentent respectivement une vue en coupe schématique, un profil de concentration, et une distribution de champ électrique pour un thyristor symétrique classique, les figures 2 A, 2 B et 2 C sont des figures analogues pour un thyristor asymétrique classique, les figures 3 A, 3 B et 3 C sont des figures analogues pour un thyristor asymétrique selon la présente invention, les figures 4 B et 4 C sont des vues analogues aux figures 3 B et 3 C pour une variante de réalisation selon la présente invention. De façon générale, on notera qu'aucune de ces figures n'est représentée à l'échelle, ni à l'intérieur d'une figure donnée, ni d'une figure à l'autre Par contre, de mêmes notations sont utilisées pour désigner des couches analogues dans les diver- ses figures. La figure l A représente une vue en coupe très schématique d'un thyristor symétrique classique On peut y voir la couche de cathode Ni, la couche de gâchette Pl, la Ncouche de base N 2 et la couche d'anode P 2 Des métallisations (non représentées) de cathode, de gâchette et d'anode sont solidaires des couches Ni, Pl et P 2 respectivement. La figure 1 B représente à titre d'exemple la répartition des concentrations de dopants dans un thyristor du type -de celui de la figure 1 A On peut y voir un substrat N 2 dans lequel sont réalisées de part et d'autre, par diffusion, des couches de type P, Pl et P 2 Du côté de la couche Pi, est réalisée une diffusion de cathode Ni à concentration superficielle élevée Dans la vue représentée, on peut remarquer une rupture de pente dans les pro- fils de concentration des couches Pl et P 2 Ceci est destiné à montrer que, dans des cas pratiques fréquents, ces couches Pl et P 2 sont réalisées par deux diffusions successives: une diffusion profonde à faible concentration superficielle, puis une diffusion moins profonde à concentration superficielle élevée permettant de prendre un contact d'anode satisfaisant sur la face d'anode A titre d'exemple numérique, pour un thyristor destiné à supporter une tension de l'ordre de 2400 volts: la couche de substrat N 2 aura une épaisseur de l'ordre de 280 microns, et un niveau de dopage de l'ordre de 1013 à 1014 atomes/cm 3; les couches Pl et P 2 auront une épaisseur de l'ordre de 65 microns, la couche P 2 ayant une concentration superficielle de dopant de l'ordre de 1018 à 102 atomes/cm 3; et la couche Ni pénétrera dans la couche Pl d'une profondeur de l'ordre de 10 microns avec une concentration superficielle de l'ordre de 1020 à 1021 atomes/cm 3 Mais, bien entendu, les valeurs de ces divers paramètres sont fixées en fonc- tion des caractéristiques que l'on souhaite obtenir pour le thyristor Il n'en reste pas moins que l'épaisseur de la couche N 2 restante est fonction de la tension maximale que le thyristor doit supporter En première approximation, on considère que le thyristor peut supporter environ 10 volts par micron d'épaisseur de la couche N 2 On trouve bien une épaisseur supérieure à 240 microns pour pouvoir supporter une tension de 2400 volts. La figure 1 C représente la répartition du champ électrique dans le thyristor quand celui-ci se trouve à l'état bloqué La courbe en trait plein représente la répartition du champ électrique quand le thyristor est bloqué en direct C'est alors la jonction P 1/N 2 qui agit La décroissance du potentiel est très forte dans la couche Pl fortement dopée et beaucoup plus lente dans la couche N 2 faiblement dopée Comme le montre la figure 1 C, il faut que l'épaisseur sur laquelle s'atténue et s'annule le champ électrique, désignée-par la référence XD, soit inférieure à l'épaisseur WN 2 de la couche N 2 pour que le thyristor puisse bloquer toute la tension correspondant à la concentration des dopants dans la région N 2, tout en évitant le phénomène de perçage couramment désigné par l'appellation anglo-saxonne 'punch- through' qui diminuerait fortement la tension maximum blocable La courbe en tiretés indique la répartition du champ électrique quand le thyristor est bloqué en inverse, en supposant que c'est essen- tiellement la jonction P 2/N 2 qui assure le blocage, la jonction Pl/Nl ayant un effet négligeable Les courbes de répartition du champ en direct et en inverse sont symétriques et le thyristor -25 aura sensiblement la même capacité de blocage dans les deux cas. Dans un tel thyristor'symétrique, l'écart WN 2 XD doit être suffisant pour que le gain du transistor PNP constitué par la couche de gâchette Pi, la couche de base N 2 et l'émetteur P 2 soit suffisamment faible à haute tension, o l'épaisseur effective se réduit à la valeur WN 2 XD. Mais, le temps de fermeture tq d'un thyristor est direc- tement lié à la valeur de l'épaisseur de la couche N 2 et plus cette couche N 2 est épaisse, plus ce temps de fermeture est important Ainsi, inévitablement, les thyristors symétriques de forte tenue en tension ont nécessairement des temps de fermeture élevés et des pertes en commutation importantes. Comme cela est exposé dans l'article sus-mentionné, pour permettre de réduire ces temps de fermeture et d'améliorer les caractéristiques de commutation, on a eu recours à l'utilisation de thyristors asymétriques Un thyristor asymétrique est schématiquement représenté en coupe en figure 2 A En plus des couches représentées en figure IA, il comprend à l'interface entre la couche de base N 2 et la couche d'anode P 2, une zone de base surdopée N 2 +. Les profils de concentration d'un tel thyristor asymétrique sont illustrés en figure 2 B On peut y voir la couche. N 2 + à l'interface entre les couches N 2 et P 2. La distribution du champ à l'état bloqué est représentée schématiquement en figure 2 C Le champ électrique baisse rapide- ment dans la couche N 2 + et l'on peut donc, pour une épaisseur beaucoup plus faible de la couche N 2, tenir une tension -élevée alors que le champ s'annule dans la couche N 2 t sans atteindre la couche d'anode P 2 Il est connu, comme l'indique notamment l'article sus-mentionné, qu'un tel thyristor peut tenir une ten- sion directe aussi importante que la tension directe d'un thyristor symétrique avec une épaisseur de couche de base sen- siblement deux fois plus élevée, cette couche de base, en raison de la structure Pl N 2 N 2 +, pouvant tenir une tension de l'ordre de volts par micron d'épaisseur et non plus de 10 volts par micron On obtient donc alors, pour une même tenue en tension directe VDRM, une épaisseur de couche de base deux fois plus faible et donc un temps de commutation au moins deux fois plus faible A titre d'exemple numérique, la couche N 2 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 150 microns et la couche N 2 + une épaisseur de l'ordre de 80 microns pour tenir toujours une tension directe de l'ordre de 2400 volts Mais, l'inconvénient d'une telle struc- ture, comme on peut le déduire de la distribution du champ électrique illustrée en tiretis en figure 2 C, est que sa tenue en tension inverse est très faible, seulement de l'ordre de 10 à 20 volts En effet, la couche N 2 + devrait répondre à deux exigences contradictoires et difficilement conciliables: avoir un dopage total élevé (pour bien bloquer la région de charge d'espace et réduire la valeur du gain en courant du transistor Pl N 2 N 2 +P 2 à haute tension) et présenter une faible concentration de dopants à la jonction N 2 +/P 2 (pour augmenter la tenue en tension inverse VRRI proportionnelle à 1/Co 3/4, Co étant la concentration maximale de la couche N 2 +) La structure asymétrique est donc bien inadéquate si l'on veut obtenir des valeurs de tenue en tension inverse VRRM supérieures à 10 à 20 volts Même dans le cas décrit antérieurement o le thyristor asymétrique est monté en anti- parallèle avec une diode, cette valeur est relativement faible si l'on tient compte de surcharges éventuelles provoquées par les inductances parasites du circuit et du composant. La structure selon la présente invention, destinée à maintenir les avantages de faible valeur de la durée de fermeture tq liée aux thyristors asymétriques tout en permettant l'obtention d'une tenue en tension inverse VRRM élevée, va être décrite ci- après en relation avec les figures 3 et 4. La figure 3 A représente une vue en coupe schématique d'un thyristor asymétrique selon la présente invention Outre les couches déjà représentées en figure 2 A pour un thyristor asymétrique classique, le thyristor selon l'invention comprend une couche supplémentaire P 2-, à faible niveau de dopage, comprise à l'interface entre la zone N 2 +, à niveau de dopage plus élevé que celui du substrat, et la couche d'anode P 2 Le niveau de dopage de cette couche P 2 est du même ordre que celui de la couche de substrat N 2, mais, bien entendu, de type de conductivité opposée. Le profil de concentration de la structure illustrée en figure 3 A est représenté à titre d'exemple en figure 3 B dans le cas o les couches N 2 + et P 2 sont obtenues par épitaxie Comme le montre la figure 3 B, une double épitaxie N 2 +, puis P 2 est réalisée sur le substrat N 2 Une couche d'anode P 2 est ensuite formée sur la couche épitaxiie P 2- Les couches de gâchette et de cathode Pl et Nl peuvent être formées avant ou après les épitaxies N 2 et P 2 Néanmoins, pour mieux contrôler le profil des dopants du côté de l'anode, il peut être préférable de faire les diffusions de gâchette Pl et d'émetteur Ni avant les épitaxies. Avec la structure de la figure 3 B, on obtient à l'état bloqué les répartitions de champ électrique illustrées en figure 3 C en trait plein pour le blocage en direct et en pointillés pour le blocage en inverse Pour le blocage en direct, on est dans-le même état que dans le cas de la figure 2 C, c'est-à-dire dans le cas classique En ce qui concerne le blocage en inverse, la tenue en tension inverse va dépendre de l'épaisseur et du niveau de dopage de la couche P 2- Ces valeurs peuvent être choisies très librement sans influer sur les paramètres principaux du thyristor considéré précédemment, à savoir sa tenue en tension en direct et son temps de fermeture qui dépendent, eux, des caractéristiques des couches N 2 et N 2 + On a donc, avec la présente invention, effectivement découplé les paramètres liés à la tenue en tension directe et a la tenue en tension inverse. A titre d'exemple, si le niveau de dopage de la couche P 2 est de 3 1015 atomes/cm 3 et son épaisseur de l'ordre de, 10 microns, on obtient une capacité de tenue en inverse de l'ordre de volts. Les figures 4 B et 4 C représentent les profils de con- centration et la distribution du champ électrique dans le cas d'une structure selon la présente invention du type de celle de la figure 3 A, mais dans laquelle la couche N 2 + est formée'par dif- fusion ou par implantation suivie d'une diffusion et non plus par épitaxie Dans ce cas, les angles de la courbe de distribution du champ électrique sont plus arrondis, mais globalement les phénomènes restent les mêmes L'avantage de cette structure est d'éviter une épitaxie et donc de simplifier quelque peu le pro- cessus de fabrication. La présente invention est susceptible -de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art à partir des exemples donnés précédemment, notamment en ce qui concerne le mode de réalisation des couches par diffusion, implantation ionique ou épitaxie On notera également que l'on peut inverser tous les types de conductivité si l'on prévoit un thyristor à gâchette d'anode et non plus un thyristor à gâchette de cathode La présente invention pourra aussi s'appliquer à des thyristors plus complexes du type thyristor à ouverture par la gâchette ou à ouverture assistée par la gâchette. REVENDICATIONS. 1 Thyristor asymétrique à forte tenue en tension inverse comprenant de sa face supérieure à sa face inférieure une couche de cathode Ni, une couche de gâchette Pi, une couche de base N 2 N 2 + asymétrique, la zone N 2 + plus fortement dopée se trouvant du côté de la face inférieure, une couche d'anode P 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre la zone N 2 + plus fortement dopée et la couche d'anode P 2, une couche supplémentaire P 2 moins dopée que la-couche N 2 +. 2 Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche P 2 est formée par épitaxie. 3 Thyristor selon l'une des revendications i ou 2, caractérisé en ce que la couche N 2 + est formée par épitaxie. 4 Thyristor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche P 2 a un niveau de dopage du même ordre que celui de la couche N 2, mais un type de conductivité opposé.