Brevet FR2815173A1 — publié le 20020412

La présente invention concerne un composant limiteur de courant, destiné à être connecté en série dans une branche de circuit dont on souhaite limiter le courant, un dispositif de limitation de courant utilisant un tel composant limiteur de courant, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce composant limiteur de courant. Il est connu de la demande de brevet internationale WO- 98/59377 un composant limiteur de courant, comportant un élément en carbure de silicium dans lequel des couches de type P, s'étendant dans une couche de type N, délimitent des canaux que le courant qui traverse ce composant est obligé d'emprunter. Lorsque ce courant augmente en intensité, les zones d'appauvrissement en porteurs libres, qui se développent à partir des jonctions P-N, progressent à l'intérieur des canaux. Le courant maximal, ou courant de saturation, est sensiblement atteint lorsque ces zones appauvries en porteurs libres étranglent complètement ces canaux. La valeur de ce courant maximal dépend des caractéristiques constructives du composant, par exemple des dimensions des canaux. Pour chaque valeur de limitation de courant souhaitée, il faut donc concevoir et fabriquer un composant spécifique. L'invention, qui vise à remédier à cet inconvénient, a pour but de proposer un composant dont la valeur de limitation de courant est réglable à l'intérieur d'une plage spécifique à ce composant. A cet effet, l'invention a pour objet un composant limiteur de courant comportant un élément en semi-conducteur à large bande interdite, cet élément en semi-conducteur comprenant : - une première région de semi-conducteur, reliée à une électrode de source, et, directement ou indirectement, à une électrode de drain, - au moins une deuxième région de semi-conducteur, reliée à l'électrode de source, et formant une jonction P-N avec ladite première région de semi-conducteur, - au moins une troisième région de semi-conducteur, formant une jonction P-N avec ladite première région de semi- conducteur, lesdites deuxième et troisième régions de semi-conducteur délimitant entre elles, dans ladite première région de semiconducteur, un canal de circulation du courant entre les électrodes de source et de drain, caractérisé en ce qu'il comporte une électrode de commande électriquement connectée à ladite troisième région de semi-conducteur pour appliquer, entre cette troisième région de semi-conducteur et l'électrode de source, une tension de commande de la valeur de limitation de courant obtenue avec ce composant. Selon d'autres caractéristiques de ce composant limiteur de courant : - sa valeur de limitation de courant baisse lorsqu'est augmentée, en valeur absolue, la tension de commande ; - l'électrode de source est reliée à la première région de semi-conducteur par une première couche, de contact ohmique ; - les électrodes de source et de commande sont connectées sur une première face de l'élément en semiconducteur, opposée à une deuxième face de cet élément en semi-conducteur, sur laquelle est connectée l'électrode de drain ; - la deuxième région de semi-conducteur présente la forme d'une deuxième couche, partiellement enterrée à l'intérieur de la première région de semi-conducteur, sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur ; - la troisième région de semi-conducteur présente la forme d'une troisième couche, partiellement enterrée à l'intérieur de la première région de semi-conducteur, sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur ; - le canal de circulation du courant est délimité par deux bords respectifs des deuxième et troisième couches partiellement enterrées sensiblement à la même profondeur, ces deux bords étant en vis-à-vis l'un de l'autre ; - une quatrième couche, de diélectrique, s'étend sur ladite première face de l'élément en semi-conducteur, entre l'électrode de source et l'électrode de commande ; - la première région de semi-conducteur est reliée à l'électrode de drain par un substrat présentant la forme d'une cinquième couche ; - le semi-conducteur est du carbure de silicium dopé ; - le semi-conducteur est du diamant dopé ; - le semi-conducteur est du nitrure de gallium dopé ; - les première, deuxième et troisième régions de semi-conducteur sont respectivement de type N, P et P. - les première, deuxième et troisième régions de semi-conducteur sont respectivement de type P, N et N. L'invention a également pour objet un dispositif de limitation de courant, caractérisé en ce qu'il comporte un composant limiteur de courant tel que défini ci-dessus, ainsi que des moyens pour appliquer, entre l'électrode de source et la troisième région de semi-conducteur, une tension de commande abaissant la valeur de limitation de courant obtenue avec ce composant. En outre, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant limiteur de courant tel que défini ci-dessus, dans lequel on réalise un élément en semi-conducteur comportant la première région de semi-conducteur et, enterrées dans cette première région de semi-conducteur, sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur, lesdites deuxième et troisième couches, caractérisé en ce qu'on creuse, dans cette première face, au moins deux creux atteignant respectivement les deuxième et troisième couches, et en ce que l'on dispose, dans l'un de ces deux creux, l'électrode de source de manière à ce qu'elle soit en contact électrique direct avec la deuxième couche, et dans l'autre de ces deux creux, l'électrode de commande de manière à ce qu'elle soit en contact électrique direct avec la troisième couche. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue partielle, en coupe, d'un composant limiteur de courant conforme à l'invention ; et - la figure 2 est un graphique de la densité moyenne de courant traversant le composant de la figure 1, en fonction de la tension appliquée à ses bornes, sur lequel sont reportées deux courbes obtenues pour deux réglages différents. Par soucis de clarté, les proportions n'ont pas été respectées sur la figure 1. Un composant limiteur de courant, conforme à l'invention, comporte une pluralité de cellules élémentaires identiques et accolées dans le prolongement les unes des autres, l'une d'elle étant représentée en coupe à la figure 1. Chacune de ces cellules élémentaires est symétrique par rapport à un plan P perpendiculaire au plan de coupe de la figure 1. En outre, la figure 1 constitue également la reproduction d'une coupe réalisée selon ce plan P. Ce composant limiteur de courant comprend un élément multicouches réalisé en un matériau semi-conducteur du type à large bande interdite. On entend par matériau semi-conducteur à large bande interdite un matériau semi-conducteur pour lequel l'écart entre les niveaux d'énergie des bandes de valence et de conduction est supérieur à celui spécifique au silicium. Dans l'exemple illustré, le matériau semi-conducteur à large bande interdite est du carbure de silicium dopé. Il est toutefois envisageable d'utiliser aux mêmes fins du diamant dopé, ou encore du nitrure de gallium dopé. La structure de l'élément semi-conducteur est obtenue par empilement de couches, parmi lesquelles on compte, énumérés dans l'ordre de leur superposition, un substrat 1, une couche épitaxiale 2, réalisée sur ce substrat 1, des couches 3 et 4 partiellement enterrées dans ladite couche épitaxiale 2, et des couches de contact ohmique 5 disposées en surface de la couche épitaxiale 2. La couche épitaxiale 2 est de type N à l'exception des couches 3 et 4, de type P. Ces couches 3 et 4, carrées et enterrées à la même profondeur, sont disposées dans le prolongement les une des autres, séparées par des canaux 6 délimités chacun entre deux bords 7 et 8 de deux couches 3 et 4 respectivement. La région de type N présente donc la forme de deux couches parallèles dont l'une, qui s'étend sur le substrat 1 et qui est repérée par la référence 2b, est séparée par les couches 3 et 4 de l'autre, référencée 2a, et reliée à elle par les canaux 6. La couche 2a est avantageusement dopée N+, lorsque la couche 2b est dopée N, la couche de contact ohmique 5 étant alors de dopage N++. Seule une demi-cellule élémentaire, délimitée par le plan de symétrie P, sera considérée par la suite. Une telle demi-cellule élémentaire comporte deux creux gravés dans la couche 2a jusqu'à une profondeur suffisante pour atteindre l'un, référencé 9, une couche 3, et l'autre, référencé 10, une couche 4. Une électrode de commande Il est disposée dans le creux 9 de manière à être en contact électrique direct avec la couche 3. Le creux 10 est recouvert d'une électrode de source 12 qui s'applique également sur une bande située à la périphérie de ce creux 10, à la surface de l'élément en semi-conducteur. Ainsi disposée, l'électrode de source 12 est directement en contact électrique avec la couche 4. La couche de contact ohmique 5 est disposée localement en surface de l'élément en semi-conducteur, là où s'applique l'électrode de source 12, de manière à favoriser le départ des électrons vers l'élément en semi-conducteur à partir de cette électrode de source 12. Une couche de diélectrique 13 s'étend, à la surface de l'élément en semi-conducteur, entre l'électrode de source 12 et la couche partiellement enterrée 3, pour les isoler électriquement l'une de l'autre. Une électrode de drain 14, située sur la face de l'élément en semi-conducteur opposé à celle munie de l'électrode de source 12, recouvre le substrat 1. Le composant limiteur de courant qui vient d'être décrit est réalisé à partir d'un substrat 1, sur lequel est déposée une première épaisseur de la couche épitaxiale 2, correspondant à la couche 2b de type N. A la surface de cette première épaisseur, sont ensuite formées, par implantation ionique, les couches 3 et 4 partiellement enterrées, de type P, en utilisant un seul masque dans la mesure où ces couches 3 et 4 partiellement enterrées sont dans le prolongement les unes des autres, si bien que la largeur L du canal 6 est aisément obtenue avec la précision requise. Puis, la couche 2a est réalisée sur les couches 3 et 4 qui sont alors complètement enterrées. La couche de contact ohmique 5, de type N++ est formée en surface de cette couche 2a. Les creux 9 et 10 sont ensuite réalisés en supprimant localement, par gravure, la couche 2a afin d'atteindre les couches 3 et 4 désormais partiellement enterrées. L'élément en semi-conducteur est alors terminé et un oxyde est déposé localement pour former la couche de diélectrique 13. Pour réaliser les électrodes de commande 11, de source 12 et de drain 14, on métallise ensuite les deux faces principales de l'élément en semi-conducteur, puis celle des deux couches métalliques ainsi obtenues qui s'applique, par endroits, sur la couche de contact ohmique 5 est retirée là ou elle recouvre la couche de diélectrique 13. Selon une variante de fabrication de l'élément en semiconducteur, l'ensemble de la couche épitaxiale 2 est déposée en une seule fois, lors d'une opération préliminaire. Elle est alors dopée N dans toute son épaisseur. Ensuite, trois implantations sont conduites successivement, qui pénètrent de moins en poins profondément. On commence par l'implantation, à forte énergie, des couches 3 et 4 du type P, suivie de l'implantation de la couche 2a dopée N+, pour finir par l'implantation de la couche de contact ohmique 5, dopée N++. On poursuit la fabrication du composant en reprenant, à partir de la gravure des creux 9 et 10, les dernières étapes du procédé exposé en premier. La largeur L du canal 6 est inférieur à 10 Mm. L'épaisseur El du substrat 1 est de l'ordre de 300 Mm. L'épaisseur E2 de la couche épitaxiale 2 est comprise entre 5 et 20 Mm. Les couches 3 et 4 partiellement enterrées ont une épaisseur E3 comprise entre 0, 2 et 1 Mm. Leur concentration en dopant est quant à elle comprise entre 1017 et 1019 cm-3. La couche 2a présente une épaisseur E4 comprise entre 0, 1 et 1 Mm. Les concentrations en dopant des régions dopées N et de celles dopées N+ sont comprises respectivement entre 10 et 10"cm'\ et entre 1015 et 1017 cm-3. En utilisation, le composant limiteur de courant est inséré en série dans la branche dont on veut limiter le courant, en le connectant par ses électrodes de source 12 et de drain 14. Son fonctionnement va être exposé dans ce qui suit en se référant à une demi-cellule élémentaire. Ce composant limiteur de courant remplit la fonction de limitation de courant uniquement lorsque le potentiel de l'électrode de drain 14 est supérieur à celui de l'électrode de source 12, le courant I qui le traverse, matérialisé par des flèches à la figure 1, circulant alors de cet électrode de drain 14 vers ladite électrode de source 12. Comme on l'aura compris, les termes électrodes de source et électrodes de drain se réfèrent non pas au sens de circulation du courant mais à celui, contraire, des électrons. Par ailleurs, des moyens 15 pour appliquer une tension de commande U entre l'électrode de commande Il et l'électrode de source 12, au potentiel le plus élevé, sont connectés au composant limiteur de courant. Le potentiel des couches partiellement enterrées 3 et 4 étant inférieur à celui de l'épitaxie 2, les jonctions P-N forment une barrière canalisant le courant I, lequel est forcé de passer dans le canal 6 pour se diriger ensuite vers la couche de contact ohmique 5, avant d'atteindre l'électrode de source 12. Aux jonctions P-N, apparaissent des zones 16 d'appauvrissement en porteurs libres, dont l'étendue augmente avec la différence de potentiel entre les régions de type P et celles de type N, laquelle augmente à son tour avec l'intensité du courant qui traverse le composant limiteur de courant. Les zones d'appauvrissement 16 qui se développent à partir des bords 7 et 8 tendent à étrangler le canal 6 lorsqu'elles progressent en direction l'une de l'autre. Lorsque l'intensité du courant traversant le limiteur de courant a sensiblement atteint la valeur du courant de saturation, ces zones d'appauvrissement 16 se sont rejointes et occupent toute la largeur L du canal 6, si bien que cette valeur du courant de saturation ne peut pas être dépassée. Si l'on augmente encore la tension entre l'électrode de source 12 et l'électrode de drain 14, la circulation du courant dans le composant limiteur de courant provoque un échauffement qui conduit à une modification des caractéristiques physiques, en particulier une réduction de la mobilité des porteurs, et induit une diminution de l'intensité du courant. En maintenant l'électrode de commande Il à un potentiel inférieur à celui de l'électrode de source 12 par l'application d'une tension de commande U entre elles, on augmente l'étendue de la zone d'appauvrissement 16 qui se développe à partir de la couche partiellement enterrée 3. Ainsi, l'étranglement du canal 6 a lieu pour un courant de saturation dont la valeur est d'autant plus faible que la tension de commande U est élevée en valeur absolue. Sur la figure 2, les courbes Cl et C2 sont obtenues pour des tensions de commande U dont les valeurs sont respectivement de 0 et de-30 volts. Les points Pl et P2, respectivement situés sur les courbes Cl et C2, sont obtenus lorsque le courant circulant à travers le composant limiteur de courant a atteint sa valeur de saturation, respectivement IS1 et IS2. Lorsque l'intensité du courant à travers le composant limiteur de courant est inférieur à la valeur de saturation, ce composant limiteur de courant est dans son régime de fonctionnement normal. On se déplace alors sur les portions Al et A2 respectivement des courbes Ci et C2, et la chute de tension aux bornes du composant limiteur de courant est faible. Si l'on augmente la tension entre l'électrode de source 12 et l'électrode de drain 14 après avoir atteint la valeur du courant de saturation IS1 ou IS2, le courant à travers le composant limiteur de courant décroît en intensité ce qui est matérialisé par les portions Bi et B2 respectivement des courbes Cl et C2. La valeur du courant de saturation IS1 obtenue pour une tension de commande U égale à 0 volt, est supérieure à la valeur du courant de saturation IS2 obtenue avec une tension de commande U fixée à-30 volts, comme on peut le voir à la figure 2. Ainsi, la tension de commande U permet de faire varier et donc de régler la valeur de limitation du courant, obtenue avec le composant limiteur de courant. Lorsque ce composant limiteur de courant est parcouru par un courant circulant de l'électrode de source 12 vers l'électrode de drain 14, il se comporte comme une résistance. Aussi, l'association de deux composants disposés tête-bêche permet de limiter le courant quel que soit son sens de circulation et sera de ce fait appropriée dans le cas d'un courant alternatif. Un tel composant limiteur de courant peut être utilisé dans d'autres applications. Par exemple, il peut être employé pour limiter le courant qui circule dans un moteur à courant continu lors de son démarrage. Dans le domaine domestique, il peut être employé pour supprimer les sur-intensités passagères, ou protéger des équipements, tels que des lampes ou des appareils électro-ménager. Dans une autre application destinée à protéger des équipements contre l'effet destructeur d'un court-circuit, le composant limiteur de courant est associé à un disjoncteur ou un fusible, tous deux étant disposés en série avec l'appareil à protéger. Si un tel court-circuit apparaît, le courant circulant dans ces éléments ne dépasse pas la valeur du courant de saturation. De ce fait, on peut choisir un disjoncteur ou un fusible dont les courants de coupure respectifs sont moindre que celui du disjoncteur ou du fusible qu'il faudrait employer en l'absence du composant limiteur de courant. Parmi les avantages de l'invention, on retiendra que l'utilisateur final peut régler à son gré la valeur de limitation de courant, par exemple pour suivre l'évolution de ses équipements ou des conditions de leur utilisation. En outre, dans l'art antérieur présenté au préambule, la valeur de limitation de courant est déterminée par les caractéristiques constructives, notamment dimensionnelles, du composant limiteur de courant, lesquelles doivent de ce fait être obtenues avec précision lors de la fabrication de ce composant. La possibilité offerte par un composant limiteur de courant conforme à l'invention d'ajuster, après la fabrication de celui-ci, la valeur de limitation de courant permet de le réaliser avec des tolérances moins strictes, ce qui facilite sa fabrication. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Par exemple, on peut, sans sortir de son cadre, intervertir le type P ou N des régions de semiconducteur moyennant quelques adaptations à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS 1. Composant limiteur de courant, comportant un élément en semi-conducteur à large bande interdite, cet élément en semi-conducteur comprenant : - une première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), reliée à une électrode de source (12), et, directement ou indirectement, à une électrode de drain (14), - au moins une deuxième région de semi-conducteur (4), reliée à l'électrode de source, et formant une jonction P-N avec ladite première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), - au moins une troisième région de semi-conducteur (3), formant une jonction P-N avec ladite première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), lesdites deuxième (4) et troisième (3) régions de semi-conducteur délimitant entre elles, dans ladite première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), un canal (6) de circulation du courant (I) entre les électrodes de source (12) et de drain (14), caractérisé en ce qu'il comporte une électrode de commande (11) électriquement connectée à ladite troisième région de semi-conducteur (3) pour appliquer, entre cette troisième région de semi-conducteur (3) et l'électrode de source (12), une tension (U) de commande de la valeur de limitation de courant (IS1, IS2) obtenue avec ce composant. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa valeur de limitation de courant (IS1, IS2) baisse lorsqu'est augmentée, en valeur absolue, la tension de commande (U). 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode de source (12) est reliée à la première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6) par une première couche (5), de contact ohmique. 4. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes de source (12) et de commande (11) sont connectées sur une première face de l'élément en semi-conducteur, opposée à une deuxième face de cet élément en semi-conducteur, sur laquelle est connectée l'électrode de drain (14). 5. Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième région de semi-conducteur présente la forme d'une deuxième couche (4), partiellement enterrée à l'intérieur de la première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur. 6. Composant selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la troisième région de semi-conducteur présente la forme d'une troisième couche (3), partiellement enterrée à l'intérieur de la première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur. 7. Composant selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit canal (6) de circulation du courant est délimité par deux bords (8 et 7) respectifs des deuxième (4) et troisième (3) couches partiellement enterrées sensiblement à la même profondeur, ces deux bords (7 et 8) étant en vis-àvis l'un de l'autre. 8. Composant selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une quatrième couche (13), de diélectrique, s'étend sur ladite première face de l'élément en semi-conducteur, entre l'électrode de source (12) et l'électrode de commande (11). 9. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6) est reliée à l'électrode de drain (14) par un substrat (1) présentant la forme d'une cinquième couche. 10. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur est du carbure de silicium dopé. 11. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le semi-conducteur est du diamant dopé. 12. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le semi-conducteur est du nitrure de gallium dopé. 13. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première (2a, 2b, 6), deuxième (4) et troisième (3) régions de semi-conducteur sont respectivement de type N, P et P. 14. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première (2a, 2b, 6), deuxième (4) et troisième (3) régions de semi-conducteur sont respectivement de type P, N et N. 15. Dispositif de limitation de courant, caractérisé en ce qu'il comporte un composant limiteur de courant selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi que des moyens (15) pour appliquer, entre l'électrode de source (12) et la troisième région de semi-conducteur (3), une tension de commande (U) abaissant la valeur de limitation de courant obtenue avec ce composant. 16. Procédé de fabrication d'un composant limiteur de courant selon les revendications 4,5 et 6, dans lequel on réalise un élément en semi-conducteur comportant la première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6) et, enterrées dans cette première région de semi-conducteur (2a, 2b, 6), sous ladite première face de l'élément en semi-conducteur, lesdites deuxième (4) et troisième (3) couches, caractérisé en ce qu'on creuse, dans cette première face, au moins deux creux (10 et 9) atteignant respectivement les deuxième (4) et troisième (3) couches, et en ce que l'on dispose, dans l'un (10) de ces deux creux, l'électrode de source (12) de manière à ce qu'elle soit en contact électrique direct avec la deuxième couche (4), et dans l'autre (9) de ces deux creux, l'électrode de commande (11) de manière à ce qu'elle soit en contact électrique direct avec la troisième couche (3).