Brevet FR2729504A1 — publié le 19960719

-1 GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La présente invention concerne les générateurs photovoltaiques permettant de produire un signal de commande pour commander un dispositif de commutation a semi-conducteurs et elle concerne plus particulièrement une structure nouvelle pour un tel dispositif I0 dans laquelle des cellules planes formées dans un substrat en silicium suivant un agencement ordonné présentent une isolation diélectrique les unes vis-à-vis des autres dans un ensemble à liaison entre plaquettes qui est isolé. Les générateurs photovoltaïques (GPV) sont bien connus et sont utilisés couramment pour produire un signal de commande pour un relais à semiconducteurs. De tels dispositifs utilisent une diode électroluminescente (DEL) qui est mise sous tension au moyen de bornes d'entrée de façon à soumettre à un rayonnement la surface photosensible d'un dispositif photovoltaïque qui en est espacé et est isolé. La sortie du20 dispositif photovoltaïque peut servir d'entrée pour un dispositif de commutation, tel qu'un dispositif à grille commandée MOS, d'une manière typique un MOSFET de puissance, qui comporte des bornes de charge qui sont "mises en circuit" sous l'effet de la mise sous tension de la DEL. Les bornes d'entrée et de sortie du relais sont isolées par l'intervalle existant25 entre la DEL et le dispositif photovoltaïque. D'une manière courante, le dispositif photovoltaïque est constitué d'un grand nombre de cellules photovoltaiïques connectées en série, de façon à produire une tension 2 2729504 suffisamment élevée pour mettre en service le dispositif de commutation de puissance. De tels dispositifs sont bien connus et sont vendus sous la dénomination "PVI" (acronyme anglais pour "isolateur photovoltaïque") par International Rectifier Corporation, El Segundo, Califomrnie, USA, cessionnaire de la présente invention. Le photogénérateur à cellules multiples peut être réalisé de nombreuses manières différentes. Un générateur connu utilise un empilement ou superposition de cellules photovoltaïques, ainsi que cela est présenté dans le brevet US 4 755 697 au nom de Kinzer. D'autres dispositifs utilisent un agencement ordonné plan de cellules qui présentent une isolation de jonction les unes vis-àvis des autres et qui sont connectées en série à l'endroit de leurs surfaces. On connaît d'autres dispositifs encore dans lesquels des cellules individuelles disposées sur l'étendue de la surface d'une puce de silicium présentent une isolation de jonction les unes vis-à-vis des autres ou peuvent présenter une isolation diélectrique, ainsi que cela est présenté dans les brevets US 4 227 098 et 4 390 790. Les dispositifs de la technique antérieure ont l'inconvénient d'être chers à fabriquer et d'avoir de faibles rendements de fabrication. Il est souhaitable de produire un générateur photovoltaïque qui soit capable de fournir un grand nombre de cellules isolées pouvant être connectées en série, de façon à produire un signal de mise en service pour un dispositif à grille commandée MOS de puissance, mais qui soit fabriqué aisément en utilisant des appareillages et techniques de traitement existants qui sont fiables. DESCRIPTION SUCCINCTE DE L'INVENTION 3 2729504 Conformément à la présente invention, des cellules photogénératrices planes à isolation diélectrique sont formées dans une plaquette de silicium mince et plane, à liaison diélectrique et constituée d'une plaquette de "manipulation" relativement épaisse qui présente une liaison d'oxyde avec une plaquette mince de dispositif (une couche réceptrice de jonctions) et est isolée de cette dernière. Des puits ou cuves individuels, plans et espaces, sont formés au moyen d'un agencement ordonné de tranchées qui forment des intersections et qui s'étendent à travers la couche mince de dispositif jusqu'à la région de liaison d'oxyde, io de façon à réaliser une isolation diélectrique totale de chacune des cuves. Chacune des cuves comporte une surface inférieure N+ et une région de contact supérieur N+ et une diffusion P+ définissant un agencement du type cellule solaire "P- sur N". Le contact supérieur N+ de chaque cellule est connecté au contact P+ d'une cellule adjacente, de façon à connecter5 chacune d'un nombre préfixe de cellules, par exemple 16 cellules en série. La surface supérieure du dispositif est alors exposée au rayonnement de sortie d'une DEL disposée d'une manière espacée, de façon à produire des tensions de sortie à partir de chacune des cellules. Ces sorties, connectées en série, produisent un signal qui peut commander la20 commutation d'un dispositif à grille commandée MOS. L'invention a pour objet un générateur photovoltaïque comprenant en combinaison une plaquette, constituée d'une première plaquette de manipulation plane et relativement épaisse et une seconde plaquette de réception de jonctions plane et relativement mince, caractérisé en ce que la première et la seconde plaquettes présentent une liaison l'une avec l'autre au moyen d'une mince couche de liaison diélectrique, la seconde plaquette étant une plaquette légèrement dopée présentant un 4 2729504 premier type de conductivité, tandis qu'une tranchée mince en forme de réseau maillé, qui s'étend de la surface extérieure de la seconde plaquette à la couche mince de liaison diélectrique, divise ladite plaquette en de multiples cuves électriquement isolées, la surface extérieure plane de chacune des cuves comportant une diffusion de relativement faible profondeur présentant le type opposé de conductivité et située dans cette surface, de sorte que le rayonnement qui atteint la jonction située entre la diffusion de faible profondeur et le corps de la matière légèrement dopée de la cuve produit une tension photovoltaïque de sortie, et des moyens o0 connecteurs prévus pour connecter la diffusion de faible profondeur d'au moins plusieurs des cuves à la matière légèrement dopée de cuves adjacentes. D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de l'invention qui se réfere aux dessins annexés. DESCRIPTION SUCCINCTE DES DESSINS La figure 1 représente une petite portion d'une plaquette de manipulation et d'une plaquette de dispositif qui présentent une liaison d'oxyde. La figure 2 représente la plaquette de la figure 1 après la formation de tranchées d'isolation servant à réaliser une séparation diélectrique de cellules ou cuves isolées et une délimitation de ces dernières. La figure 2a représente un détail de la tranchée d'isolation de la figure 2. La figure 3 représente la diffusion de régions P+ de faible profondeur et de contacts N+ qui sont espacés, dans la plaquette ou couche de dispositif de la figure 2. La figure 3a est une vue de dessus d'une portion de la plaquette de la figure 3 et représente un doigt N+ qui s'étend à partir de l'anneau de contact N+. La figure 4 représente une vue de dessus d'une portion du dispositif de la figure 3 après la formation de contacts servant à connecter les dispositifs en série. l o R RRRRLa figure 5 est une vue en coupe transversale de la structure de la figure 4 par la ligne de coupe 5-5 de cette figure 4. La figure 6 est une vue en coupe transversale d'une cellule d'un second mode de mise en oeuvre de la présente invention et est une coupe transversale par la ligne 6-6 de la figure 7. 15 La figure 7 est une vue en plan de dessus de la cellule de la figure 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES DESSINS Si on se reporte d'abord à la figure 1, il y est représenté une plaquette de départ qui est constituée d'une plaquette de manipulation N+ 10 et d'une couche de dispositif N- 11 qui a la même étendue et qui présente une liaison avec la plaquette de manipulation 10 au moyen d'une couche d'oxyde 12. La partie inférieure de la couche de dispositif N- 11, laquelle est très mince en comparaison de l'épaisseur de la plaquette de manipulation 10, contient une diffusion N+ 13 de faible profondeur qui est adjacente à la couche d'oxyde 12. Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, la plaquette de manipulation 10 peut avoir une épaisseur non critique 6 2729504 d'environ 375 à 525 micromètres et une concentration non critique élevée de porteurs N+. Une couche de métal 14 peut être disposée par-dessus la partie inférieure de la plaquette 10 à des fins d'assemblage. La couche ou plaquette de dispositif 11 est en silicium monocristallin et contient les diffusions définissant chacune des cellules photovoltaïques du dispositif. La couche 11 peut avoir une épaisseur d'environ 20 micromètres, bien qu'elle puisse être comprise dans l'intervalle de 5 à 50 micromètres, et une résistivité d'environ 2 à environ 12 ohms.centimètres. La couche de liaison diélectrique 12 a une épaisseur d'environ 0,45 micromètre et isole électriquement les plaquettes 10 et 11. D'autres épaisseurs d'oxyde peuvent être utilisées et sont choisies de façon à permettre un contrôle d'attaque ultérieure de tranchée afin de rendre l'attaque complète. MN'importe quel procédé connu voulu peut être utilisé pour assurer la liaison des plaquettes 10 et 11. De tels procédés sont par exemple décrits dans Wafer Bonding Technique, etc. par Abe et autres dans la publication Solid State Technology, novembre 1990, page 39, 40 et dans Silicon Wafer Bonding, etc. par Abe et autres dans Proceedings of 4th Intl. Symposium On Silicon-on-Insulator Technology and Devices, 6- 11 mai 1990, Montréal. Après formation de l'ensemble présentant une liaison de la figure 1, la plaquette 11 est traitée de façon à former une grille d'isolations en tranchée profonde 40 qui entourent et isolent chacune des régions de contact de collecteur N+ et qui s'étendent à travers la couche noyée N+ 13 jusqu'à la couche diélectrique 12. Des portions de la tranchée sont représentées en coupe transversale comme constituant des portions 40a, 7 2729504 b, 40c, 40d et 40e. Les tranchées créent dans la couche 11 des "cuves" à isolation diélectrique ayant chacune une aire superficielle d'environ 10 millièmes de pouce sur 10 millièmes de pouce, avec un intervalle de tranchée qui peut typiquement être de 20 à 25 micromètres. D'autres dimensions peuvent être utilisées. Une fois que le réseau ordonné de tranchées 40 est formé, on fait croître thermiquement sur ses parois intérieures un oxyde mince qui est représenté a la figure 2a comme constituant des couches d'oxyde 50 et 51, puis l'intervalle central situé entre elles est alors rempli de polysilicium o 52. Ainsi, de multiples cellules identiques de photogénérateur à isolation diélectrique sont formées dans la couche 11. L'épaisseur des oxydes (ou autres diélectriques) 50 et 51 est choisie de façon à rendre optimale la réflectance du rayonnement à l'endroit de l'interface avec le silicium 11 (ce qui améliore le rendement du dispositif). 1 5s Une fois formées les cuves à isolation diélectrique de la figure 2, des diffusions formant les cellules photovoltaïques sont réalisées dans la surface de la plaquette 11. Ainsi, en utilisant des techniques appropriées de photolithographie, il est formé dans la plaquette 11 un agencement ordonné de diffusions P+ de faible profondeur 20 à 24, de forme20 rectangulaire ou autre, et de diffusions de contact N+ 25 à 29, en forme d'anneau carré, qui entourent respectivement les diffusions P+ 20 à 24. D'une manière typique, pour une plaquette qui a 5 pouces de diamètre, 88 000 diffusions P+ espacées peuvent être formées sur toute l'étendue de la plaquette, de façon à réaliser environ 9 000 "dés". Il est évident que tous les types de conductivité P et N peuvent être inversés. Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les régions P+ 20 à 24 ont une profondeur de 2 micromètres et une surface de 8 2729504 9 millièmes de pouce sur 9 millièmes de pouce. Les régions P+ peuvent être formées au moyen d'une dose d'implant de bore de 5E18 par cm2, avec un pic de concentration de 5E 18 par cm3. Les anneaux N+ 25 à 28 ont une profondeur de 1 micromètre et une largeur de 0,5 millième de pouce et une circonférence intérieure de 34 millièmes de pouce. Les anneaux 25 à 28 peuvent être formés d'un implant d'arsenic à une dose de 8E 15 par cm2, avec un pic de concentration de 4E20 par cm3. Un doigt central de collecteur N+ 30, représenté à la figure 3a pour l'anneau 25. peut être disposé au centre deio chaque diffusion P+. Le doigt 30 peut avoir une largeur de 0,5 millième de pouce et une longueur d'environ 7 millièmes de pouce. Ainsi que cela est ensuite représenté à la figure 5, une couche d'oxyde 60 est déposée sur le dessus de la surface de la plaquette 1. Un masque de contact réalise alors un motif sur l'oxyde, de façon à former des ouvertures de contact donnant accès aux régions N+ et P+. Un métal de contact est ensuite déposé sur le dessus de la couche d'oxyde 60 et le métal est attaqué de façon à former des bandes de contact 70, 71, 72 et 73, représentées aux figures 4 et 5, de façon à connecter la diffusion P+ d'une cellule à la diffusion de contact N+ d'une cellule adjacente. 20 Une fois le dispositif complété, la plaquette peut être revêtue d'un revêtement transparent protecteur. La plaquette est ensuite découpée en "dés", en unités de 16 cellules connectées en série qui comportent des bornes à ergot de soudure respectives (non représentées), de façon à réaliser des dispositifs qui produisent 7 volts et 25 microamperes lorsqu'ils25 sont éclairés au moyen d'une LED. Ainsi, les dispositifs individuels peuvent être montés avec une LED 80 (à la figure 5) isolée de ces dispositifs, mais agencée de façon à produire un rayonnement qui éclaire la surface de la plaquette ou puce. La LED 80 est allumée au moyen d'une entrée appropriée appliquée à ses bornes 81 et 82 qui présentent une isolation diélectrique vis-à-vis des bornes de sortie de la puce. N'importe quelle LED convenable peut être utilisée. Si on le souhaite, la structure GPV décrite ci-dessus (à l'exception de la LED) peut être intégrée dans la même puce qui contient le dispositif à grille commandée MOS de puissance devant être commandée par la structure de photogénérateur. O10 Les figures 6 et 7 représentent un second mode de réalisation d'un agencement de cellules comportant une configuration de contact différente. Dans la description des figures 6 et 7, des repères identiques désignent des parties analogues à celles des figures 1 à 5. La séquence de traitement est aussi la même à l'exception de modifications décrites d'une manière spécifique. Ainsi, le dispositif des figures 6 et 7 utilise une diffusion P+ 100 de plus grande surface. En outre, dans le mode de réalisation des figures 6 et 7, la plaquette N- 11 a une concentration supérieure à environ 27 ohms.centimètres. La région P+ 100 possède une profondeur et une concentration identiques à celles des figures 2 à 5. En20 revanche, il n'est utilisé qu'une petite diffusion 101 de contact N+ qui est profonde de I micromètre, mais ne mesure que 0,5 millième de pouce sur 0,5 millième de pouce. En outre, les parois intérieures des tranchées 40 reçoivent un mince revêtement N+ 105, formé par exemple par diffusion à partir de POCI, jusqu'à une profondeur d'environ 5 micromètres et avec25 une concentration superficielle d'environ 2E 18 par cm3. Bien que la présente invention ait été décrite en liaison avec des modes de mise en oeuvre particuliers de cette invention, de o 2729504 nombreuses autres variations et modifications et d'autres utilisations seront évidentes pour les spécialistes en la matière. il l 2729504 REVENDICATIONS 1. Générateur photovoltaïque comprenant en combinaison une plaquette, constituée d'une première plaquette de manipulation (10) plane et relativement épaisse et une seconde plaquette de réception de jonctions (11) plane et relativement mince, caractérisé en ce que la première et la seconde plaquettes (10, 11) présentent une liaison l'une avec l'autre au moyen d'une mince couche de liaison diélectrique (12), la seconde plaquette (1 1) étant une plaquette légèrement dopée présentant un premier o0 type de conductivité (N-), tandis qu'une tranchée mince (40) en forme de réseau maillé, qui s'étend de la surface extérieure de la seconde plaquette (1 1) à la couche mince de liaison diélectrique (12), divise ladite plaquette en de multiples cuves électriquement isolées, la surface extérieure plane de chacune des cuves comportant une diffusion de relativement faible profondeur (20-24, 100) présentant le type opposé de conductivité (P+) et située dans cette surface, de sorte que le rayonnement qui atteint la jonction située entre la diffusion de faible profondeur (20-24, 100) et le corps de la matière légèrement dopée de la cuve produit une tension photovoltaïque de sortie, et des moyens connecteurs (70, 71) prévus pour connecter la diffusion de faible profondeur (20-24, 100) d'au moins plusieurs des cuves à la matière légèrement dopée de cuves adjacentes. 2. Générateur photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que les parois de la tranchée (40) sont revêtues d'une mince couche diélectrique (50, 51). 3. Générateur photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'il comporte. à la partie supérieure de chacune des cuves, une diffusion de contact (25-29), à concentration accrue, qui est 12 2729504 espacée latéralement de la diffusion (20-24) dudit autre type de conductivité. 4. Générateur photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en outre en ce que ledit premier type de conductivité est le type N. 5. Générateur photovoltaique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en outre en ce que la seconde plaquette contient une mince couche tampon (13), à concentration élevée, dudit premier type de conductivité et adjacente à la mince couche de liaison diélectrique (12). 6. Générateur photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en outre en ce que la tranchée contient un remplissage (52) de polysilicium entre les revêtements de matière diélectrique (50, 51). 7. Générateur photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en outre en ce que les parois opposées de la tranchée contiennent une diffusion de faible profondeur dudit premier type de conductivité. 8. Générateur photovoltaïque selon la revendication 3, du caractérise en outre en ce que la diffusion de contact (25-29) située dans chacune des cuves a une forme annulaire qui entoure la périphérie de la diffusion (20-24) dudit autre type de conductivité et est espacée de cette périphérie. 9. Générateur photovoltaïque selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diffusion de contact est un rectangle de petite surface (101) qui est espacé de la périphérie de la diffusion (100) dudit25 autre type de conductivité. 10. Générateur photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que chacune des cuves a une forme polygonale à l'endroit de sa surface supérieure.