Brevet FR2830127A1 — publié le 20030328

COMMUTATEUR MONOLITHIQUE BIDIRECTIONNEL VERTICAL À COMMANDE EN TENSION La présente invention concerne les composants bidirectionnels verticaux à commande en tension et plus particulièrement les commutateurs verticaux bidirectionnels à commande en tension pour des applications de moyenne puissance permettant, par exemple, la commutation de charges connectées au secteur, telles que des appareils électroménagers. La figure 1 est une vue en coupe extrêmement schématique d'une structure de commutateur bidirectionnel vertical à commande en tension réalisée à partir de deux transistors verticaux de type IGBT (transistor bipolaire à grille isolée ou Isolated Gate Bipolar Transistor). Il sera clair, comme cela est classique dans le domaine de la représentation des composants semiconducteurs, que la figure n'est pas tracée à l'échelle. Le commutateur 10 comprend deux transistors verticaux IGBT verticaux 11A, 11B. Chaque transistor se compose d'un substrat 13A, 13B faiblement dopé de type N et délimité par un mur d'isolement 14A, 14B de type P. La face inférieure du substrat 13A, 13B est uniformément revêtue d'une couche 15A, 15B de type P. Du côté de la face supérieure du substrat 13A, 13B est agencé un réseau de cellules 16A, 16B. Par souci de clarté seules deux cellules 16A, 16B sont représentées pour chaque transistor 11A, 11B. Chaque cellule 16A, 16B comprend un caisson 17A, 17B comportant une région centrale 18A, 18B fortement dopée de type P et une région périphérique plus faiblement dopée de type P. Un anneau 19A, 19B fortement dopé de type N est formé dans le caisson 17A, 17B. La partie du caisson 17A, 17B à l'extérieur de l'anneau 19A, 19B est recouverte d'une grille isolée 20A, 20B. Chaque transistor 11A, 11B comporte également un anneau de type P 21A, 21B qui entoure le réseau de cellules 16A, 16B. Un anneau périphérique d'arrêt de canal 22A, 22B de type N fortement dopé est situé à la périphérie du transistor 11A, 11B. Une métallisation de cathode M1A, M1B contacte la région centrale 18A, 18B du caisson 17A, 17B et l'anneau de type N 19A, 19B de chaque cellule 16A, 16B, ainsi que l'anneau de type P 21A, 21B. Une métallisation d'anode M2A, M2B recouvre la couche 15A, 15B de type P. Un anneau métallique M3A, M3B est relié à l'anneau périphérique d'arrêt de canal 22A, 22B pour le rendre équipotentiel. De même un anneau métallique M4A, M4B est relié au mur d'isolement 14A, 14B afin de le rendre équipotentiel. Les bornes associées aux grilles isolées 20A, 20B de chaque transistor 11A, 11B sont respectivement désignées par les références Gl, G2. La face inférieure du transistor 11A, situé à gauche sur la figure 1, est posée directement sur un radiateur 23. La face inférieure du transistor 11B, situé à droite sur la figure 1, est posée sur le radiateur 23 avec interposition d'un isolant 24. Le commutateur bidirectionnel vertical est obtenu en connectant les deux transistors IGBT verticaux 11A, 11B de la façon suivante. La métallisation M1A du transistor 11A, situé à gauche sur la figure 1, est reliée par un connecteur électrique 28 à l'anode, constituée par la métallisation M2B, du transistor 11B situé à droite sur la figure 1. La cathode constituée par la métallisation M1B de ce-dernier transistor 11B est reliée par un connecteur électrique 29 au radiateur 23. Les deux transistors IGBT 11A, 11B sont ainsi connectés en antiparallèle. Les bornes principales du commutateur bidirectionnel 10 correspondent au radiateur 23 et à la métallisation M1A. Selon les tensions sur les grilles Gl, G2, on peut rendre passant l'un ou l'autre des deux transistors ou aucun des deux. On obtient ainsi un commutateur bidirectionnel commandé en tension. Le commutateur bidirectionnel commandé en tension cidessus présente l'inconvénient de ne pas être monolithique. Au contraire, il comprend deux transistors réalisés sur des puces distinctes. Il présente ainsi un encombrement relativement important et requiert l'utilisation de câblages pour relier les deux transistors. De plus, l'un des transistors est posé sur le radiateur par l'intermédiaire d'un isolant. Il s'avère souvent difficile d'obtenir un isolant assurant à la fois une bonne isolation électrique entre le transistor et le radiateur et un échange de chaleur satisfaisant entre ces deux éléments. La présente invention vise à réaliser de façon monolithique un commutateur bidirectionnel à commande en tension. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un commutateur monolithique bidirectionnel vertical à commande en tension réalisé entre les faces supérieure et inférieure d'un substrat semiconducteur entouré d'un mur périphérique, comprenant un premier transistor IGBT vertical multicellulaire s'étendant entre une cathode réalisée du côté de la face supérieure et une anode réalisée du côté de la face inférieure ; et un second transistor IGBT vertical multicellulaire s'étendant entre une cathode réalisée du côté de la face inférieure et une anode réalisée du côté de la face supérieure, dans lequel les cellules de chaque transistor sont disposées de sorte que des portions des cellules d'un transistor sont actives lors du fonctionnement de l'autre transistor. La présente invention prévoit également un commutateur monolithique bidirectionnel vertical à commande en tension réalisé dans un substrat d'un premier type de conductivité entouré d'un mur périphérique d'un second type de conductivité, comprenant un réseau de cellules supérieures, réalisé du côté de la face supérieure du substrat, chaque cellule supérieure se composant d'un anneau du premier type de conductivité formé dans un caisson d'un second type de conductivité, la région du caisson à l'extérieur de l'anneau formant une région de canal recouverte d'une grille isolée supérieure ; une métallisation supérieure, formant une première électrode principale, connectée à la région centrale du caisson et à l'anneau de chaque cellule supérieure ; un réseau de cellules inférieures semblables aux cellules supérieures, réalisé du côté de la face inférieure du substrat, en vis-à-vis du réseau de cellules supérieures ; et une métallisation inférieure (M2' ) , formant une seconde électrode principale, connectée à la région centrale du caisson et à l'anneau de chaque cellule inférieure. Selon un mode de réalisation de l'invention, la grille isolée inférieure est reliée à un puits qui traverse une région du substrat de la face inférieure à la face supérieure, le puits étant relié à un contact de grille réalisé du côté de la face supérieure. Selon un mode de réalisation de l'invention, la grille isolée inférieure est reliée au puits par une métallisation isolée de la métallisation inférieure . Selon un mode de réalisation de l'invention, la métallisation inférieure recouvre toute la face inférieure. Selon un mode de réalisation de l'invention, la métallisation inférieure est reliée au mur périphérique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la région de substrat traversée par le puits est isolée des régions du substrat où sont réalisés les réseaux de cellules supérieures et inférieures par le mur périphérique qui se prolonge par un mur auxiliaire du second type de conductivité. Selon un mode de réalisation de l'invention, le mur périphérique se prolonge du côté de la face inférieure par un anneau inférieur du second type de conductivité entourant le réseau de cellules inférieures. Selon un mode de réalisation de l'invention, du côté de la face supérieure, un anneau supérieur du second type de conductivité entoure le réseau de cellules supérieures et relié à la métallisation supérieure. Selon un mode de réalisation de l'invention, du côté de la face supérieure, un anneau d'arrêt de canal fortement dopé du premier type de conductivité entoure l'anneau supérieur du second type de conductivité. Cet objet, ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, représente une vue en coupe schématique d'un commutateur bidirectionnel selon l'art antérieur ; la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'un commutateur bidirectionnel selon la présente invention ; et la figure 3 représente une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation du commutateur bidirectionnel de la figure 2. Comme l'illustre la figure 2, le commutateur 10 est formé dans un substrat 40 de type N entouré d'un mur d'isolement 41 de type P. Du côté de la face supérieure du substrat 40 est formé un réseau de cellules 42, seules trois cellules étant représentées sur la figure 2. Chaque cellule 42 comprend un caisson 43 comportant une région centrale 44 fortement dopée de type P et une région périphérique plus faiblement dopée de type P. Un anneau 45 fortement dopé de type N est formé dans le caisson 43. La partie du caisson 43 à l'extérieur de l'anneau 45 est recouverte d'une grille isolée 46. Du côté de la face inférieure du substrat 40, est formé un agencement similaire de cellules 48. La structure des cellules 48 est identique à celle des cellules 42. Sur la figure 2, seules trois cellules inférieures 48 sont représentées. Une grille isolée inférieure 49 recouvre la partie du caisson à l'extérieur de l'anneau de chaque cellule inférieure 48. Le mur 41 comporte une extension 50 en forme d'anneau du côté de la face inférieure du substrat qui entoure le réseau de cellules inférieures 48. Comme pour l'art antérieur, du côté de la face supérieure, un anneau supérieur 51 de type P dont la périphérie externe est faiblement dopée entoure le réseau de cellules supérieures 42. Un anneau d'arrêt de canal 52 de type N fortement dopé est disposé autour de l'anneau supérieur 51 de type P. Une métallisation Ml' contacte la région centrale 44 du caisson 43 et l'anneau de type N 45 de chaque cellule supérieure 42, ainsi que l'anneau de type P 51. Une métallisation M2' contacte du côté de la face inférieure la région centrale du caisson de type P et l'anneau de type N de chaque cellule inférieure 48. La métallisation M2' vient recouvrir toute la face inférieure du substrat 40. Elle est en outre connectée au mur périphérique 41. Un anneau métallique M3' en contact avec l'anneau d'arrêt de canal 52 égalise le potentiel sur l'anneau d'arrêt de canal 52. De même, un anneau métallique M4' en contact avec le mur périphérique 41 égalise le potentiel sur celui-ci au niveau de la face supérieure. La métallisation M2' est montée sur un support conducteur 54, par exemple un radiateur, avec lequel elle est en contact électrique. La grille isolée inférieure 49 est reliée par une métallisation M5' à un puits conducteur 55 qui traverse de part en part le circuit monolithique pour atteindre la face supérieure où un contact de grille 56 est réalisé. Le puits 55 est réalisé dans une portion 57 du substrat qui est isolée de la partie active du commutateur par le mur périphérique 41 qui se prolonge par un mur d'isolement complémentaire 58. Le puits 55 peut être réalisé par un procédé de fabrication de mur traversant standard. Le puits 55 peut également correspondre à une zone de type P fortement dopée réalisée selon une technique de fusion de zone à gradient de température dite TGZM (Température Gradient Zone Melting), à un mur formé à partir de tranchées ou à un via métallique. Des bornes de grilles Gl, G2 sont reliées respectivement à la grille isolée 46 et au contact de grille 56. La figure 3 représente, de façon très simplifiée et schématique, un exemple de répartition des différents éléments situés au niveau de la face supérieure du circuit monolithique. Les cellules supérieures 42 sont simplement représentées par des carrés. Les limites de l'anneau de type P 51 sont représentées par les lignes référencées 51-1 et 51-2. La limite de la grille isolée supérieure 46 est représentée par une ligne en pointillés 59. La limite de la métallisation Ml' est représentée par la ligne 60. Le plot de contact 56 de la grille isolée inférieure 49 est représenté en bas à droite sur la figure 3. Un plot de contact 61 de la grille isolée supérieure 46 est représenté en haut au centre de la figure 3 par une surface carrée. Les contacts entre la métallisation Ml' et l'anneau de type P 51 sont symbolisés par des rectangles en traits pointillés 62. Le plot de contact 61 de la grille supérieure 46 peut comprendre une portion en anneau, non représentée, qui entoure le réseau de cellules supérieures 42. Le fonctionnement du commutateur bidirectionnel selon l'invention est le suivant. Le commutateur se comporte comme deux transistors de type IGBT disposés en antiparallèle. Les bornes principales Al, A2, représentées sur la figure 2, du commutateur sont prises d'une part sur la métallisation Ml' et sur le support conducteur 54. Le commutateur est commandé, par les bornes de contact Gl, G2 des grilles supérieure 46 et inférieure 49. A titre d'exemple, lorsque la borne A2 est polarisée positivement par rapport à la borne Al, que la borne de grille Gl est commandée, et que la borne de grille G2 n'est pas commandée, le trajet du courant de la borne A2 vers la borne Al est schématiquement le suivant. Depuis la métallisation M2', le courant franchit, pour chaque cellule inférieure 48, la jonction en direct entre la région fortement dopée de type P et le substrat 40 de type N, puis traverse, pour chaque cellule supérieure 42, le canal formé dans la région du caisson 43 extérieure à l'anneau 45 pour rejoindre la métallisation Ml'. Le courant peut traverser les cellules supérieures 42, grâce à l'application sur la borne de grille Gl d'une tension de commande permettant, dans chaque cellule supérieure 42, la formation d'un canal dans la région du caisson 43 extérieure à l'anneau 45. Lorsque que la borne Al est polarisée positivement par rapport à la borne A2, que la borne de grille G2 est commandée et que la borne de grille Gl n'est pas commandée, le trajet du courant de la borne Al vers la borne A2 est schématiquement le suivant. Depuis la métallisation Ml', le courant franchit, pour chaque cellule supérieure 42, la jonction en direct entre la région fortement dopée de type P et le substrat 40 de type N, puis traverse, pour chaque cellule inférieure 48, le canal formé dans la région du caisson 43 extérieure à l'anneau 45 pour rejoindre la métallisation M2'. Le courant peut traverser les cellules inférieures 48, grâce à l'application sur la borne de grille G2 de la tension de commande qui permet, dans chaque cellule inférieure 48, la formation d'un canal dans la région du caisson extérieure à l'anneau. On obtient donc un composant qui se comporte comme un commutateur vertical bidirectionnel commandé en tension. Le commutateur selon l'invention est particulièrement adapté pour des applications de moyenne puissance, par exemple pour tenir des tensions de l'ordre de 600 V, et des intensités de courants comprises entre 1 et 50 A. A titre d'exemple, pour des courants de l'ordre de 8 A, le circuit monolithique peut avoir des dimensions globales de 3,6 millimètres par 4,2 millimètres. Le mur 41,58 entourant le puits 55 délimite une surface d'environ 200 m par 200 m. Chaque cellule peut avoir des dimensions de 25 m par 25 m et être espacée des cellules voisines de 25 m. L'homme de l'art notera que la tenue en tension à l'état bloqué du commutateur selon l'invention est essentiellement définie par les jonctions entre le substrat et les caissons des cellules. Le dopage de ces caissons sera optimisé pour atteindre la tension de claquage choisie tout en permettant une commande satisfaisante des régions de canal des cellules. La présente invention présente de nombreux avantages. Les deux transistors IGBT constituant le commutateur sont intégrés en un unique composant monolithique montable directement sur un support du côté d'une couche métallique qui recouvre complètement la face inférieure du composant monolithique. L'assemblage du commutateur est donc simplifié par rapport à l'art antérieur puisqu'on a supprimé les étapes de fixation d'un des transistors sur une couche isolante ainsi que de réalisation de diverses connexions internes du commutateur par câblages électriques. En outre, dans le cas général où le support est un radiateur, on obtient un bon échange thermique entre le circuit monolithique et le radiateur grâce à la métallisation inférieure recouvrant toute la face inférieure du circuit monolithique. De plus, la réalisation de réseaux de cellules sur les deux faces du circuit monolithique permet d'obtenir un composant dont la surface est environ divisée par deux par rapport à celle d'un commutateur de l'art antérieur. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, les types de conductivité des différents éléments constituant le commutateur pourraient être inversés. De plus, les cellules supérieures et inférieures ont été représentées parfaitement en vis-à-vis. Elles pourraient être décalées de façon à optimiser le trajet suivi par le courant. REVENDICATIONS 1. Commutateur monolithique bidirectionnel vertical à commande en tension réalisé entre les faces supérieure et inférieure d'un substrat semiconducteur (40) entouré d'un mur périphérique (41), caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier transistor IGBT vertical multicellulaire s'étendant entre une cathode réalisée du côté de la face supérieure et une anode réalisée du côté de la face inférieure ; et - un second transistor IGBT vertical multicellulaire s'étendant entre une cathode réalisée du côté de la face inférieure et une anode réalisée du côté de la face supérieure, dans lequel les cellules (42,48) de chaque transistor sont disposées de sorte que des portions des cellules d'un transistor sont actives lors du fonctionnement de l'autre transistor. 2. Commutateur monolithique bidirectionnel vertical à commande en tension réalisé dans un substrat (40) d'un premier type de conductivité entouré d'un mur périphérique (41) d'un second type de conductivité, caractérisé en ce qu'il comprend : - un réseau de cellules supérieures (42), réalisé du côté de la face supérieure du substrat (40), chaque cellule supérieure (42) se composant d'un anneau (45) du premier type de conductivité formé dans un caisson (43) d'un second type de conductivité, la région du caisson à l'extérieur de l'anneau (45) formant une région de canal recouverte d'une grille isolée supérieure (46) ; - une métallisation supérieure (Ml ' ) , formant une première électrode principale, connectée à la région centrale du caisson (43) et à l'anneau (45) de chaque cellule supérieure (42) ; - un réseau de cellules inférieures (48) semblables aux cellules supérieures (42) , réalisé du côté de la face inférieure du substrat (40), en vis-à-vis du réseau de cellules supérieures (42) ; et une métallisation inférieure (M2'), formant une seconde électrode principale, connectée à la région centrale du caisson et à l'anneau de chaque cellule inférieure (48). 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille isolée inférieure (49) est reliée à un puits (55) qui traverse une région (57) du substrat de la face inférieure à la face supérieure, le puits (55) étant relié à un contact de grille (56) réalisé du côté de la face supérieure. 4. Commutateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la grille isolée inférieure (49) est reliée au puits (55) par une métallisaticn (M5 ' )isolée de la métallisation inférieure (M2 ' ) . 5. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la métallisation inférieure (M2 ' ) recouvre toute la face inférieure. 6. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la métallisation inférieure (M2 ' ) est reliée au mur périphérique (41). 7. Commutateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la région (57) de substrat traversée par le puits (55) est isolée des régions du substrat où sont réalisés les réseaux de cellules supérieures (42) et inférieures (48) par le mur périphérique (41) qui se prolonge par un mur auxiliaire (58) du second type de conductivité. 8. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mur périphérique (41) se prolonge du côté de la face inférieure par un anneau inférieur (50) du second type de conductivité entourant le réseau de cellules inférieures (48). 9. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, du côté de la face supérieure, un anneau supérieur (51) du second type de conductivité entourant le réseau de cellules supérieures (42) et relié à la métallisaticn supérieure (M1'). 10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend, du côté de la face supérieure, un anneau d'arrêt de canal (52) fortement dopé du premier type de conductivité entourant l'anneau supérieur (51) du second type de conductivité.