Brevet FR2793953A1 — publié le 20001124

CAPACITE THERMIQUE POUR COMPOSANT ELECTRONIQUE FONCTIONNANT EN IMPULSIONS LONGUES L'invention concerne un dispositif à capacité thermique pour composants électroniques fonctionnant en impulsion longue. Elle est plus particulièrement applicable aux transistors bipolaires à hétérojonction et notamment à de tels transistors fonctionnant en hyperfréquences. Les composants hyperfréquences fonctionnant en impulsions d'une durée de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micro secondes voire, au-delà de la milli seconde sont utilisés pour réaliser des équipements du type radars de contrôle de trafic aérien. Dans de tels composants, la température de la jonction varie au cours de l'impulsion, elle s'élève d'abord proportionnellement à la racine du temps pour atteindre un palier haut si la durée est suffisamment longue, elle redescend ensuite à la fin de l'impulsion avec la même rapidité pour atteindre un palier bas si le duty cycle est nettement plus petit que l'unité. L'élévation maximale de température ATmax de la partie active du composant que l'on peut appeler la jonction, pendant une impulsion de longueur,r est de la forme ATmax x ATpulse + D ATcw, où D est le rapport cyclique, ATpuise l'élévation de température dans l'impulsion, et ATcw l'élévation de température qui correspondrait à un fonctionnement continu du composant avec le même niveau de puissance. L'élévation de température de la jonction pendant une impulsion de fonctionnement d'une durée T générant une puissance thermique Pth sur une surface S est : 1/2 ATpuise (Pth/S).(T/#..P.cp) où 2. représente la conductivité thermique du matériau considéré p sa masse volumique et cp sa capacité calorifique La profondeur de pénétration de la chaleur dans le matériau semiconducteur pendant la durée d'une impulsion appelée longueur de diffusion thermique est : 1/2 L (T.#/p.cp) L'énergie thermique générée pendant l'impulsion est 1/2 Eth 0,5.S.#..p.cp) ATpuise, 1/2 où (k.p.cp) représente l'effusivité thermique du matériau considéré, c'est-à-dire son aptitude à évacuer rapidement la chaleur de l'endroit où elle est générée. Un transistor bipolaire à hétérojonction (HBT) élémentaire est composé d'un émetteur, d'une base et d'un collecteur. Ce type de transistor comprend (voir figure 1) - un substrat S semi-isolant en GaAs ; - une couche de sous-collecteur SC en GaAs dopée n (concentration typiquement de l'ordre de 4.1 0 18 cm-3 ; - une couche de collecteur C en GaAs dopée n (concentration typiquement de l'ordre de 2.10 16 cm-3) GaInP ou autre semiconducteur; - une couche de base B en GaAs dopée p (concentration typiquement de l'ordre de 7.10 19 cm-3 ) ; - une couche d'émetteur E en GaInP dopée n (concentration typiquement 3.10 17 cm-3 ). Sur la couche de sous-collecteur SC sont réalisés des contacts de collecteur CC1 et CC2, sur la couche de base B sont réalisés des contacts de base C131 et CB2, et sur la couche d'émetteur E, un contact d'émetteur CE. Un transistor HBT de puissance hyperfréquence est constitué d'un grand nombre de modules élémentaires montés en parallèle. Afin d'homogénéiser l'écoulement de la chaleur au travers du substrat, les émetteurs de quelques microns de largeur, typiquement deux microns sont séparés de quelques dizaines de microns, typiquement la trentaine de microns. Il est connu sur une telle structure de superposer un shunt thermique tel que cela est décrit dans la demande de brevet français no 97 06682. Ce shunt thermique évacue une partie de la chaleur générée par le haut de l'émetteur pour l'évacuer ensuite au travers de l'espace libre entre deux transistors élémentaires espacés, typiquement d'une dizaine de microns. Ainsi, nous pouvons considérer que la surface à prendre en compte pour évacuer la chaleur est bien supérieure à la surface totale des doigts d'émetteurs, elle se rapproche de la surface qui enveloppe toute la zone couverte par les transistors. Quand un transistor à hétérojonction fonctionne en impulsions longues (typiquement supérieures à 100 micro secondes, l'élévation de sa température pendant une impulsion peut être voisine ou supérieure à 1 OOOC, il s'ensuit un certain nombre d'inconvénients : 1) la puissance maximale autorisée est souvent limitée par la température atteinte pendant une impulsion plutôt que par la puissance moyenne à évacuer; 2) la puissance diminue quand la température s'élève 3) la phase évolue quand la température s'élève. L'invention a pour objet une solution permettant de limiter l'amplitude de l'augmentation de la température et d'atteindre très rapidement un régime établi. L'invention concerne donc un composant électronique comportant sur un substrat, un premier empilement de couches différentes déterminées en forme de mésa terminé à sa partie supérieure par une couche de contact électrique, laquelle est revêtue par une couche conductrice de l'électricité et de la chaleur surmontée par un élément dissipateur thermique en contact avec ladite couche conductrice, caractérisé en ce que l'élément dissipateur thermique est de forme plane et en ce que le composant comporte au moins un plot constitué d'un deuxième empilement de couches similaires auxdites couches déterminées et revêtue également par ladite couche conductrice de l'électricité et de la chaleur, ledit élément dissipateur étant en contact également avec la couche conductrice de la chaleur et de l'électricité de façon à conduire la chaleur de l'élément dissipateur vers le substrat. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un transistor bipolaire à hôtérojonction comportant les phases suivantes : réalisation sur un substrat de l'alternance de couches suivantes avec les matériaux indiqués à titre d'exemple entre parenthèse : - couche de sous-collecteur (GaAs : n+) - couche de collecteur (GaAs : p) - couche d'émetteur (GalnP : n) gravure des différentes couches ci-dessus de façon à réaliser les transistors élémentaires ainsi que des plots ; réalisation des contacts de base et de collecteur; # remplissage, à l'aide d'un matériau isolant, des espaces libres entre les transistors et les plots et planification de façon à obtenir une surface affleurant les faces supérieures des transistors et des plots ; # dépôt d'une couche constituant un drain thermique faisant contact avec les faces supérieures des transistors et des plots ; # fixation d'une plaque de dissipation thermique en contact avec la couche de drain thermique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent : - la figure 1, des transistors HBT connus dans la technique et décrits précédemment ; - la figure 2, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention ; - la figure 3, un exemple de réalisation de l'invention appliqué à plusieurs transistors HBT ; - la figure 4, une variante de l'exemple de réalisation de la figure 2. En se reportant à la figure 2, on va donc maintenant décrire un exemple de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte, réalisé sur un substrat 1, un transistor constitué d'un ensemble de transistors élémentaires 2.1 à 2.4. Chaque transistor élémentaire est constitué d'un empilement de couches telles que décrites en relation avec la figure 1. Ces transistors élémentaires sont réalisés collectivement de telle sorte que leurs parties supérieures terminées chacune par un contact d'émetteur e.1 à e.3 sont toutes quasiment au même niveau. Selon l'invention, de chaque côté de l'ensemble de transistors élémentaires (ou au moins d'un côté) sont réalisés des plots Pl et P2. Préférentiellement, ces plots sont réalisés en même temps, dans les mêmes couches et selon les mêmes techniques que les transistors élémentaires 2.1 à 2.4. Ils ont alors la même forme que ces transistors et la même hauteur. Les espaces entre les transistors élémentaires et entre ces transistors élémentaires sont remplis d'un matériau isolant dont la partie supérieure est plaquée et affleure les parties supérieures des transistors élémentaires et des plots. L'ensemble présente une face supérieure 6 qui est plane. Sur la face supérieure 6 est placée une plaque bonne conductrice de la chaleur. De préférence, cette plaque de dissipation thermique est donc plane. Cette plaque est en contact avec les parties supérieures des transistors élémentaires et des plots, voire même elle est brasée à ces parties supérieures. Dans ces conditions, la chaleur des transistors sera stockée dans la plaque durant chaque impulsion, puis se dissipera vers le substrat 1 par les plots Pl et P2. Selon un mode de réalisation préféré, la plaque 3 est en diamant. Elle peut être brasée aux faces supérieures des transistors et des plots à l'aide d'un alliage à base d'étain. La figure 3 représente un mode de réalisation comportant plusieurs transistors TR1 à TRI La plaque de dissipation thermique peut être commune à tout ou partie des transistors. On peut prévoir des plots tels que Pl, P2 de chaque côté du transistor mais cela n'est pas obligatoire comme cela a été représenté pour les transistors TR2 et TRI Selon la figure 4, on a prévu entre la plaque de dissipation thermique, une couche 4 constituant un shunt thermique en contact avec les parties supérieures des transistors et des plots. Cette couche est de préférence métallique, en or par exemple. La plaque de dissipation thermique 3 est alors brasée à cette couche 4. Ainsi, selon l'invention, la plaque de dissipation thermique 3 remplit le rôle d'une capacité thermique sur les transistors bipolaire à hétérojonction pour absorber rapidement la quasi totalité de la chaleur générée pendant une impulsion plus vite que ne le fait le matériau semiconducteur lui-même qu'il soit à base d'arséniure de gallium, de phosphure d'indium, ou même de silicium ou encore de silicium germanium, voire même de carbure de silicium. L'invention consiste donc plus précisément à braser au-dessus du shunt thermique 4 un parallélépipède 3 en diamant synthétique polycristallin, poli et métallisé sur la face en contact avec le shunt thermique 4. Selon une autre variante de réalisation, le dissipateur thermique peut être réalisé par croissance d'un matériau possédant une effusivité thermique proche du diamant. 1/2 L'effusivité thermique {(X.p.cp) 1 du diamant est environ 8 fois supérieur à celle de l'arséniure de gallium comme on peut le calculer à partir du tableau ci-dessous. Conductivité Chaleur Densité p Matériau thermique X spécifique C. Eff usivité (W/CM'C) (Joule/gramme) (gramme/cM3) GaAs 0,3 0,3 5,3 0,68 Silicium 0,83 0,7 2,33 1,16 Diamant 110 10,52 3,52 14,27 L'épaisseur du diamant doit être voisine ou supérieure à la longueur de la diffusion thermique L pendant une impulsion 'r, soit égale ou supérieure à 450 microns pour une impulsion de 200 microsecondes. Ainsi, si l'on considère comme négligeable l'épaisseur du shunt thermique 4 et son effet en transitoire, à l'interface or/arséniure de gallium, la température est la même par continuité et les quantités de chaleur qui sont évacuées de part et d'autre sont proportionnelles à leurs effusivité thermiques. Si ATO et AT1 sont respectivement les élévations de températures de la jonction pendant une impulsion avec d'une part le dispositif seul avec son shunt thermique et d'autre part le dispositif sur lequel un parallélépipède de diamant a été intimement brasé, collé ou soudé, nous avons : AT1 et ATO.eff usivitéGaAs/(eff usivitéGaAs + eff usivitédiamant) soit environ ATC)/9. La chaleur ainsi stockée dans le parallélépipède de diamant 4 pendant une impulsion est ensuite évacuée entre deux impulsions en repassant par le shunt d'or au travers du matériau semiconducteur 5 et 5' qui peut être de l'arséniure de gallium comme dans le cas pris en exemple. Comme le temps entre deux impulsions est typiquement dix fois plus grand que celui d'une impulsion, cette évacuation contribue peu à la résistance thermique de l'ensemble. En mode continu, il est possible selon l'invention de réduire considérablement la résistance thermique d'un transistor bipolaire à shunt thermique. Ainsi, il est possible de connecter la capacité thermique décrite précédemment à la masse thermique du transistor sur une plus large base afin d'évacuer plus commodément la chaleur moyenne générée par le transistor. Il faut dans ce cas appuyer le parallélépipède de diamant sur deux piliers d'arséniure de gallium laissés à la même hauteur que les émetteurs au moment de la gravure de ces derniers. La résistance thermique est alors inversement proportionnelle à la surface que l'on peut accorder à la construction de ces piliers. Un composant tel que représenté en figure 2 peut être réalisé selon le procédé suivant : réalisation sur un substrat (1) de l'alternance de couches suivantes avec les matériaux indiqués à titre d'exemple entre parenthèse : - couche de sous-collecteur (GaAs : n+) - couche de collecteur (GaAs : p) - couche d'émetteur (GaInP : n) # gravure des différentes couches ci-dessus de façon à réaliser les transistors élémentaires 2.1 à 2.4 ainsi que les plots Pl et P2; # réalisation des contacts de base (C131, C132) et de collecteur (CC1, CC2) ; # remplissage, à l'aide d'un matériau isolant, des espaces libres entre les transistors et les plots et planification de façon à obtenir une surface affleurant les faces supérieures des transistors et des plots ; # dépôt d'une couche constituant du drain thermique faisant contact avec les faces supérieures des transistors et des plots -, # fixation d'une plaque de dissipation thermique en contact avec la couche de drain thermique. Les avantages de notre procédé sont les suivants par rapport aux solutions classiques : - Réduction de la température de üonction) fonctionnement - Diminution de la variation de la température de jonction dans les impulsions - Perturbation limitée de l'environnement électromagnétique du composant permettant des adaptations rapides de designs - Amélioration attendue de la fiabilité en liaison avec la température plus basse de fonctionnement - Amélioration de la stabilité de la phase pendant les impulsions - Augmentation de la puissance (Pout) maximale utilisable - Amélioration de la fiabilité L'invention a été décrite sous la forme d'applications aux transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) mais elle est applicable à tout autre type de composant. REVENDICATIONS 1. Composant électronique comportant sur un substrat, un premier empilement de couches différentes déterminées en forme de mésa terminé à sa partie supérieure par une couche de contact électrique, laquelle est revêtue par une couche conductrice de l'électricité et de la chaleur surmontée par un élément dissipateur thermique en contact avec ladite couche conductrice, caractérisé en ce que l'élément dissipateur thermique est de forme plane et en ce que le composant comporte au moins un plot constitué d'un deuxième empilement de couches similaires auxdites couches déterminées et revêtue également par ladite couche conductrice de l'électricité et de la chaleur, ledit élément dissipateur étant en contact également avec la couche conductrice de la chaleur et de l'électricité de façon à conduire la chaleur de l'élément dissipateur vers le substrat. 2. Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier empilement de couches constitue un transistor bipolaire à hétérojonction. 3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor bipolaire à hétérojonction comporte plusieurs premiers empilements disposés côte à côte, la couche conductrice de l'électricité et de la chaleur ainsi que le dissipateur thermique étant commun aux empilements d'un même transistor et ledit plot étant également commun aux empilements du transistor. 4. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux plots situés de part et d'autre du transistor. 5. Composant selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le dissipateur thermique est une plaque de diamant. 6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque de diamant est brasée auxdits empilements du transistor et aux plots. 7. Composant selon la revendication 6, caractérisé en ce que la brasure est réalisée à l'aide d'un alliage à base d'étain. 8. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau isolant entre les empilements de couches et entre les empilements de couches et les plots, ledit matériau isolant affleurant la face supérieure des couches de contact des empilements de façon que l'ensemble constitue une surface plane. 9. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque de diamant est en diamant polycristallin et que sa face en contact avec les empilements de couches et les plots est métallisée. 10. Composant selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dissipateur thermique est réalisé par croissance d'un matériau possédant une effusivité thermique proche du diamant. 11. Procédé de réalisation d'un transistor bipolaire à hétérojonction comportant les phases suivantes : réalisation sur un substrat (1) de l'alternance de couches suivantes avec les matériaux indiqués à titre d'exemple entre parenthèse : - couche de sous-collecteur (GaAs : n+) - couche de collecteur (GaAs : p) - couche d'émetteur (GaInP : n) gravure des différentes couches ci-dessus de façon à réaliser les transistors élémentaires 2.1 à 2.4 ainsi que les plots Pl et P2; # réalisation des contacts de base (C131, C132) et de collecteur (CC1, CC2) ; # remplissage à l'aide d'un matériau isolant, des espaces libres entre les transistors et les plots et planification de façon à obtenir une surface libre affleurant les faces supérieures des transistors et des plots ; # dépôt d'une couche constituant du drain thermique faisant contact avec les faces supérieures des transistors et des plots ; # fixation d'une plaque de dissipation thermique en contact avec la couche de drain thermique.