Brevet FR3088485A1 — publié le 20200515

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR A PLAQUE DE CHAMP DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur à plaque de champ. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION La figure 1 montre un exemple d'un dispositif semi-conducteur 100 à plaque de champ de l'art antérieur. Il s'agit en l'occurrence d'une diode de puissance latérale 100. La diode 100 comporte une hétérostructure formée par la superposition d'une première couche semi-conductrice 101 en nitrure de gallium (GaN) et d'une deuxième couche semi-conductrice 102 en nitrure d'aluminium-gallium (AIGaN). La diode 100 comporte une zone active 103 sous la forme d'un gaz d'électrons présent à l'interface entre les deux couches semi-conductrices 101, 102. La diode 100 comporte également une anode 105 et une cathode 106 disposées sur la première couche semi-conductrice 101. Une couche d'isolation 107 15 s'étendant entre l'anode 105 et la cathode 106 est disposée sur la deuxième couche semi-conductrice 102. La couche d'isolation 107 comporte un matériau diélectrique tel qu'un oxyde de silicium (SiO2) ou un nitrure de silicium (SiN). La plaque de champ est formée par une électrode métallique 108 disposée sur la couche d'isolation 107. La plaque de champ permet d'avoir une meilleur répartition du champ électrique afin 20 d'éviter des pics de champ électrique qui pourraient endommager le dispositif semi- conducteur 100. Un autre effet de la plaque de champ est celui de la déplétion du gaz d'électrons lorsque la diode 100 est polarisée en mode bloqué. Cette déplétion permet de réduire le courant de fuite de la diode 100 polarisée en inverse. La tension 25 de polarisation pour laquelle le gaz d'électrons est complètement déplété dépend de la capacité de la couche d'isolation 107, donc de son épaisseur et de la permittivité du matériau diélectrique qui la compose. Par conséquent, afin de bloquer plus rapidement la diode 100, il est possible d'augmenter la capacité de la couche 2 d'isolation 107, par exemple en diminuant son épaisseur et/ou en utilisant un matériau ayant une plus grande permittivité. Un inconvénient à choisir un matériau diélectrique ayant une plus grande permittivité est que cela augmente le champ électrique dans la diode 100, 5 notamment dans les couches semi-conductrices situées sous la couche d'isolation 107. Pour les fortes valeurs de tension en mode de polarisation bloqué, la diode 100 peut donc subir des dégradations, par exemple un claquage des couches semi-conductrices. De plus, un inconvénient à réduire l'épaisseur de la couche d'isolation est que cette dernière devient plus difficile à former et qu'elle présente une tension de claquage plus faible et donc un risque accru d'être endommagée. RESUME DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre les problèmes qui viennent d'être mentionnés. À cet effet, la présente invention propose un dispositif semi-conducteur 15 comportant : - un substrat ; - une structure semi-conductrice disposée sur le substrat, la structure semiconductrice comprenant au moins une première couche semi-conductrice ; - une couche d'isolation disposée sur la structure semi-conductrice ; 20 - une plaque de champ couvrant une partie de la couche d'isolation ; la couche d'isolation comportant un matériau diélectrique non-linéaire présentant une permittivité qui diminue à mesure qu'un champ électrique traversant le matériau diélectrique augmente. Ainsi, la permittivité du matériau diélectrique non-linéaire est plus élevée 25 lorsque le champ électrique est faible, ce qui permet de dépléter rapidement la zone active du dispositif semi-conducteur. Par contre, lorsque le champ électrique est élevé, la permittivité est plus faible ce qui diminue le champ électrique dans les couches adjacentes de la couche d'isolation. Le risque que les couches adjacentes soient endommagées est donc réduit. 3 Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique présente une permittivité minimale et une permittivité maximale, le rapport entre la permittivité minimale et la permittivité maximale étant inférieur à 70 %. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique présente une 5 permittivité relative maximale au moins égale à 1000. Selon un mode de réalisation, la couche d'isolation présente une épaisseur inférieure à 300 nm. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique non-linéaire est en phase ferroélectrique, en phase ferroélectrique relaxeur ou en phase paraélectrique. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase ferroélectrique de type PZT, PT, BT, KNN ou BNT-BT. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase ferroélectrique relaxeur de type PMN, PMN-PT, PLZT, PST, PSN, BNT ou BZT. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase paraélectrique de type BST ou BCTZ. Selon un mode de réalisation, le dispositif semi-conducteur est une diode ou un transistor. Selon un mode de réalisation, la structure semi-conductrice est une hétérostructure comprenant une deuxième couche semi-conductrice disposée sur la première couche semi-conductrice. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif semi-conducteur à plaque de champ selon l'art antérieur ; 4 - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un dispositif semi-conducteur à plaque de champ selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un exemple d'une courbe de variation de la permittivité relative d'un matériau diélectrique non-linéaire en fonction du champ électrique. s Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION 10 Un mode de réalisation d'un dispositif semi-conducteur 200 selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Le dispositif semiconducteur 200 se présente sous la forme d'une diode de puissance latérale. Le dispositif semi-conducteur 200 comporte une structure semi-conductrice disposée sur un substrat (non représenté). Le substrat peut être en silicium (Si), en 15 carbure de silicium (SiC), en nitrure de galium (GaN), en saphir ou dans tout autre matériau approprié. Dans ce mode de réalisation, la structure semi-conductrice est une hétérostructure formée par l'empilement de couches semi-conductrices ayant des bandes d'énergie interdite différentes. La structure semi-conductrice du dispositif 20 semi-conducteur 200 comporte par exemple une première couche semiconductrice 201 disposée sur le substrat et une deuxième couche semi-conductrice 202 disposée sur la première couche semi-conductrice 201. Selon un autre mode de réalisation, la structure semi-conductrice peut être une structure simple, c'est-à-dire une structure formée par une couche d'un même 25 matériau semi-conducteur mais qui comprend des zones dopées selon des types de conductivité opposés. Dans ce cas, le matériau utilisé pour réaliser la structure semiconductrice peut être du silicium (Si), du germanium (Ge), du carbure de silicium (SiC) ou de l'oxyde de zinc (ZnO). Dans le mode de réalisation de la figure 2, la première couche semi30 conductrice 201 et la deuxième couche semi-conductrice 202 sont composées de 5 matériaux semi-conducteurs de natures physiques différentes. En l'occurrence, la première couche semi-conductrice 201 est en nitrure de gallium (GaN) et la deuxième couche semi-conductrice 202 est en nitrure d'aluminium-gallium (AIGaN). Dans d'autres modes de réalisation, la première couche semi-conductrice 201 5 et la deuxième couche semi-conductrice 202 peuvent respectivement être en GaAs et AlxGai-xAs (x REVENDICATIONS1. Dispositif (200) semi-conducteur comportant : - un substrat ; - une structure semi-conductrice disposée sur le substrat, la structure semi- s conductrice comprenant au moins une première couche semi- conductrice (201) ; - une couche d'isolation (207) disposée sur la structure semi-conductrice ; - une plaque de champ (208) couvrant une partie de la couche d'isolation (207) ; 10 le dispositif semi-conducteur (200) étant caractérisé en ce que la couche d'isolation (207) comporte un matériau diélectrique non-linéaire présentant une permittivité qui diminue à mesure qu'un champ électrique traversant le matériau diélectrique augmente. 2. Dispositif semi-conducteur (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le matériau diélectrique présente une permittivité minimale et une permittivité maximale, le rapport entre la permittivité minimale et la permittivité maximale étant inférieur à 70 %. 3. Dispositif semi-conducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique présente une permittivité relative 20 maximale au moins égale à 1000. 4. Dispositif semi-conducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche d'isolation (207) présente une épaisseur inférieure à 300 nm. 5. Dispositif semi-conducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique non-linéaire est en phase ferroélectrique, en phase ferroélectrique relaxeur ou en phase paraélectrique. 6. Dispositif semi-conducteur (200) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase ferroélectrique de type PZT, PT, BT, KNN ou BNT-BT. 12 7. Dispositif semi-conducteur (200) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase ferroélectrique relaxeur de type PMN, PMN-PT, PLZT, PST, PSN, BNT ou BZT. 8. Dispositif semi-conducteur (200) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique non-linéaire est une solution solide en phase paraélectrique de type BST ou BCTZ. 9. Dispositif semi-conducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur (200) est une diode ou un transistor. 10. Dispositif semi-conducteur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la structure semi-conductrice est une hétérostructure comprenant une deuxième couche semi-conductrice (202) disposée sur la première couche semi-conductrice (201).