Brevet FR3019312A1 — publié le 20151002

STRUCTURE D'ISOLATION ADAPTEE A UN DISPOSITIF ELECTRO-OPTIQUE ET APPLICATION A UN THYRISTOR DE PROTECTION CONTRE LES DECHARGES ELECTROSTATIQUES Domaine technique L'invention est relative aux dispositifs de protection de composants électroniques contre les décharges électrostatiques, et plus particulièrement à un thyristor adapté à des composants électro-optiques. Arrière-plan La figure 1A représente schématiquement un exemple de circuit de protection à base de thyristor. Le thyristor est illustré sous la forme de son circuit équivalent comprenant deux transistors bipolaires QP et QN. Le transistor QP est un transistor PNP dont l'émetteur forme l'anode A du thyristor, et le transistor QN est un transistor NPN dont l'émetteur forme la cathode C du thyristor. La base du transistor QP est reliée au collecteur du transistor QN et forme la gâchette d'anode GA du thyristor. La base du transistor QN est reliée au collecteur du transistor QP et forme la gâchette de cathode GC du thyristor. Dans le circuit de protection représenté, la cathode C est reliée à la masse Vss et l'anode A sert à protéger une borne d'entrée/sortie d'un circuit intégré, ou un composant spécifique du circuit. La gâchette de cathode GC est reliée à la masse par une résistance de dépolarisation Rd. La gâchette d'anode GA est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une source de tension Vt servant à définir le seuil de déclenchement du thyristor. La source de tension Vt est généralement sous la forme d'un empilement de diodes ou d'une diode Zener. Une résistance série Rga représente la résistance de la gâchette GA. La figure 1B représente une caractéristique courant-tension d'un composant de protection à thyristor du type de la figure 1A. Les valeurs I et V correspondent respectivement au courant d'anode et à la tension d'anode. Tant que la tension V n'atteint pas un seuil VBO défini par la source Vt et la résistance Rga, le thyristor reste bloqué, ce qui est indiqué par le faible niveau du courant I à la partie inférieure de la caractéristique. Si la tension V présente une surtension dépassant le seuil VBO, le thyristor devient conducteur et tire le potentiel de l'anode A vers la masse, provoquant une chute brutale de la tension V et une augmentation du courant I. Si la source de la surtension est suffisamment puissante, le courant I augmente rapidement mais la tension V reste dans des limites acceptables. Une fois déclenché, le thyristor reste passant tant que le courant reste au-dessus d'un seuil de maintien Ili. Le thyristor est en fait déclenché lorsque le courant de gâchette, ici le courant émetteur-base du transistor QP, dépasse un seuil noté IL sur la caractéristique. Le seuil de tension VBO dépend de la configuration du circuit de commande de la gâchette. Dans certaines configurations on ne prévoit pas de source de tension Vt, c'est-à-dire que la résistance de gâchette Rga est reliée à la masse Vss, et le seuil de déclenchement du thyristor est réglé seulement à l'aide de la valeur de la résistance Rga, de sorte que VBO = Vb Rga-IL où Vb est le seuil de conduction émetteur-base du transistor QP. Le courant de maintien IH du thyristor est un paramètre que l'on souhaite maîtriser à la conception. Dans certaines situations, on souhaite également maîtriser la valeur des résistances de gâchette Rga. Les technologies CMOS et bipolaires permettent de réaliser des thyristors et d'ajuster leurs paramètres en utilisant des étapes de fabrication qui s'intègrent bien dans les processus de fabrication normalisés. Les composants électro-optiques réalisés en matériaux semi-conducteurs peuvent également nécessiter une protection contre les décharges électrostatiques et les surtensions. Les composants optiques et électro-optiques que l'on souhaite intégrer ensemble sont simples par rapport à des composants que l'on intègre dans les technologies CMOS, de sorte qu'on a élaboré pour les composants optiques des techniques de fabrication dédiées peu coûteuses par rapport aux technologies CMOS. Les techniques dédiées aux composants optiques offrent dans leurs processus de 25 fabrication normalisés peu de marge de manoeuvre pour réaliser des dispositifs de protection tels que des thyristors. Résumé On prévoit ici un thyristor comprenant un premier segment de guide d'onde optique en un matériau semi-conducteur ayant des première et deuxième parties longitudinales 30 complémentaires de types de conductivité opposés configurées pour former une jonction bipolaire longitudinale entre elles ; un deuxième segment de guide d'onde optique en un matériau semi-conducteur, adjacent au premier segment de guide d'onde et ayant des première et deuxième parties longitudinales complémentaires de types de conductivité opposés configurées pour former une jonction bipolaire longitudinale entre elles, et une jonction bipolaire transversale entre les deuxièmes parties longitudinales des deux segments de guide d'onde ; et un isolant électrique configuré pour séparer chacune des premières parties longitudinales du segment de guide d'onde qui lui est adjacent. Les premières parties longitudinales peuvent être respectivement associées à des première et deuxième bornes principales du thyristor, et les deuxièmes parties 10 longitudinales être associées respectivement à des première et deuxième gâchettes du thyristor. L'isolant électrique peut être configuré pour pénétrer dans les deuxièmes parties longitudinales, d'où il résulte que les deuxièmes parties longitudinales sont jointes par une partie conductrice rétrécie par rapport à la largeur des deuxièmes parties 15 longitudinales. La largeur et la longueur de la partie conductrice rétrécie peuvent être choisies pour ajuster la tension de maintien du thyristor. Le thyristor peut comprendre, pour chaque gâchette, une borne respective disposée sur la deuxième partie longitudinale correspondante, à une distance de la jonction 20 transversale choisie pour ajuster la résistance de gâchette. Les deuxièmes parties longitudinales peuvent être plus larges que les premières parties longitudinales, et les premières parties longitudinales des deux segments être situées de part et d'autre d'un axe longitudinal. Pour isoler électriquement deux parties adjacentes d'un guide d'onde optique, comme 25 les premières parties longitudinales citées plus haut, on peut prévoir plusieurs bandes parallèles de types de conductivité alternants formant plusieurs jonctions bipolaires en opposition entre les deux parties adjacentes. Au moins une des bandes peut être flottante. Les bandes peuvent être configurées transversalement pour définir une zone conductrice 30 longitudinale rétrécie entre deux sections adjacentes du guide d'onde. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - les figures 1 A et 1B, précédemment décrites, représentent un dispositif de protection à thyristor schématique et une caractéristique courant-tension d'un tel dispositif ; - la figure 2 représente schématiquement un guide d'onde optique intégrant des composants électro-optiques ; - la figure 3 représente une vue en coupe schématique d'un composant électro- optique ; - la figure 4 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation de thyristor réalisé dans un guide d'onde optique ; et - la figure 5 représente, en vue de dessus, un autre mode de réalisation de thyristor. Description de modes de réalisation La figure 2 représente une vue en perspective d'une longueur de guide d'onde optique 12 comprenant deux composants électro-optiques 10. Les composants 10 sont, par exemple, un déphaseur statique et un déphaseur dynamique. Le guide d'onde est sous la forme d'un profilé plat monolithique en matériau semi-conducteur, de préférence intrinsèque ou peu dopé pour réduire les pertes optiques. Comme cela est représente, le guide 12 peut être un guide à nervure, comprenant une partie centrale 12-1 surélevée formant la nervure et deux ailes latérales de part et d'autre de la nervure. L'essentiel de la puissance optique du guide est alors véhiculé au voisinage de la nervure. En technologie SOI, le guide a typiquement une hauteur de 300 nm. Les composants 10 sont configurés pour se substituer à des segments de guide d'onde ; ils peuvent être formés à partir du guide lui-même par des étapes de gravure et de dopage. De ce fait, les composants 10 ont sensiblement le même profil que l'ensemble du guide, notamment dans la partie centrale pour préserver un guidage uniforme de l'onde optique. Les ailes du guide au niveau des composants 10 peuvent porter des bornes de contact servant à exploiter les composants. Ces bornes sont généralement formées sur des bords relevés des ailes, qui atteignent les niveaux de métal, comme cela est représenté. La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un composant électrooptique générique 10. Le plan de coupe est perpendiculaire à l'axe du guide d'onde 12. Le composant comprend une partie centrale 14 et deux parties latérales 15 et 16 de part et d'autre. La partie centrale 14 est conforme au profil du guide d'onde et est souvent de type de conductivité P. Le niveau de dopage est aussi faible que possible pour diminuer les pertes optiques tout en assurant la fonction souhaitée. On utilise, par exemple, le niveau de dopage d'origine du substrat (noté PWELL, de l'ordre de 1017 atomes par cm3). Un composant électro-optique est souvent une diode qui peut avoir des configurations et usages variés. Pour cela, l'une des zones 15, 16 est de type de conductivité P tandis que l'autre est de type N, pour former une jonction PN dans la zone centrale 14. On trouve généralement des niveaux de dopage qui vont en croissant du centre vers les bords, cela pour limiter les pertes optiques au centre tout en diminuant la résistivité du composant pour améliorer ses caractéristiques électriques. Le guide d'onde et les composants peuvent être réalisés sur un substrat isolant, par exemple de l'oxyde enterré BOX. Les jonctions PN ainsi créées dans ce type de composant peuvent être endommagées par des surtensions qui atteignent la tension de claquage inverse des jonctions. On 20 souhaite donc protéger ces composants des surtensions. On prévoit ci-après des modes de réalisation de thyristors qui ne nécessitent pas de modification des processus de fabrication existants des composants optiques. La figure 4 est une vue de dessus d'un mode de réalisation de thyristor réalisé dans un guide d'onde 12 en matériau semi-conducteur, par exemple du type ayant une nervure 25 centrale 12-1. Les zones en type de conductivité P sont représentées en gris, et les zones en type de conductivité N sont représentées en blanc. Le thyristor comprend deux segments de guide d'onde adjacents, un segment côté cathode 12C et un segment côté anode 12A. Le segment 12C a une structure de déphaseur de type HSPM, à savoir comprenant une 30 partie longitudinale centrale 14C et une première aile 15C, tous deux de type de conductivité P. La partie distale 16C-1 de la deuxième aile 16C est de type de conductivité N de sorte à former une jonction bipolaire avec la zone centrale. Le segment 12A a une structure de déphaseur de type HSPM complémentaire, à savoir comprenant une partie longitudinale centrale 14A et une première aile 15A, tous deux 5 de type de conductivité N. La partie distale 16A-1 de la deuxième aile 16A est de type de conductivité P de sorte à former une jonction bipolaire avec la zone centrale. Les zones centrales adjacentes 14C et 14A des deux segments forment une troisième jonction bipolaire. Bien que les références 14C et 14A désignant les zones centrales ont été indiquées au niveau de la nervure 12-1 du guide d'onde, ces références désignent 10 une zone plus étendue, notamment une zone qui est de préférence dépourvue de tout élément pouvant perturber la propagation de l'onde optique. Les ailes 15A et 16A du segment 12A ont été représentées adjacentes, respectivement, aux ailes 16C et 15C du segment 12C, mais la configuration inverse est également possible. Le choix des positions relatives des ailes dépend de la position souhaitée des 15 bornes du thyristor obtenu. Chacune des parties distales 16C-1 et 16A-1 est isolée électriquement du segment de guide d'onde adjacent par une zone isolante I, par exemple de l'oxyde de silicium. Avec cette configuration, on obtient un thyristor dont l'anode A se trouve au niveau de la partie distale 16A-1, la cathode C au niveau de la partie distale 16C-1, la gâchette 20 d'anode GA au niveau de l'aile 15A, et la gâchette de cathode GC au niveau de l'aile 15C. Comme cela est représenté, le niveau de dopage majoritaire des segments 12C et 12A peut être celui du caisson (PWELL, NWELL). Les bords de ces segments, sur lesquels sont réalisés les contacts des bornes du thyristor, ont de préférence un niveau de dopage 25 élevé pour diminuer la résistivité, niveau noté N+, P+, correspondant par exemple à 1019 atomes par cm'. Le niveau de dopage élevé (N+, P+) peut s'étendre sur toute la longueur et hauteur du segment. Les bords peuvent être relevées par rapport au plan du guide (figure 3) pour être reliés sur toute leur longueur à des pistes conductrices. On souhaite souvent concevoir le thyristor avec une tension de maintien (VH) et un 30 courant de déclenchement (IL) donnés. Dans la configuration de la figure 4, cela peut être réalisé en ajustant les caractéristiques de la jonction entre les zones centrales 14C et 14A à l'aide de la largeur et la longueur de la zone conductrice centrale restant entre les zones isolantes I. La tension de maintien dépend des gains des transistors bipolaires PNP et NPN et donc de la configuration de leurs bases. Plus la zone isolante I est longue, plus les gains des transistors sont faibles, induisant une tension de maintien plus élevée. De la même manière, plus la zone isolante I est longue, plus la résistance associée est forte, induisant finalement un courant de déclenchement plus faible. Un élargissement de la zone I induit également une augmentation de la résistance. Comme cela est représenté, cette zone conductrice peut être essentiellement réalisée en type de conductivité P. En effet, pour un même niveau de dopage, le type P est plus résistif, ce qui confère une marge de réglage plus grande. Le niveau de dopage influe également sur la résistivité. La largeur de la zone conductrice centrale est limitée à la zone active du guide d'onde, qui déborde de part et d'autre de la nervure centrale. En effet, cette zone active est de préférence laissée libre d'éléments perturbateurs, comme un isolant opaque à la longueur d'onde utilisée. Une fois cette largeur limite atteinte, on ne peut augmenter la résistivité qu'en allongeant la zone conductrice centrale, ce qui augmente l'encombrement du thyristor. La figure 5 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation de thyristor sur guide d'onde utilisant une technique d'isolation électrique qui ne perturbe pas l'onde optique. Cette technique d'isolation permet notamment de réduire la largeur de la zone centrale conductrice en-deçà de la zone active du guide. Chacune des zones isolantes I de la figure 4 a été remplacée par une zone dopée selon des bandes transversales de types de conductivité alternants, partant chacune du bord du guide d'onde. Les bandes sont dopées sur toute la hauteur du guide et forment plusieurs jonctions bipolaires transversales en opposition. Les jonctions en opposition empêchent toute circulation de courant continu perpendiculairement aux bandes. Les bandes et leurs jonctions étant de même nature que le reste du guide d'onde, elles ne perturbent pas la propagation de l'onde optique. Elles peuvent ainsi, comme cela est représenté, pénétrer dans la zone active du guide pour rendre la zone conductrice centrale aussi étroite que souhaité. Pour éviter des courants de fuite, au moins une bande intermédiaire est flottante 30 électriquement. Dans la figure 5, chaque zone isolante comprend cinq bandes à titre d'exemple, dont deux bandes de type N sont flottantes. De préférence les première et dernière bandes sont de types de conductivité opposés à ceux des deux éléments respectifs à isoler, ce qui permet d'augmenter le nombre de jonctions en opposition. Ainsi, comme cela est représenté, les première et dernière bandes de la zone séparant les éléments 16C-1 et 15A sont de type P, tandis que les première et dernière bandes de la zone séparant les éléments 15C et 16A-1 sont de type N. Les bandes de type P peuvent être dans la continuité de la zone centrale rétrécie et avoir le même niveau de dopage (PWELL). Les bandes de type N peuvent avoir le niveau de dopage de la zone centrale 14A (NWELL). La figure 5 représente par ailleurs une variante de configuration des bornes de gâchette GC et GA permettant d'augmenter la résistance de gâchette. Comme cela est représenté les ailes 15C et 15A ont un faible niveau de dopage, noté P- ou N- (par exemple 1016 atomes par cm3), et les bornes de gâchette GC, GA sont disposées sur des plots localement dopés P+ ou N+ et diamétralement opposés par rapport à la jonction centrale du thyristor. Si la résistance est trop élevée, les bornes GC et GA peuvent être rapprochées du centre du thyristor (ou les plots P+, N+ allongés vers le centre du thyristor, ou le niveau de dopage des ailes 15C, 15A augmenté). Si on ne parvient pas à atteindre une résistance suffisamment élevée, les ailes 15C et 15A peuvent être prolongées par des serpentins de même nature que les ailes, au bout desquels sont disposées les bornes de gâchette. Un thyristor du type de la figure 4 ou 5 peut être réalisé sur un guide d'onde à côté de chaque composant à protéger. Dans une configuration du type de la figure 1B, la borne de cathode C du thyristor est reliée à la masse, et la borne d'anode A à la borne active du composant à protéger, par exemple la cathode d'un déphaseur HSPM. La borne de gâchette GC peut également être reliée à la masse, la résistivité de l'aile 15C servant alors de résistance de dépolarisation Rd. La borne de gâchette GA peut aussi être reliée à la masse, en ayant ajusté la résistivité de l'aile 15A pour correspondre à la valeur souhaitée de la résistance de gâchette Rga. La borne GA peut alternativement être commandée par un circuit externe plus complexe. A titre d'exemple, la longueur utile du thyristor de la figure 5, selon le courant à absorber, peut être comprise entre 4 et 20 µm (la largeur du guide d'onde étant de l'ordre de 5 à 6 iam). La longueur de la structure d'isolation vient s'ajouter à la longueur du thyristor. Les bandes de la structure d'isolation peuvent être disposées selon un pas compris entre 0,15 et 3 um. De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits ici apparaîtront à l'homme du métier. Bien que les thyristors décrits soient adaptés à être intégrés dans un guide d'onde, ils peuvent également être réalisés dans des tronçons de guide d'onde fictifs, ne véhiculant aucune onde optique, agencés au voisinage des composants à protéger d'un guide d'onde réel. Les structures d'isolation à bandes de types de conductivité alternés ont été décrites dans une application d'isolation locale de deux zones adjacentes. Ces structures peuvent également être utilisées pour assurer une isolation globale entre deux segments de guide d'onde adjacents, par exemple entre deux dispositifs électro-optiques. Dans ce cas, les bandes traversent toute la largeur du guide d'onde. REVENDICATIONS1. Guide d'onde optique en matériau semi-conducteur comprenant, entre deux parties (16C, 15A) adjacentes du guide, plusieurs bandes parallèles de types de conductivité alternants formant plusieurs jonctions bipolaires en opposition entre les deux parties adjacentes. 2. Guide d'onde selon la revendication 1, dans lequel au moins une des bandes est flottante. 3. Guide d'onde selon la revendication 1, dans lequel les bandes sont configurées transversalement pour définir une zone conductrice longitudinale rétrécie entre deux sections adjacentes (14C, 14A) du guide d'onde.