Brevet FR2634948A1 — publié le 19900202

'TRANSISTOR DE PUISSANCE A EMETTEUR MULTI-CELLULAIRES' L'invention concerne un transistor de puissance comportant un substrat présentant une région de collecteur d'un premier type de conductivité, une région de base#d'un deuxième type de conductivité opposé au premier et s'étendant jusqu'à une surface de substrat et plusieurs rangées de cellules d'émetteur du premier type de conductivité disposées dans la région de base et affleurant à ladite surface, au moins une bande conductrice de contact d'émetteur et au moins une bande conductrice de base, la bande conductrice de contact d'émetteur étant isolée de la base par une couche isolante. Un tel transistor est connu de l'article 'SIRET, a 1000 V Bipolar Transistor with No Two-Dimensional Parasitic Effets de G. MILLER et Collaborateurs publié dans Siemens- Forschung und Entwicklung-Bericht Bd 17 1988 n 1. Sa fabrication nécessite de réaliser des métallisations bicouches et donc de mettre en oeuvre une technologie MOS, selon laquelle on utilise une couche de polysilicium et/ou une couche d'aluminium pour le contact d'émetteur, et une couche d'aluminium formant un réseau de bandes à deux dimensions pour la base. Un tel transistor est également connu de l'article 'Bipolar power transistors take their cue from MOS technology' de Frank GOODENOUGH paru dans Electronic Design du 26 juillet 1984. La fabrication de ce transistor, également réalisée en technologie MOS met en oeuvre des doigts de métallisation très étroits qui demandent une très grande précision. L'invention a pour objet un transistor de puissance du type mentionné au premier paragraphe et qui puisse être réalisé selon une technologie bipolaire classique, selon donc un procédé plus simple et plus économique, et ne nécessitant pas d'étape de précision élevée. L'idée de base de l'invention est d'une part de réa liser le contact de base entre les cellules d'émetteur a l'aide de régions très dopées du substrat et de compenser la chute de tension dans le contact de base en modulant la taille des cellules d'émetteur Dans ce but, le transistor selon l'invention est caractérisé en ce que la bande conductrice de base est disposée en bordure d'au moins un côté du périmètre du réseau des cellules d'émetteur, en ce que la base comporte un réseau à deux dimensions de bandes formement dopées de deuxième type de conductivité intercalé entre les cellules d'émetteur et présentant une zone située sous la bande conductrice de base, et en ce que la dimension des cellules d'émetteur augmente avec la distance qui les sépare de la bande conductrice de base. Selon un mode de réalisation préféré, la dimension des cellules est choisie de manière à optimiser le profil de la courbe de gain en courant du transistor formé par chaque cellule émetteur en fonction de son courant collecteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - la figure 1 une vue de dessus de la surface du substrat d'un transistor selon l'invention - la figure 2 une coupe verticale d'un transistor selon l'invention - les figures 3 et 4 des courbes représentatives d'une part du gain fl du transistor en fonction du courant collecteur Ic, et d'autre part pour un transistor selon l'invention en comparaison avec une courbe typique d'un transistor de l'art antérieur. Selon les figures 1 et 2, un transistor selon l'invention présente un substrat comportant un collecteur 1 d'un premier type de conductivité n s'étendant jusqu'à une face inférieure du substrat et présentant une région 10 de contact de collecteur, une base 2 d'un type de conductivité opposé p formant une jonction avec le collecteur 1, et des cellules élémentaires 3, 4, 5, 6 d'émetteur réparties selon un réseau à deux dimensions. Dans les portions de la région de base situées entre les cellules élémentaires, sont disposées des bandes 7 fortement dopées de même type de conductivité p que la base 2 et qui s'étendent sur une faible profondeur à partir de la face supérieure du substrat. Ces bandes 7, formant un maillage à deux dimensions entourant les cellules élémentaires, servent à réaliser un contact de base, et rejoignent une zone 8 également fortement dopée qui s'étend sur au moins un coté du périmètre du réseau des cellules d'émetteur. Une couche isolante 9 recouvrant la face supérieure du substrat comporte des ouvertures laissant apparaitre la majeure partie des cellules élédentaires ainsi que de la zone 8.Une couche conductrice 11, par exemple une métallisation, est en contact électrique avec la zone 8 a travers l'ouverture correspondante de la couche isolante 9, et déborde sur celle-ci, de manière â former une paroi de contact de base. Une couche conductrice 11, par exemple une métallisation, est en contact électrique avec les cellules élémentaires 3, 4, 5 et 6 à travers les ouvertures correspondantes de la couche isolante 9 qu'elle recouvre à l'intérieur du périmètre du réseau de cellules élémentaires. La couche 11 présente éventuellement une plage 15 de prise de contact pour l'émetteur ainsi constitué par les cellules élédentaires interconnectées entre elles. La mise en oeuvre d'un maillage de bandes 7 fortement dopées pour former un contact de base diffusé dans le substrat permet d'éviter d'avoir recours à une métalisation double couche Mais elle introduit corollairement une résistance de base, et donc des chutes de tension d'autant plus importantes que le courant collecteur Ic est élevé et que la distance avec la couche conductrice il est plus grande. Selon l'invention, on compense cette chute de tension plus importante en donnant aux cellules une taille d'autant plus grande qu'elles sont plus éloignées du contact xé- tallisé 11 de base. Pour un contact il s'étendant sur un côté du réseau des cellules d'émetteurs, celles-ci sont arrangées suivant des rangées parallèles au contact 11 dont les cellules, successivement 3, 4, 5 et 6 ont un périmètre crois sant avec la distance qui les sépare du contact 11. Les cellules 3, 4, 5 et 6 ont par exemple un périmètre respectivement de 120 microns, 160 microns, 200 microns et 240 microns, et sont séparées entre elles dans les deux directions de distances de l'ordre de 20 à 40 microns. Le courant auquel le gain en courant p est maximal augmente avec la taille des cellules (voir la figure 3 qui donne des allures de courbes du gain fl en fonction du courant cellecteur Ic pour des périmètres de cellule P1, P2 et P3 croissants). Pour des courants élevés I'c supérieurs au courant Ic qui donne le gain maximal, le gain fi est proportionnel à la taille des cellules. La tension base-émetteur VBE nécessaire pour un courant collecteur donné diminue quand la taille des cellules augmente, d'où l'effet de compensation des chutes de tension. Ceci permet d'obtenir une excellente distribution du courant, et donc de la température sur toute la surface de cristal. En outre, cette structure, de par la compensation qu'elle procure, permet de réaliser des transistors présentant de 5 à 10 fois le périmètre standard des transistors bipolaires classiques, tout en employant le même procédé de fabrication sans bicouche et avec des ouvertures minimales de 10p compatibles avec des équipements classiques. Les transistors selon l'invention sont alors plus performants tà surface égale) que les transistors MEXA de l'art antérieur. Des transistors de performances équivalents peuvent être réalisés avec une surface de cristal bien plus faible que les transistors MEXA classiques, donc à plus faible coût. Enfin, la présence de la résistance de base introduite par les bandes 7 conjuguée avec les tailles progressives des cellules 3, 4, 5, 6 compense également la diminution de la tension base-émetteur VBE avec la température. D'autre part, le choix des différents périmètres d'émetteur permet également d'améliorer l'allure de la courbe 6(il) du transistor dont le profil résulte des effets additionnés des transistors individuels comportant chacun une des cellules d'émetteur, en lui procurant une caractéristique plus plate que selon l'art antérieur (voir fig. 4), et à surface de cristal égale, permettant un gain proche du maximum à des courants plus élevés que les transistors MEXA classiques. La figure 6 représente une configuration comportant deux bandes conductrices de base entre lesquelles sont disposées, parallèlement aux bandes conductrices de base, des rangées de cellules d'émetteur, ici au nombre de 8. L'ensemble présente un axe de symétrie de part et d'autre duquel les rangées de cellules ont une taille décroissante. A chaque bande conductrice de base sont donc associées n = 4 rangées de cellules de base. On va maintenant indiquer comment, selon un mode préféré de réalisation, on peut dimensionner les cellules d'émetteur dans chaque rangée, ainsi que leurs espacements. Tout d'abord, le périmètre des cellules d'émetteur de la péme rangée à partir d'une bande conductrice de base (p variant de 1 à n), a de préférence pour valeur 0,5(p+1)pi. pi désignant le périmètre des cellules de la première rangée. Soit dp la distance entre les cellules d'émetteur de la pème rangée avec p variant de 1 à n. Soit lq l'intervalle séparant les cellules d'émetteur de la qème et de la (q+1)ème rangée avec q variant de 1 à n-1. La distance dp diminue lorsque p augmente. Cette distance doit être choisie de manière d'une part que dn-l ait une valeur suffisante pour disposer les contacts de base, et d'autre part pour que la surface du substrat soit utilisée efficacement. Selon une réalisation préférée on a dp 2 A + (n-p+1) X X constante > 8 microns. n nombre de rangées de cellules correspondant à une bande de contact de base. A : constante liée à la précision du procédé de photogravure. La valeur des distances lp entre les p et (p+1) rangées a peu d'influence sur les performances mais il est recommandé de choisir 1p > A+8 microns. ExemPle : Pour un transistor présentant un courant collecteur à saturation de 4A et un courant collecteur maximal de 8A, un BVCEO > 100V, une puissance maximale de 60 Watts environ, et une fréquence de coupure intrinsèque FT de l'ordre de 10 MHz, n = 3 P1 = 104 microns pz = 160 microns p3 = 216 microns. d1 = 54 microns d2 = 40 microns d3 = 26 microns. li =47 microns 12 = 33 microns A = 10 microns X = 15 microns. couche collecteur 1 : type n, épaisseur 15p, résistivité 3Qcm couche base 2 : type p, épaisseur 15p, résistivité 7Qcm diffusion d'émetteur : profondeur 4 , R# 4 , = 2,5Q/# diffusion contact de base profondeur 3 , R# 3 , = 6Q/# REVENDICATIONS 1. Transistor de puissance comportant un substrat présentant une région de collecteur d'un premier type de conductivité, une région de base d'un deuxième type de conductivité opposé au premier et s'étendant jusqu'à une surface du substrat, et plusieurs rangées de cellules d'émetteur du premier type de conductivité disposées dans la région de base et affleurant à ladite surface, au moins une bande conductrice d'émetteur et au moins une bande conductrice de base disposées sur la dite surface du substrat, la bande conductrice d'émetteur étant isolée de la base par une couche isolante caractérisé en ce que la bande conductrice de base (11) est disposée en bordure d'au moins un côté du périmètre du réseau des cellules d'émetteur (3, 4, 5, 6), en ce que la base (2) comporte un réseau à deux dimensions de bandes (7) fortement dopées du deuxième type de conductivité intercalé entre les cellules d'émetteur (3, 4, 5, 6) et présentant une zone (8) en contact électrique avec la bande conductrice de base (11), et en ce que la dimension des cellules d'émetteur (3, 4, 5, 6) augmente avec la distance qui les sépare de la bande conductrice de base (11). 2. Transistor selon la revendication 1 caractérisé en ce que la bande conductrice de base (11) borde un seul côté du périmètre dudit réseau des cellules d'émetteur, et en ce que les cellules d'émetteur sont disposées selon des rangées parallèles à la bande conductrice de base (il). 3. Transistor selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux bandes conductrices de base bordant deux côtés non adjacents du périmètre dudit réseau des cellules d'émetteur, et en ce que les cellules d'émetteur sont disposées selon des rangées parallèles aux dites bandes conductrices de base. 4. Transistor selon une des revendication 1 à 3 caractérisé en ce que la dimension des cellules est choisie de manière à optimiser le profil de la courbe de gain en courant du transistor en fonction du courant collecteur. 5. Transistor selon la revendication 4 caractérisé ce que les périmètre des cellules d'émetteur de la pème rangée à partir d'une bande conductrice de base a pour valeur 0,5(p+1)pi, pi désignant le périmètre des cellules de la première rangée. 6. Transistor selon la revendication 5 caractérisé en ce que la distance dp entre les cellules d'une même rangée d vide p a pour valeur dp = A + (n - p + 1) X avec n = nombre de rangées de cellules correspondant à une bande conductrice de base A : constante liée à la précision du procédé de photogravure utilisé X : constante > 8#.