Brevet FR3122036A1 — publié le 20221021

L’invention concerne un dispositif (100) qui comprend un empilement de deux transistors à haute mobilité électronique, dits premier (200) et deuxième (300) transistor, séparés par une couche isolante (400) et pourvus chacun d’un empilement de couches semi-conductrices dits, respectivement, premier empilement et deuxième empilement, le premier et le deuxième empilement comprennent chacun, à partir de la couche isolante (400) vers, respectivement, une première face (100a) et une deuxième face (100b), une couche barrière (201, 301) et une couche canal (202, 302), le premier (200) et le deuxième (300) transistor comprennent, respectivement, un premier jeu d’électrodes et un deuxième jeu d’électrodes, le premier et le deuxième jeu d’électrodes comprennent chacun une électrode de source (204, 304), une électrode de drain (205, 305) et une électrode de grille (206, 306) qui sont agencées de sorte que le premier (200) et le deuxième (300) transistor soient électriquement connectés tête-bêche. Figur e 2 DISPOSITIF BIDIRECTIONNEL POURVU D’UN EMPILEMENT DE DEUX TRANSISTORS A HAUTE MOBILITE ELECTRONIQUE CONNECTES TETE-BECHE DOMAINE DE L’INVENTION L’invention se rapporte au domaine de l’électronique, et notamment de l’électronique de puissance. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif pourvu de deux transistors à haute mobilité électronique. Le dispositif selon la présente invention est notamment agencé pour permettre une meilleure intégration des deux transistors à haute mobilité électronique. L’agencement prévu dans la présente invention permet à cet égard l’obtention d’un dispositif bidirectionnel et compact. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les transistors à haute mobilité électronique (« HEMT » ou « High Electron Mobility Transistor » selon la terminologie Anglo-Saxonne), bien connus de l’homme du métier, sont aujourd’hui largement mis en œuvre dans le domaine des hyperfréquences et celui des commutateurs pour les convertisseurs en électronique de puissance. A cet égard, ces transistors HEMT sont généralement élaborés à partir de couches de matériaux semi-conducteur III-V et plus particulièrement des matériaux semi-conducteur III-N. Notamment, la représente un transistor HEMT 10 connu de l’état de la technique. Ce transistor HEMT 10 est pourvu d’un empilement 13 qui comprend, d’une face avant 11 vers une face arrière 12, une couche d’isolant 14, une couche barrière 15 et une couche canal 16 apte à former une couche de conduction 16a sous forme d’une couche de gaz électronique à deux dimensions. En particulier, la couche de conduction 16a s’étend dans la couche canal 16 à partir d’une interface 15a, formée entre la couche barrière 15 et ladite couche canal 16. Les matériaux semi-conducteur III-V choisis pour former la couche barrière 15 et/ou la couche canal 16 peuvent comprendre du nitrure de gallium (GaN), du nitrure d’aluminium (AlN), des alliages ternaires Al x Ga 1-x N x , de l’arséniure de gallium (GaAs), des alliages de ternaires d’AlGaAs ou d’InGaAs. Par exemple, la couche barrière 15 et la couche canal 16 peuvent comprendre, respectivement, un composé d’AlGaN et du GaN. La couche d’isolant 14 peut comprendre un matériau diélectrique et notamment du dioxyde de silicium (SiO 2 ) ou nitrure de silicium (Si 3 N 4 ). Le transistor HEMT 10 comprend également une électrode de source 17 et une électrode de drain 18 en contact électrique avec la couche de conduction 16a. Plus particulièrement, l’électrode de source 17 et l’électrode de drain 18 débouchent par la face avant 11, et traversent la couche barrière 15 afin d’atteindre l’interface 15a et contacter électriquement la couche de conduction 16a. L’électrode de source 17 et l’électrode de drain 18 peuvent traverser partiellement ou intégralement la couche de conduction 16a. L’électrode de source 17 et l’électrode de drain 18 peuvent comprendre une espèce métallique, par exemple de l’aluminium, remplissant des tranchées formées dans l’empilement 13. Le transistor HEMT 10 comprend également une électrode de grille 19 destinée à se voir imposer une tension Vg permettant de contrôler l’état de la couche de conduction 16a. Notamment, dès lors que la différence de potentiel électrique entre l’électrode de grille 19 et l’électrode de source 17, notée Vg-Vs, est supérieure à une tension de seuil Vth caractéristique du transistor HEMT 10, ledit transistor est dans l’état passant. A contrario, dès lors que Vg-Vs est inférieure à Vth, le transistor HEMT 10 est dans l’état non-passant, et se comporte donc comme un interrupteur ouvert. Aussi, dépendamment de la valeur de la tension de seuil Vth, et plus particulièrement de son signe, un transistor HEMT peut être en mode déplétion (« normally on » selon la terminologie Anglo-Saxonne) si sa tension de seuil Vth est négative, ou en mode enrichissement (« normally off » selon la terminologie Anglo-Saxonne) si sa tension de seuil Vth est positive. Un tel transistor à haute mobilité électronique présente toutefois une résistivité Ron (Ron étant la résistance drain/source à l’état passant) à l’état passant qui limite l’intensité du courant susceptible de circuler dans la couche de conduction. A cet égard, les principaux paramètres influençant la résistivité Ron sont : - la résistance surfacique de la couche canal ; - la résistance des contacts entre la couche de conduction et les électrodes de source et de drain ; - les résistivités électriques des métaux de routage des puces ; - les résistances électriques induites dans l’assemblage final dans lequel est intégré le transistor à haute mobilité électronique. Il est par ailleurs des situations, notamment dans le domaine de la conversion et/ou du stockage d’énergie, pour lesquelles une bidirectionnalité des transistors HEMT bidirectionnels peut être requise. Toutefois, de tels transistors bidirectionnels, à moins d’occuper une surface relativement importante, présentent une résistivité à l’état passant Ron trop élevée. Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif électronique bidirectionnel pourvu de transistors à haute mobilité électronique plus compact et présentant une résistivité à l’état passant raisonnable au regard des dispositifs connus de l’état de la technique. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif électronique bidirectionnel susceptible de fonctionner à de forte tensions électriques et notamment supérieures à 600 kV. BREVE DESCRIPTION DE L’INVENTION Les buts de la présente invention sont, au moins en partie, atteints par un dispositif qui comprend un empilement de deux transistors à haute mobilité électronique, dits premier et deuxième transistor, séparés par une couche isolante et pourvus chacun d’un empilement de couches semi-conductrices dits, respectivement, premier empilement et deuxième empilement, le premier et le deuxième empilement comprennent chacun, à partir de la couche isolante vers, respectivement, une première face et une deuxième face, une couche barrière et une couche canal, le premier et le deuxième transistor comprennent, respectivement, un premier jeu d’électrodes et un deuxième jeu d’électrodes, le premier et le deuxième jeu d’électrodes comprennent chacun une électrode de source, une électrode de drain et une électrode de grille qui sont agencées de sorte que le premier et le deuxième transistor soient électriquement connectés tête-bêche. La connexion tête-bêche des deux transistors HEMT permet ainsi de former un dispositif compact et bidirectionnel. La mise en œuvre de deux transistors HEMT, plutôt qu’un unique transistor HEMT bidirectionnel, permet également de limiter la résistivité Ron. Ce dispositif n’implique pas de redimensionnement majeur des transistors HEMT. Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif comprend deux terminaux dits, respectivement, premier terminal et deuxième terminal, le premier terminal étant en contact électrique avec l’une des électrodes de drain du premier jeu et de source du deuxième jeu, et le deuxième terminal étant en contact électrique avec l’une des électrodes de drain du deuxième jeu et de source du premier jeu. Selon un mode de mise en œuvre, le premier terminal comprend un premier plot reposant sur l’une ou l’autre de la première face et de la deuxième face, et le deuxième terminal comprend un deuxième plot reposant sur l’une ou l’autre de la première et de la deuxième face. Selon un mode de mise en œuvre, l’électrode de grille du premier jeu et l’électrode de grille du deuxième jeu sont agencées pour contrôler le passage, respectivement du premier transistor et du deuxième transistor, de l’un d’un état passant et d’un état non passant vers l’autre de ces deux états. Selon un mode de mise en œuvre, la couche canal du premier transistor, lorsque ce dernier est dans un état passant, est apte à former un couche de conduction, dite première couche de conduction, et dans laquelle un courant est susceptible de circuler du premier terminal vers le deuxième terminal, et la couche canal du deuxième transistor, lorsque ce dernier est dans un état passant, est apte à former un couche de conduction, dite deuxième couche de conduction, et dans laquelle un courant est susceptible de circuler du deuxième terminal vers le premier terminal. Selon un mode de mise en œuvre, la connexion électrique tête-bêche du premier et du deuxième transistor comprend une connexion de l’électrode de drain du premier jeu avec l’électrode de source du deuxième jeu et de l’électrode de source du premier jeu avec l’électrode de drain du deuxième jeu. Selon un mode de mise en œuvre, la connexion entre l’électrode de drain du premier jeu avec l’électrode de source du deuxième jeu est directe de sorte que chacune de ces deux électrodes sont au même potentiel électrique, et la connexion entre l’électrode de source du premier jeu avec l’électrode de drain du deuxième jeu est directe de sorte que chacune de ces deux électrodes sont au même potentiel électrique. Selon un mode de mise en œuvre, l’électrode de source du premier jeu est confondue avec l’électrode de drain du deuxième jeu, et l’électrode de drain du premier jeu est confondue avec l’électrode de source du deuxième jeu. Selon un mode de mise en œuvre, une diode, dite première diode, est intercalée entre l’électrode de source du premier jeu avec l’électrode de drain du deuxième jeu, ladite première diode étant agencée pour permettre la circulation d’un courant du premier terminal vers le deuxième terminal, et une autre diode, dite deuxième diode, est intercalée entre l’électrode de drain du premier jeu avec l’électrode de source du deuxième jeu, ladite deuxième diode étant agencée pour permettre la circulation d’un courant du deuxième terminal vers le premier terminal. La mise en œuvre de la première et de la deuxième diode rend ainsi possible d’utiliser le dispositif pour des hautes tensions, et notamment supérieures à 600 kV. Selon un mode de mise en œuvre, la première diode et la deuxième diode sont formées, respectivement, dans le premier empilement et le deuxième empilement. Selon un mode de mise en œuvre, la couche isolante comprend un matériau diélectrique, avantageusement, du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium. Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif comprend des plots, dits premier plot grille et deuxième plot grille, disposés, respectivement, sur la première face et la deuxième face, le premier plot grille contactant électriquement l’électrode de grille du premier jeu, et le deuxième plot grille contactant électriquement l’électrode de grille du deuxième jeu. Selon un mode de mise en œuvre, le premier et le deuxième empilement sont essentiellement identiques. Selon un mode de mise en œuvre, le premier et le deuxième transistor présentent une tension de seuil identique. Selon un mode de mise en œuvre, les deux couches canal comprennent du GaN et les couches barrière comprennent un alliage ternaire d’AlGaN. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : La est une représentation schématique d’un transistor HEMT connu de l’état de la technique, notamment, le transistor HEMT est représenté selon un plan de coupe perpendiculaire à la face avant ; La est une représentation schématique d’un dispositif, selon un plan de coupe passant par la zone active dudit dispositif, conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention ; La est une représentation schématique d’un dispositif, selon un plan de coupe en dehors de la zone active, conforme au premier mode de réalisation de la présente invention ; La est une représentation illustrant le positionnement déporté du premier plot grille permettant de connecter électriquement l’électrode de grille du dispositif de la selon une vue par la première face dudit dispositif ; La est une représentation schématique du dispositif de la lorsque le premier transistor est dans l’état passant et le deuxième transistor dans l’état non passant, la ligne fléchée représentant la circulation du courant selon le premier sens ; La est une représentation schématique du dispositif de la lorsque le premier transistor est dans l’état non passant et le deuxième transistor dans l’état passant, la ligne fléchée représentant la circulation du courant selon le deuxième sens ; La est une représentation schématique d’un dispositif, selon un plan de coupe passant par la zone active dudit dispositif, conforme à un deuxième mode de réalisation de la présente invention ; La est une représentation schématique d’un dispositif, selon un plan de coupe passant par la zone active dudit dispositif, conforme au deuxième mode de réalisation de la présente invention et pour lequel la première et la deuxième diode sont réalisées dans, respectivement, le premier empilement et le deuxième empilement. Dispositif (100) qui comprend un empilement de deux transistors à haute mobilité électronique, dits premier (200) et deuxième (300) transistor, séparés par une couche isolante (400) et pourvus chacun d’un empilement de couches semi-conductrices dits, respectivement, premier empilement et deuxième empilement, le premier et le deuxième empilement comprennent chacun, à partir de la couche isolante (400) vers, respectivement, une première face (100a) et une deuxième face (100b), une couche barrière (201, 301) et une couche canal (202, 302), le premier (200) et le deuxième (300) transistor comprennent, respectivement, un premier jeu d’électrodes et un deuxième jeu d’électrodes, le premier et le deuxième jeu d’électrodes comprennent chacun une électrode de source (204, 304), une électrode de drain (205, 305) et une électrode de grille (206, 306) qui sont agencées de sorte que le premier (200) et le deuxième (300) transistor soient électriquement connectés tête-bêche. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif (100) comprend deux terminaux dits, respectivement, premier terminal et deuxième terminal, le premier terminal étant en contact électrique avec l’une des électrodes de drain (205) du premier jeu et de source (304) du deuxième jeu, et le deuxième terminal étant en contact électrique avec l’une des électrodes de drain (305) du deuxième jeu et de source (204) du premier jeu. Dispositif (100) selon la revendication 2, dans lequel le premier terminal comprend un premier plot reposant sur l’une ou l’autre de la première face (100a) et de la deuxième face (100b), et le deuxième terminal comprend un deuxième plot reposant sur l’une ou l’autre de la première et de la deuxième face. Dispositif (100) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’électrode de grille (206) du premier jeu et l’électrode de grille (306) du deuxième jeu sont agencées pour contrôler le passage, respectivement du premier transistor (200) et du deuxième transistor (300), de l’un d’un état passant et d’un état non passant vers l’autre de ces deux états. Dispositif (100) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la couche canal (202) du premier transistor (200), lorsque ce dernier est dans un état passant, est apte à former une couche de conduction, dite première couche de conduction (203), et dans laquelle un courant est susceptible de circuler du premier terminal vers le deuxième terminal, et la couche canal (302) du deuxième transistor, lorsque ce dernier est dans un état passant, est apte à former un couche de conduction, dite deuxième couche de conduction (303), et dans laquelle un courant est susceptible de circuler du deuxième terminal vers le premier terminal. Dispositif (100) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel la connexion électrique tête-bêche du premier et du deuxième transistor comprend une connexion de l’électrode de drain (205) du premier jeu avec l’électrode de source (304) du deuxième jeu et de l’électrode de source (204) du premier jeu avec l’électrode de drain (305) du deuxième jeu. Dispositif (100) selon la revendication 6, dans lequel la connexion entre l’électrode de drain (205) du premier jeu avec l’électrode de source (304) du deuxième jeu est directe de sorte que chacune de ces deux électrodes sont au même potentiel électrique, et la connexion entre l’électrode de source (204) du premier jeu avec l’électrode de drain (305) du deuxième jeu est directe de sorte que chacune de ces deux électrodes sont au même potentiel électrique. Dispositif (100) selon la revendication 7, dans lequel l’électrode de source (204) du premier jeu est confondue avec l’électrode de drain (305) du deuxième jeu, et l’électrode de drain (205) du premier jeu est confondue avec l’électrode de source (304) du deuxième jeu. Dispositif (100) selon la revendication 6, dans lequel une diode, dite première diode (D1), est intercalée entre l’électrode de source (204) du premier jeu avec l’électrode de drain (305) du deuxième jeu, ladite première diode (D1) étant agencée pour permettre la circulation d’un courant du premier terminal vers le deuxième terminal, et une autre diode, dite deuxième diode (D2), est intercalée entre l’électrode de drain (205) du premier jeu avec l’électrode de source (304) du deuxième jeu, ladite deuxième diode (D2) étant agencée pour permettre la circulation d’un courant du deuxième terminal vers le premier terminal. Dispositif (100) selon la revendication 9, dans lequel la première diode (D1) et la deuxième diode (D2) sont formées, respectivement, dans le premier empilement et le deuxième empilement. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la couche isolante (400) comprend un matériau diélectrique, avantageusement, du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel ledit dispositif (100) comprend des plots, dits premier plot grille (208) et deuxième plot grille (308), disposés, respectivement, sur la première face (100a) et la deuxième face (100b), le premier plot grille (208) contactant électriquement l’électrode de grille (206) du premier jeu, et le deuxième plot grille (308) contactant électriquement l’électrode de grille (306) du deuxième jeu. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le premier et le deuxième empilement sont essentiellement identiques. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel le premier (200) et le deuxième (300) transistor présentent une tension de seuil identique. Dispositif (100) selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel les deux couches canal (202,302) comprennent du GaN et les couches barrière comprennent un alliage ternaire d’AlGaN.