Brevet FR2807569A1 — publié le 20011012

La présente invention est relative à un dispositif semi-conducteur et elle vise plus particulièrement des perfectionnements apportés à des dispositifs unipolaires tels que par exemple des diodes, notamment du type Schottky, ou du type "JBS rectifier" (Junction Barrier controlled Schottky rectifier). En effet, les diodes Schottky sont basiquement constituées d'un métal ou d'un alliage métallique placé sur un semi-conducteur. Classiquement, la diode est constituée d'une région active de type N ou de type P, placée sur une région de même type, c'est-à-dire N ou P, mais beaucoup plus fortement dopée. Le métal réalisant le contact Schottky constitue l'anode, tandis que l'autre face du substrat qui est métallisée et qui constitue un contact ohmique, s'appelle la cathode. On a l'habitude de définir pour les diodes, et notamment pour les diodes Schottky, deux types de fonctionnement, l'un en état bloqué, l'autre en état passant. Chacun de ces états est défini par ailleurs par une caractéristique de fonctionnement : la tenue tension pour l'état bloqué et la chute de tension pour l'état passant Ainsi, la tenue en tension soutenue en inverse (état bloqué) dépend du dopage de la zone de type N ou de type P, et plus celui-ci est faible, plus la tenue en tension est élevée. Pour les diodes Schottky connues de l'art antérieur, fonctionnant en état bloqué, classiquement la limite de la tenue en tension se situe aux environs de 100 volts. La chute de tension à l'état passant est en fait la somme la chute de tension dans la charge de couche de semi-conducteur associée à la barrière Schottky, et de la chute de tension ohmique dans le semi-conducteur volumique. Les valeurs de chute de tension communément rencontrées pour les diodes Schottky fonctionnant en état passant sont de l'ordre de 0,5 volt. Afin d'améliorer les caractéristiques de fonctionnement tant dans l'état bloqué que dans l'état passant diodes Schottky, on a été amené à concevoir des diodes Schottky de type JBS rectifier. Ces diodes de deuxième génération sont globalement structurellement identiques aux diodes Schottky précédentes, mais s'en distinguent néanmoins par le fait qu'elles comportent des inserts semi-conducteurs de types contraires au type de couche semi-conducteur associée à la barrière Schottky Cette disposition permet de limiter le mécanisme réduction de la barrière Schottky sous haute tension appliquée de limiter le courant inverse de la diode. Classiquement, la capacité en tenue en tension de ces dispositifs peut atteindre 200 volts environ et la chute tension, en état passant, est de l'ordre de 0. volt. présente invention vise donc à pallier inconvénients des dispositifs connus de l'art antérieur, en proposant des perfectionnements apportés à ces dispositifs qui permettent d'obtenir des caractéristiques fonctionnement améliorées, tant en régime bloqué qu'en régime passant. A cet effet, le dispositif de substrat semi conducteur objet de l'invention, comprenant au moins une couche dopée d'un premier type ou d'un second type de conduction reliée à au moins une électrode par l'intermédiaire d'au moins une surface principale, se caractérise en ce qu'il comporte une pluralité d'îlots second type ou de premier type de conduction, lesdits îlots étant incorporés dans ladite couche dopée de manière a permettre soit une réduction d'un champ électrique global par un mecanisme de répartition de celui-ci au niveau chacun des îlots, soit le passage d'un courant provenant d'une électrode entre les îlots en régime de fonctionnement direct. D'autres caractéristiques et avantages de présente invention ressortiront de la description faite ci- après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 illustre la structure d'une diode Schottky ; - la figure 2 illustre la structure d'une diode JBS rectifier ; - la figure 3 illustre la répartition du champ électrique dans exemple d'une structure comportant un îlot flottant volumique ; - la figure 4 montre l'évolution de l'ordre de grandeur du dopage en fonction du nombre d'îlots contenus dans un dispositif semi-conducteur objet de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe illustrant un dispositif semi-conducteur du type diode Schottky, selon l'invention ; - la figure 6 illustre l'évolution de l'ordre de grandeur de la résistance série en fonction de la tenue en tension inverse pour différents nombres d'îlots flottants ; - la figure 7 illustre quelques formes géométriques d'îlots flottants ; - la figure 8 est une vue en coupe illustrant un dispositif semi-conducteur, du type diode Schottky JBS. Selon un premier mode préféré de réalisation du dispositif semi-conducteur objet de l'invention (se reporter aux figures 1 et 5), celui-ci comporte un substrat semi-conducteur ayant deux surfaces principales 4, 5 disposées en opposition l'une par rapport à l'autre. Le substrat semi-conducteur 1 est composé d'une première région semi-conductrice 2, 3 d'un premier type de conduction ayant une première couche 2 dopée de type N (premier type ou donneur) ou dopée de type P (deuxième type ou accepteur), et une seconde couche 3 dopée de type N (premier type ou donneur) ou dopée de type P (deuxième type accepteur), la première couche 2 de premier type ou de second type, est disposée de manière à être adjacente à la première surface principale 4, tandis que la seconde couche 3, de premier ou de second type, est disposée de manière à être adjacente à la seconde surface principale 5. Néanmoins le substrat semi-conducteur comporte une première couche 2 et une seconde couche 3 qui sont de types identiques, c'est-à-dire toutes les deux de premier type ou de second type. La seconde surface principale 5 coopère également avec une première électrode 6 qui est agencée de manière à être en contact ohmique avec la seconde couche 3. Cette électrode 6 réalisée dans un métal constitue la cathode dispositif semi-conducteur objet de l'invention. La première surface principale 4 est recouverte d'une part avec un film périphérique 7 à base notamment d'oxyde et est agencée de manière à être en contact ohmique avec la première couche 2 au niveau d'une électrode centrale 8. Cette électrode centrale 8 forme l'anode du dispositif et est réalisée au moyen d'un matériau formant un contact de type Schottky, avec le semi-conducteur. Ce matériau est choisi parmi notamment le molybdene, le tungstène le platine, le palladium ou équivalent, il peut s'agir encore d'alliage métallique (siliciure....). Cette électrode 8 est agencée de manière à être adjacente avec le film périphérique 7 et forme une barrière Schottky avec la première couche 2, au niveau de la zone sensiblement centrale du substrat semi-conducteur 1. Selon une autre caractéristique la seconde couche 3 de premier type ou de second type présente un dopage plus important, en termes de quantité d'impuretés introduites dans la couche, par rapport à la première couche de premier ou de second type. On peut noter par exemple que les impuretés introduites dans la couche de premier type seront notamment de l'arsenic, du phosphore, tandis que les impuretés introduites dans la couche de second type seront notamment du bore. Selon un deuxième mode préféré de réalisation du dispositif semi-conducteur objet de l'invention (se reporter aux figures 2 et 8), celui-ci comporte un substrat semi-conducteur 1 identique dans sa constitution au dispositif semi-conducteur 1 tel que décrit dans le premier mode préféré de réalisation, et diffère de celui-ci en ce qu'il comporte, dans la première couche 2 de premier type (N) ou de second type (P), une pluralité régions semi conductrices 10 de type contraire de conduction à celles qui l'entoure, la pluralité de régions 10 s'etendant depuis la première surface principale 4 et depuis l'électrode 8 jusqu'à l'intérieur de la première couche 2 Selon un troisième mode préféré réalisation du dispositif semi-conducteur objet de l'invention, celui-ci comporte de manière beaucoup plus générale un substrat semi-conducteur 1 comprenant au moins une couche 2 ou 3 de premier type ou de second type de conduction dans laquelle et selon une caractéristique avantageuse de 'invention, on incorpore ou on inclut au sein de la couche 2 du substrat semi-conducteur 1 de premier type ou de second type, une pluralité d'îlots 9 de type contraire à celui du semi conducteur dans lequel ils sont placés. Ainsi, ces îlots 9 peuvent être de premier type (N) ou de second type (P). Ces îlots sont disposés au sein d'au moins couche 2 par des techniques d'épitaxie localisée, d'épitaxie par couches successives, par implantation ionique à haute énergie, par MBE (Molecule Beam Epitaxy) en association avec des procédes de photolithographie par masquage des procédés classiques (oxydation, diffusion thermique, implantation ionique à basse énergie). Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, ces îlots 9 peuvent prendre des profils variés (carré rectangle, triangle, cercle, hexagone, octogone, ou plus genéralement polygone...) ou être disposés sous forme de bandes de motifs homogènes ou panachés, se superposant éventuellement mutuellement suivant les couches ou étant positionnés de manière aléatoire, pouvant ainsi, suivant la forme motifs, présenter des zones de recouvrement dans l'épaisseur des couches superposées. îlots 9 peuvent être alignés ou non alignés, équidistants ou non équidistants, homogènes ou non homogènes, du point de vue de leurs directions caractéristiques (épaisseur, longueur et largeur). îlots 9, de premier type ou de second type, peuvent présenter un dopage uniforme ou un dopage non uniforme : il peut exister ainsi un gradient de dopage ou ce dopage peut être réparti selon une loi gaussienne ou une autre distribution. Selon encore une autre caractéristique, les îlots 9 peuvent présenter une forme géométrique, lorsqu'ils possèdent une section polygonale, qui s'arrondit dans les coins. titre d'exemples, on pourra se reporter la figure 7 qui illustre différentes configurations d'îlots 9. En outre, un îlot 9 peut présenter dans l'une de ses directions caractéristiques, une dimension comprise par exemple dans un intervalle de 2 à 100 Mm, et dans l'autre de ses directions caractéristiques, une dimension comprise par exemple dans un intervalle de 2 à 10 Mm, soit pratiquement dans un rapport de 1 à 10 entre les deux directions caractéristiques. Par ailleurs, on prévoit de disposer par unite de surface d'une couche 2 d'un substrat semi-conducteur, et de l'invention, entre 1 et n nombres d'îlots 9, n pouvant être compris entre 1 et 50 et plus précisément entre 1 et 30, et préférentiellement entre 1 et 20. L'inclusion d'une pluralité d'îlots 9 dopés au sein d'une couche 2 du substrat semi-conducteur 1 de premier type ou de second type, permet de créer, en régime de fonctionnement inverse (état bloqué), une réduction du champ électrique global par un mécanisme de répartition de celui-ci au niveau de chacun des îlots. Dans une telle structure (cf. figure 3), le champ électrique est divisé par le nombre d'îlots et la tenue en tension inverse est donc accrue. On démontre également que pour une tenue en tension fixée, le dopage de la couche dans laquelle sont incorporés les îlots est une fonction croissante du nombre d'îlots (cf. figure 4). En régime de fonctionnement direct (état passant) et afin de permettre le passage du courant entre l'anode et la cathode, les îlots 9 se présentent sous la forme de réseaux espacés (cf. figure 5). Sur cette figure, qui illustre une coupe d'un dipôle du type par exemple une diode Schottky selon l'invention, on a représente la zone 3 de semi-conducteur de premier ou de second type en contact ohmique avec la cathode, l'autre zone de semi-conducteur 2 de premier ou de second type, formant une barrière Schottky avec l'anode et dans laquelle est incluse pluralité d'îlots 9. Ces îlots 9 sont constitués notamment par des bandes semi-conductrices de premier type ou de second type le choix du type des îlots 9 étant cependant du type contraire par rapport au type de la couche de semi conducteur dans laquelle ils sont inclus. L'inclusion des îlots 9 dans le substrat de semi conducteur n'est donc pas continu et elle présente donc des espaces inter-îlots par lesquels le courant peut circuler entre l'anode et la cathode. Compte tenu que globalement le dopage de la zone de conduction est plus élevé que dans un dispositif standard, il en résulte une diminution de la résistivité et donc de la résistance, ce qui conduit à une chute de tension plus faible A titre d'exemple, on pourra se reporter à la figure 6 qui montre l'évolution de la valeur de la résistance série créée dans la région au sein de laquelle sont incorporés les îlots, en fonction de la tenue en tension inverse du dipôle ; dans cet exemple, le dipôle est une diode Schottky. A partir de cette figure 6, on peut en déduire que plus le nombre d'îlots est important, plus la résistance diminue, et par exemple, les dipôles selon l'invention (notamment les diodes Schottky) possédant des îlots , ayant une tenue en tension inverse de l'ordre de 600 volts, présentent des performances de résistance série et donc de chute de tension directe, identiques aux diodes Schottky de 100 volts de tenue en tension selon l'art antérieur. Les mécanismes de fonctionnement précédemment étudiés pour un dipôle notamment du type diode Schottky comportant une pluralité d'îlots flottants, sont identiques lorsque ces îlots se trouvent inclus dans une structure de dipôle de type par exemple diode Schottky JBS, et les valeurs de fonctionnement, tant en régime bloqué qu'en régime passant, pour un tel dipôle (cf. figure 8), sont identiques à celles trouvées pour des dispositifs équivalents de l'art antérieur, mais pour une valeur de tenue en tension inverse qui est de l'ordre de 600 volts (100 à 200 volts environ pour les dispositifs de l'art antérieur). Les principales applications envisagées utilisant cette nouvelle structure de substrat semi-conducteur sont notamment dans le domaine du redressement de courant (alternatif/continu), ou en tant que diode de roue libre en montage intégré ou en montage discret avec un autre composant qui assure une fonction d'interrupteur de puissance (commande des bobines ou bras de pont, hacheur, onduleur...). Ce substrat peut trouver notamment des développements dans le domaine de l'éclairage (ballast électronique). On peut également utiliser ce composant électronique au niveau de la commande des moteurs, de l'électronique automobile (composant redresseur pour alternateur, ou composant intégré dans les circuits intégrés de puissance. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de substrat semi-conducteur (1) comprenant au moins une couche (2, 3) dopée d'un premier type ou d' second type de conduction reliée à au moins une électrode (6, 8) par l'intermédiaire d'au moins une surface principale (4, 5), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'îlots (9) de second ou de premier type de conduction lesdits îlots (9) étant incorpores dans ladite couche (2) dopée de manière à permettre, soit une réduction d'un champ électrique global par un mécanisme de répartition de celui-ci au niveau de chacun des flots (9), soit le passage d'un courant provenant d' électrode (6, 8) entre les îlots (9) en régime de fonctionnement direct. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semi conducteur (1) ayant deux surfaces principales (4, 5), ledit substrat semi-conducteur (1) étant composé de la couche (2) et de la seconde couche (3) adjacente à la surface principale (5), tandis que la couche (2) est disposée de manière à être adjacente la surface principale (4), la surface principale (5) coopérant également avec l'électrode (6) qui est agencée de manière à être en contact ohmique avec la couche (3), la surface principale (4) coopérant d'une part avec un film périphérique (7) de manière à être en contact ohmique avec la couche (2) et d'autre part l'électrode centrale (8) agencée de manière à être adjacente avec le film périphérique (7) et forme une barrière Schottky avec la couche (2), la couche (2) étant pourvue par leurs de la pluralité d'îlots (9). 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, dans la couche (2) de premier type (N) ou de second type (P), une pluralité de régions semi-conductrices (10) de type contraire de conduction celles qui l'entoure, la pluralité de régions (10) s'étendant depuis la surface principale (4) et depuis l'électrode (8) jusqu'à l'intérieur de la couche (2). 4 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pluralité d'îlots (9) est de type contraire à celui du semi conducteur dans lequel ils sont placés. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les îlots sont de profils variés. - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les îlots (9) sont disposés sous forme de bandes de motifs homogènes ou panachés se superposant éventuellement mutuellement suivant les couches ou étant positionnés de manière aléatoire, pouvant ainsi, suivant la forme des motifs, présenter des zones de recouvrement dans l'épaisseur des couches superposées. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots ) sont alignés. 8 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots (9) sont non alignés. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots (9) sont équidistants. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots sont non équidistants. 11 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots ) sont homogènes. 12 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les îlots ) sont non homogènes. 13 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les îlots (9) présentent un dopage uniforme. 14 - Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les îlots 9) présentent un dopage non uniforme. 15 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les îlots (9) présentent une forme géométrique qui s'arrondit dans coins. 16 - Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on prévoit de disposer par unité de surface d'une couche (2) d'un substrat semi-conducteur (1) entre 1 et n nombres d'îlots (9), pouvant être compris entre 1 et plus de 20. 17 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'ils possèdent une tenue en tension inverse de 600 volts. 18 - Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que dispositif est utilisé dans le domaine du redressement de courant. 19 - Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que dispositif est utilisé en tant que diode de roue libre en montage intégré ou en montage discret avec le composant interrupteur de puissance. 20 - Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que dispositif est utilisé dans le domaine de l'éclairage. 21 - Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que dispositif est utilisé au niveau de la commande des moteurs, de l'électronique automobile.