Dispositif semiconducteurs multicanaux à effet de champ
La présente invention concerne, d'une façon générale des dispositifs à semiconducteur à effet de champ, amplificateurs, oscillateurs ou de commutation comportant une pluralité de canaux en un matériau semiconducteur d'un type de conductivité donné, traversant une grille intérieure au dispositif, constituée de ce même matériau semiconducteur mais de type de conductivité opposé, et réunis à leurs extrémités par des couches du matériau semiconducteur du type de conductivité donné. Ces dispositifs à semiconducteur à effet de champ du type multicanaux sont souvent dénommés gridistors. Plus particulièrement, l'inventif concerne la constitution de la grille de commande.
Bien que l'on se borne à considérer dans ce qui suit le seul cas des dispositifs à semiconducteur à une grille (triodes), I'invention s'applique également aux dispositifs à deux grilles de commande (tétrodes).
Les contacts terminaux de source et de drain d'une telle structure sont ohmiques dans le cas des gridistors unipolaires (à porteurs majoritaires) destinés au domaine dit des courants faibles et des hautes et très hautes fréquences, et sont injectants (à porteurs minoritaires et majoritaires) dans le cas des gridistors bipolaires destinés au domaine dit des courants forts. Ces contacts terminaux sont situés sur les faces terminales de la plaquette semi-conductrice constituant le gridistor.
Un contact, toujours ohmique, avec le corps de la grille est également nécessaire. I1 est pris à l'intérieur de la plaquette par une opération de diffusion et par soudure, éventuellement après creusage chimique ou électrochimique de la plaquette dégageant une portion idoine du corps de la grille.
Le contact de grille étant effectué, il importe que la résistance du corps de la grille entre la prise de contact et le canal conducteur le plus éloigné, résistance qui constitue une gêne au fonctionnement du gridistor, soit suffisamment faible pour que l'effet de champ puisse s'exeroer à peu près simultanément et sans retard appréciable sur tous les canaux de la structure. En effet, pour les gridistors unipolaires, la résistance élevée du corps de la grille et la capacité de la structure pour un signal appliqué entre la grille et l'une des électrodes terminales conduisent à une constante de temps de charge également élevée, pour peu que les dimensions de la structure soient appréciables; il s'ensuit une diminution notable des performances en haute frequence.
A titre indicatif, il est désirable que cette constante de temps ne dépasse pas l'ordre de grandeur de O-1os.
Pour des gridistors bipolaires, dont les dimensions sont nécessairement relativement importantes, étant donné les puissances à commander, la résistance excessive de la grille risque de contrecarrer l'élimination rapide hors des canaux du plasma de porteurs, élimination indispensable pour y permettre le développement des charges d'espace; cette elimination correspond, en effet, à une pointe de courant de grille, d'une très courte durée (généralement de l'ordre d'une fraction de microseconde, mais en revanche d'une amplitude très appréciable (de l'ordre d'une dizaine à quelques dizaines d'ampères), qui doit être fournie sous une tension de commande de grille relativement faible (de l'ordre d'une dizaine à quelques dizaines de volts tout au plus).
D'autre part, pour tirer la quintessence de la structure d'un gridistor, il importe que la part de la surface dévolue aux canaux dans la surface totale de la grille soit la plus grande possible, donc que les interstices entre ces canaux soient aussi réduits que possible. I1 s'ensuit que la résistance spécifique du corps de la grille sera nécessairement relativement élevée, même avec la plus haute concentration d'atomes d'impuretés pratiquement réalisable.
On remarque ainsi une incompatibilité apparente entre les deux conditions fondamentales rappelées cidessus: résistance de grille faible et très nombreux canaux. La présente invention a pour but de lever cette incompatibilité.
Selon l'invention, il est prévu un dispositif semiconducteur multicanaux à effet de champ comprenant, dans une plaquette-substrat de matériau semiconducteur d'un type de conductivité donné, des regions de source et de drain sur les faces parallèles de la plaquette, une grille interne diffusée du type de conductivité opposé délimitant une pluralité de canaux conducteuts, ladite grille comportant une zone pleine et des bandes partant de ladite zone, zone et bandes intérieures à la plaquette et dépourvues de canaux, et une zone superficielle de grille diffusée à ladite zone pleine et auxdites bandes et en contact ohmique avec elles.
Grâce à cette disposition, la grille reste sensiblement équipotentielle par rapport au potentiel de son point d'alimentation.
L'efficacité d'une grille substantiellement équipotentielle est subordonnée à la perfection du contact entre la plage superficielle de la grille à laquelle est soudée l'électrode de grille et le corps interne de la grille, sans quoi la résistance de la grille risque d'être majorée d'une résistance de contact d'un ordre de grandeur ou même de plusieurs ordres de grandeur supérieure.
Dans la construction des gridistors dite plane où le contact de grille est obtenu par la diffusion d'une plage de contact jusqu'à pénétration dans le corps de la grille, on dispose pour effectuer ce contact d'un temps strictement limité. En effet, il faut avoir présent à l'esprit que la structure de grille formée à l'origine subit trois expansions après diffusion, l'une pendant la croissance épitaxiale, la seconde durant la transformation du masque de silice destiné à la formation du cadre pour prise de contact intérieur de grille et la troisième durant la diffusion du cadre de contact intérieur de grille. Ces expansions entraînent une réduction du diamètre des canaux et une augmentation de leur longueur.
Si l'on veut maintenir l'ouverture des canaux qui traversent la grille suffisamment grande (ce qui conditionne la haute valeur de la transconductance et aussi ce qui est nécessaire pour les dispositifs de puissance, une relativement haute valeur du courant traversant) et aussi si l'on veut réduire le plus possible la longueur des canaux dans la grille, ce qui est indispensable pour des dispositifs devant fonctionner à très haute fréquence, il faut limiter le temps de diffusion pour prise de contact intérieur de grille. Ce temps est évidemment d'autant plus limité, toutes conditions égales d'ailleurs, que la section de chaque maille dans le masque de diffusion est plus petite, ce qui est cependant une condition nécessaire pour l'obtention d'une densité maximale de canaux.
Le contact de grille peut être réalisé par diffusion d'une impureté du même type de conductivité que la grille dans l'épaisseur de la couche du type de conductivité opposé qui constitue la région de source; ladite épaisseur est réduite par attaque chimique aux emplacements où doit être réalisée ladite diffusion, antérieurement à celle-ci.
En variante, le contact de grille est réalisé par diffusion d'une impureté appartenant au même groupe de la classification périodique que l'impureté utilisée pour la formation de la grille mais ayant une coefficient de diffusion plus élevé.
Des formes d'exécution de l'invention seront maintenant décrites en détail, à titre d'exemple, en relation avec les dessins annexés dans lesquels:
- les figs. 1 et 2 sont respectivement une coupe en élévation selon la ligne de coupe 1-1 de la Fig. 2 et une coupe en plan selon la ligne de coupe 2-2 de la
Fig. 1, d'un dispositif à semiconducteur multicanaux à effet de champ de l'art antérieur;
- la Fig. 3 est une coupe en plan d'une structure de l'art antérieur ayant une forme de losange;
- la Fig. 4 est une coupe en plan d'un premier dispositif multicanaux à effet de champ ayant une forme géométrique en hexagone et conforme à l'invention;
- les Figs. 5 et 6 représentent respectivement une coupe en plan et une coupe en élévation d'un second dispositif multicanaux à effet de champ ayant une forme géométrique en losange et conforme à l'invention;
;
- la Fig. 7 représente un dispositif multicanaux à effet de champ semblable à celui des Figs. 5 et 6, mais présentant en outre un amincissement de la couche de source au droit du cadre périphérique de la grille;
- la Fig. 8 est un détail agrandi du dispositif de la
Fig. 7;
- les Figs. 9 et 10 représentent respectivement une coupe en élévation et une coupe en plan d'un troisième dispositif multicanaux à effet de champ dans lequel le cadre périphérique de grille est supprimé et remplacé par une plage centrale;
- la Fig. 11 représente un détail du dispositif des
Figs. 9 et 10;
- la Fig. 12 représente un dispositif à semiconducteur multicanaux à effet de champ à canaux rectangulaires incorporant les caractéristiques de l'invention;
- la Fig. 13 représente un dispositif à semiconducteur multicanaux à effet de champ conforme à l'invention mais à plus grande surface;
et
- les Figs. 14, 15 et 16 sont des Figures servant à l'explication du fonctionnement des dispositfs à semiconducteur de l'invention et notamment à l'explication du choix des résistivités des différentes couches de matériau semiconducteur qui les constituent.
La structure de la Fig. 1 est une transposition convenablement aménagée de la Fig. 6 du brevet suisse no 415 859 du 7 Décembre 1962 prise à titre d'exemple d'un dispositif à effet de champ du type multicanaux de l'art antérieur. Il se compose d'une plaquette 1 en silicium de type n dont une couche superficielle 2 est surdopée, notamment en n+ pour les gridistors unipolaires. Sur cette couche est soudée une électrode de drain 9. A la suface de la couche 1 est formé un masque de silice qui a substantiellement la forme représentée dans la Fig. 2 bien que cette figure représente aussi, comme on le verra, une coupe de dis positif par le plan marqué 2-2 sur la Fig. 1. On effectue une diffusion de type p à travers ce masque dans le but du former la grille qui comprend les interstices entre canaux et un cadre périphérique.
Le masque comprend des zones circulaires 17 et une zone 11 extérieure au périmètre de la structure. Il soustrait à la diffusion ces zones 17 correspondant aux ouverture de canaux, ainsi que la surface 11 de la plaquette extérieure au cadre de la grille. Sont par contre soumis à une diffusion de type p, les interstices 14 entre les canaux, ainsi, que le cadre périphérique 15, où sera pris le contact de grille. On enlève ensuite le masque d'oxyde et on effectue le dépôt épitaxial d'une couche de silicium 3 de type n; enfin, on diffuse à travers un nouveau masque un anneau extérieur 8 de type p+, venant faire une jonction p+-p avec le cadre de la grille. Cet anneau est ensuite métallisé afin de réduire au minimum sa résistance et il constitue le contact de grille. Une couche surdopée n+ de source 6 est ensuite formée.
Dans le cas de gridistors unipolaires la couche de drain 9 est en p+.
On voit sur la Fig. 1 la grille 4, le cadre 5, les canaux 7, les régions 1 et 3 qui mettent les canaux en parallèle, l'anneau extérieur de contact de grille 8 et les électrodes de source et de drain 6 et 9. Ainsi qu'on l'a dit dans l'entrée en matière, la grille subit une extension pendant la croissance épitaxiale, la formation du masque de cadre et la diffusion du contact de cadre. Il en résulte que le diamètre d'un canal 7 en son centre est inférieur au diamètre d'un cerole 17 et que l'épaisseur d'une maille 4 de la grille est supérieure à la largeur d'un interstice 14. On peut dire que la
Fig. 2 est une vue en plan du dispositif quand il est limité à la surface libre de la plaque 1 avant enlèvement du masque d'oxyde.
On peut également dire comme déjà signalé que la Fig. 2 est une coupe du dispositif terminé par le plan 2-2 de la Fig. 1 qui coupe les canaux au voisinage de leur embouchure à l'endroit où ceux-ci ont un diamètre ab pratiquement égal à celui d'un cercle 17 et coupe les mailles à l'endroit où leur épaisseur bc est égal à la largeur d'un interstice 14.
De nombreuses variantes portant sur la géométrie de cette structure de l'art antérieur sont possibles, dont plusieurs types ont été cités dans le brevet suisse précité, variantes comportant des canaux de section circulaire, carrée ou rectangulaire, ayant des dimensions et des intervalles quelconques. En se bornant ici, à titre d'exemple, au cas des canaux à section circulaire, on a représenté (Fig. 3) un dispositif à semiconducteur ayant, en plan, une géométrie en losange toujours avec disposition des canaux en quinconce. Cette géométrie, tout en assurant une densité maximale des canaux, permet de réduire la constante de temps d'attaque de la grille, par la réduction de la distance du canal central à la périphérie, moyennant une légère dégradation du rapport périmètre/surface de la structure. Le dispositif à semiconducteur est désigné, dans son ensemble, par 21.
Les embouchures des canaux sont représentées par des cercles hachurés 27; les interstices de canaux sont désignés par 24, le cadre de la grille par 25, enfin la surface extérieure au cadre par 24. Le contour de la couche n+ de source est représenté par le trait pointillé 26.
Toutefois, cette utilisation optimale de la surface n'évite pas la nécessité de l'accroître lorsqu'on désire augmenter la puissance du dispositif. Dès lors, deux solutions se présentent: ou bien coupler en parallèle des dispositifs à géométrie simple suivant les Figs. 2 ou 3 ou bien réaliser une structure unique à surface agrandie avec augmentation concomitante de la proportion de la surface dévolue aux canaux dans la surface totale du dispositif Cette seconde solution est préférable, mais elle comporte l'inconvénient déjà signalé dans le préambule de rendre excessive la résistance équivalente du corps de la grille, certains canaux se trouvant relativement loin du contact de grille.
On y remédie par l'introduction, dans le corps de grille, de sondes de faible résistance issues du, ou en contact ohmique avec, le cadre périphérique ou, plus généralement, avec le contact de grille. Ces sondes sont intégrées dans le corps de la grille ou du moins en contact ohmique avec ce corps.
La structure de forme hexagonale 41 de la Fig. 4 comporte un cadre 45, figuré en hachuré, auquel est fixé le contact de grille non représenté sur le dessin.
De ce cadre sont issues six sondes 40 partant des sommets vers le centre de l'hexagone. Ces sondes font partie de la grille au même titre que le cadre 45; elles réduisent notablement la distance séparant le canal le plus éloigné de l'électrode de polaristation de la grille.
La couche n+ de source doit évidemment contourner ces sondes; son contour 46 est représenté en pointillé sur la Fig. 4. Comme le cadre périphérique, les sondes seront de préférence ramenées en surface par diffusion, puis métallisées.
Dans le cas de la géométrie en losange qui, pour la même surface, conduit à une distance maximale canal-electrode de polarisation de la grille > moindre, on pourra se contenter de quatre sondes 30 comme représenté sur les Figs. 5 et 6.
En se référant à la Fig. 6, le dispositif à semiconducteur comprend un plaquette de silicium de type n, 1 dont une couche 2 est surdopée en n+ et revêtue d'une électrode métallique de drain 39. La plaquette 1 est surmontée d'une couche 3 formée par épitaxie. La grille 34 en semiconducteur de type p comporte un cadre 35 et délimite des canaux 37. Ce cadre est ramené en surface par un cadre superficiel diffusé 38 auquel sont réunies quatre sondes 30 dirigées vers l'intérieur. Comme le cadre, les sondes 30 comportent une partie interne analogue à 35 et une partie superficielle analogue à 38. La région de source surdopée et métallisée est représentée en 36.
Par rapport aux dispositifs à semiconducteur multicanaux à effet de champ de l'art antérieur, et pour une surface dévolue aux canaux semblable dans les deux cas, les dispositifs des Figs. 4 à 6 permettant d'abaisser dans un rapport de quatre à six la résistance de la grille.
La réalisation du cadre et des sondes superficielles surmontant le cadre et les sondes internes présentent des difficultés car il faut que cadre superficiel et cadre interne, et sondes superficielles et sondes internes, aient un contact ohmique dans le plan 32 de la Fig. 6.
Pour faire ressortir ces difficultés, le procédé de fabrication du dispositif des Figs. 5 et 6 est rappelé ci-apErès.
L'élément choisi pour former la grille par diffusion (bore par exemple) est d'abord déposé et prédiffusé à travers les orifices d'un masque d'oxyde formé au préalable à la surface libre de la couche 1, représentée par la ligne en traits interrompus 33. Après l'enlèvement de la couche d'oxyde, on procède à la formation par épitaxie de la couche 3, pendant laquelle l'impureté déposée diffuse de part et d'autre du plan 33. A la suite de cette opération, on procède à la formation du cadre 38 par diffusion d'un élément du même groupe
III que pour la grille (de préférence, également du bore) à travers les orifices d'un masque formé à la surface libre de la couche 3. Enfin, on procède à la diffusion d'un élément du groupe V (phosphore, par exemple) pour former la couche de source 36.
La difficulté de ce processus de fabrication provient du fait que la diffusion de la grille se poursuit pendant toutes les opérations de diffusion ultérieures, ce qui limite le temps disponible pour la diffusion du cadre 38 et des sondes 30, sous peine de réduire exagérément la section des canaux 37 de la grille ainsi que la distance entre le sommet de la grille et la couche de source 36.
Pour éviter ce risque, on est conduit, d'une part à augmenter les dimensions des intervalles pleins entre les. orifices du masque utilisé pour la diffusion de la grille, ce qui limite la densité de canaux réalisable, d'autre part à accroître la hauteur de la couche 3, ce qui augmente la durée de la diffusion du cadre 38, et par conséquent celle de la grille. fil s'ensuit un accroissement de la longueur des canaux 37 qui abaisse la fréquence limite de fonctionnement et une diminution de leur section qui réduit la transconductance et le courant de drain.
La solution de cette difficulté est fournie par un profilage de la couche 3, consistant à réduire 1Xépais- seur de cette couche aux endroits où le cadre 38 doit être diffusé Ce profilage est représenté en détail sur la Fig. 8 et, intégré dans l'ensemble de la structure, sur la Fig.7. Des éléments de la Fig. 7 qui sont homologues de ceux de la Fig. 6 et inchangés sont désignés par les mêmes numéros de référence.
On voit ainsi le substrat surdopé 2, par exemple en n+, la couche 1 de type n qui le surmonte, la couche épitaxiée 3, du même type la grille 34 de type p délimitant les canaux 37 et son cadre 31 diffusés de part et d'autre du plan 33, le cadre supérieur 52 formé par diffusion de manière à venir en contact intime avec le cadre 35 suivant la surface d'interpénétration 32 et la couche de source 36 surdopée de type n+.
La différence essentielle de la structure de la
Fig. 7, par rapport au gridistor de la Fig. 6, est que la couche épitaxiée 3 est creusée, suivant le tracé du cadre 35, d'une gorge 51 réduisant notablement la profondeur de diffusion nécessaire du cadre superficiel 52.
La réduction de la durée totale de diffusion de la grille qui en résulte procure le double avantage de permettre une augmentation très substantielle de la densité des canaux et, par conséquent, du facteur de mérite et de réduire la longueur de ceux-ci pratiquement de moitié, d'où il résulte que la fréquence limite intrinsèque de fonctionnement d'un gridistor conforme à la
Fig. 7 peut atteindre le double de celle d'un transistor conformé à la Fig. 6 présentant par ailleurs les mêmes spécifications.
La Fig. 8 montre la gorge 51 en détail pour faciliter l'exposé de son processus de fabrication. Cette gorge est creusée par attaque chimique à travers les orifices du masque d'oxyde préparé pour la diffusion du cadre 52. Ces orifices ayant été dégagées par dissolution du masque de silice, par attaque chimique par exemple par de l'acide fluorhydrique, selon le tracé du cadre 52, la couche 3 de silicium est attaquée, sur une profondeur relativement faible (généralement de l'ordre de 1 à 3 g), par un bain chimique approprié par exemple tel que le produit dit CP.-4A qui est composé d'acide nitrique, d'acide fluorhydrique et d'acide acétique dans la proportion 5:3:3.
On procéde ensuite à la diffusion du cadre 52 en sorte qu'il vienne en contact intime avec le cadre 35 de la grille, puis on forme la couche surdopée de source 36 selon la technique habituelle de diffusion à travers un masque convenable. Enfin, pour délimiter les contours de métallisation du cadre 52, on forme un nouveau masque d'oxyde 53 qui subsiste laissant à découvert le fond de la gorge 51 où est déposée une couche métallique 54 qui s'y allie superficiellement par micro-diffusion au cadre 52. Les doubles traits 54' (trait plein) et 54" (trait pointillé) indiqués à la surface la métallisation 54 désignent respectivement sa limite extérieure et la limite de sa partie centrale alliée superficiellement à la couche diffusée 52.
Une autre solution pour réduire la durée de--formation du cadre 38 consiste à diffuser pour la formation de celui-ci un élément du meme groupe de la classification périodique que l'élément utilisé pour la formation de la grille, mais en différant par un coefficient de diffusion plus élevé. Si l'impureté utilisée pour la formation de la grille est le bore, le cadre 38 peut être formé notamment par diffusion d'aluminium, ce qui permet de l'obtenir quatre à cinq fois plus vite qu'avec Ie bore. Cette solution n'est, cependant, par aussi radi-- cale que la précédente et, de plus, elle ne va pas sans quelques inconvénients car, dans l'état actuel de la technique, la couche d'oxyde ne paraît pas aussi imperméable à la diffusion d'aluminium qu'à la diffusion de bore.
Le dispositif des Figs. 4, 5 et 6 comporte un cadre périphérique afin de séparer la région de source de la région de drain. Ce cadre présente, par rapport à l'électrode de drain, une capacité qui peut être gênante. Les Figs. 9 et 10 représentent un dispositif conforme à l'invention mais sans cadre.
La structure 61 est bâtie, comme celle de la Fig. 7, sur un substrat 1 en silicium de type n par exemple dont une couche superficielle 2 est surdopée en n+; sur cette couche est soudée l'électrode de drain 39. La couche 1 est surmontée d'une couche épitaxiée 3, en silicium également du type n. Toutefois, contrairement au cas de la Fig. 7, la couche 3 est déposée, non sur la totalité de la surface de la région 1, mais sur une partie de cette surface délimitée par un masque isolant 58, par exemple en silice, pénétrant légèrement dans la périphérie de la grille 64, en sorte que celle-ci sépare la région de source de la région de drain qui ne communiquent que par les canaux tels que 67.
La grille diffusée 64 comporte une zone centrale pleine 59 et des bras rayonnants 72.
La prise de contact de la grille est assurée sur la zone centrale 59 et les bras 72, de préférence creusés préalablement en cuvette comme représenté en 74 par attaque chimique ou électrolytique à travers un masque adéquat, cuvette dans laquelle est diffusée une couche 62 d'un élément du groupe III tel que du bore, formant impureté du type p, jusqu'à pénétration dans la plage centrale 59 du corps de grille. La cuvette 74 est d'aluminium, qui est sousjacent et qui est destinée à être recouverte d'une couche métallique 60, par exemple recevoir par soudure une électrode de grille non représentée.
La structure est complétée par diffusion d'une impureté de type n formant une couche n+ de contact de source 66, également métallisée en 63 pour soudure de l'électrode de source non représentée. Les bords extérieur et intérieur de la couche surdopée annulaire 66 sont respectivement désignés par les numéros de référence 68 et 69. Enfin, un masque d'oxyde 70 protège la surface non métallisée et recouvre également en 71 la périphérie de la couche épitaxiée 3.
La Fig. 10 montre une coupe de cette structure suivant le plan au sommet de la grille, comme sur la
Fig. 5, ces deux figures étant dessinées sensiblement à la même échelle afin de permettre une comparaison aisée des aires correspondantes. Sur cette figure, qui est limitée par la couche d'oxyde 71 entourant la couche épitaxiée 3, la couche surdopée de contact de source n'est pas visible, mais ses contours sont indiqués par des lignes en traits interrompus 68 et 69.
La plage centrale 59, en forme de losange, et les sondes 72 entraînent une perte- de quelques canaux.
Pour compenser cette perte, la surface occupée par les canaux est accrue par ceux qui sont situés là où était, dans le dispositif de la Fig. 5, le cadre. L'augmentation du nombre de canaux 67 est d'environ 15 O/o par rapport à celui de la Fig. 5. Cependant, nonobstant cette augmentation de la surface utile, la surface totale délimitée par la couche d'oxyde 71 est d'environ 10 /o plus petite que celle de la structure représentée sur la Fig. 5, ce qui correspond en conséquence à un accroissement d'environ 30 /o du rapport entre la surface utile et la surface totale de la structure, c'est-à-dire de son coefficient d'efficacité.
Il peut être intéressant pour de petites structures à haute densité de canaux, de réduire même la petite perte de surface utile qu'entraîne la plage centrale 59.
Une solution de ce problème est fournie par la Fig. 1 1 montrant à échelle agrandie la portion centrale de la structure.
Une cuvette centrale 79 étant pratiqueée dans la surface de la structure comme dans le cas de la Fig. 9, et une impureté du même type de conductivité, p par exemple, que la grille, étant diffusée à travers le fond de la cuvette 79 jusqu'à pénétration dans la plage centrale 73 du corps de grille de façon à former une couche 83, les bords et le tour de la cuvette 79 sont recouverts d'une couche isolante 75 de silice, dans laquelle est prévu un logement 76 concentrique à la cuvette 79 et plus grand qu'elle. Tout l'intérieur du logement 76, y compris sa partie centrale en contact avec la plage 73, est alors métallisé et le contact de grille est pris par soudure sur la couche métallique 80 ainsi obtenue. On peut ainsi minimiser la perte de surface utile tout en assurant une surface de contact suffisante pour la soudure de l'électrode de la grille.
On remarque, par ailleurs, la couche surdopée de source 77, dont la surface a pu être accrue, surmontée d'une couche métallique 78 largement suffisante pour la soudure de l'électrode correspondante.
Les configurations des structures du gridistor suivant l'invention sont évidemment applicables quelle que soit la forme géométrique de la grille. Ainsi les canaux peuvent avoir non seulement une section circulaire, mais également une section ovale, ou carrée, ou rectangulaire, ou polygonale. La Fig. 12 montre une vue en coupe suivant le plan au sommet de la grille d'une structure comportant des canaux 81 de type n à section rectangulaire entourés d'une grille 82 de type p. Cette grille comprend un tronc central du corps de grille 83 et deux bras 84. Le tronc central 83 et les bras 84 sont surmontés d'une couche de semiconducteur de type p 86, puis d'une couche métallique 80 jointive avec elle et s'étendant par dessus la couche d'oxyde comme représenté sur la Fig. 11 qui est à une échelle plus grande que la Fig. 12.
Enfin, les cadres en traits mixtes 87 et 88 représentent le contour annulaire de la couche n+ de source 77.
Le dispositif de la Fig. 13 est formé, par juxtaposition, de cinq losanges du type de celui des Figs. 5 et 6, avec cette différence que seul le losange central 125 comporte un cadre à quatre côtés alors que les quatre losanges périphériques 126, 127, 128 et 129 ne comportent que des cadres où un côté manque. Ceci étant, on remarque que les côtés du cadre du losange 125 constituent en fait des sondes transversales 125 a, b, c, d'alimentation de la grille de cette structure. L'effet de ces conduits transversaux s'ajoute à celui des conduits périphériques formés par les côtés des cadres des losanges périphériques: 126a, b, c, 127a, b, c,¯128a, b, c, 129a, b, c ainsi qu'à celui des sondes 130, 131, 132, 133, 134.
Les liaisons entre les couches de source des cinq losanges composant la structure sont assurées par métallisation par dessus la couche de silice. Ces surfaces de source ont été représentées par des surfaces à fines hachures 135, 136, 137, 138 et 139 reliées entre elles. On a représenté par des hachures plus larges les métallisations couvrant le cadre-conduit périphérique des losanges 126 à 129, les sondes 131 à 134 des losanges latéraux, le cadre-conduit périphérique du losange central 125 et les sondes 130 de ce dernier.
On remarque que la métallisation du cadre et des sondes est interrompue pour laisser passer les liaisons entre les surfaces des sources 135 à 139. Cependant, la continuité de ces conduits est assuree par les bandes diffusées recouvertes par la silice entreprésentées en grisé pour ce qui est visible sur la Fig. 13.
On donne ci-après, à titre indicatif, les principales caractéristiques dimensionnelles et électriques de modèles de gridistors unipolaires et bipolaires suivant la Fig. 13.
A - Gridistor unipolaire pour amplification à très haute fréquence Surface 0,5mu2
Diamètre de canal a la section étranglée
Entr'axe de canaux
Nombre de canaux 10.000
Epaisseur de la griRe ¯ 4,u Courant de drain -w 1 A
Transconductance mu 0,5 ho Facteur de mérite i 1 0Hz
Puissance de sortie en amplificateur ciLasse A à 1 GHz z 5 W
B - Gridistor bipolaire pour commutation de grandes puissances:
:
Surface 2 cm2
Diamètre de canal à la section étranglée z 20, b
Entr'axe de canaux - 100,
Nombre de canaux z 20.()O() Epaisseur de la grille z 30,b
Tension de blocage de la grille t 10 V
Courant nominal de drain 200 A
Pouvoir de coupure t 200 A Durée du processus < :
10,us vs
Tension de rétablissement maximale
admissible 500 V
Tension de tenue à l'état bloqué 1.000 V
Ces deux modèles sont réalisables avec les technologies citées précédemment, de diffusion et de dépôt épitaxique; en affinant davantage les définitions de la grille on pourrait encore améliorer les performances.
D'autre part, en mettant en oeuvre des techniques plus récentes, actuellement en cours de développement, notamment le dopage de semiconducteurs par bombardement ionique, localisé suivant un masque ionique à très haute définition, technique dite à implantation d'ions, des performances encore bien plus élevées peuvent être atteintes.
On va maintenant discuter des résistivités respectives des couches de substrat 1 et épitaxiée 3.
Dans tous les exemples de gridistors qui ont été donnés, le drain est formé sur le substrat et la source sur la couche épitaxiée. Dans ce cas pour diminuer la capacité d'entrée source-grille, il y a intérêt à choisir pour la couche épitaxiée 3 une résistivité plus élevée que pour la couche de substrat 1. On peut prendre par exemple pour la couche de substrat une résistivité de 2 ohm. cms et pour la couche épitaxiée une résistivité de 4 à 6 ohm. cms.
Il en résulte deux conséquences. En premier lieu, la capacité grille-source est notablement réduite car elle est à peu près inversement proportionnelle à la racine carrée de la résistivité. En second lieu, la caractéristique de saturation du courant est améliorée et la
Fig. 14 explique cette conséquence apparemment surprenante. En effet, s'il est bien exact que cela ne change guère le profil de la diffusion de la grille, en revanche, celui des canaux compte tenu de la charge d'espace naturelle due à la jonction p-n, entre la grille et le canal est assez profondément modifié comme le montrent les tracés de la Fig. 14, pour un cas particulier caractérisé par les paramètres suivant:
Résistivité du substrat: 1 ohm. cm.
Résistivité de la couche épitaxiée: 2,5 ohm. cms.
Diamètre théorique du canal: 2,u
Epaisseur de la grille: 3,cz
Sur cette figure, les deux demi-cercles en traits fins 55 montrent le profil théorique du canal dans un plan passant par son axe, lorsque la charge d'espace est annulée par une contrepolarisation de la grille compensant la barrière de potentiel de la jonction, c'est un profil circulaire; le tracé en trait fort 57 montre le profil en absence de toute polarisation, compte tenu des charges d'espace naturelles de la jonction p-n.
Enfin, le tracé 56, en trait interrompu, pour la portion du canal située dans la couche épitaxiée, correspond au cas où la résistivité de cette couche serait égale à celle du substrat. Cela permet d'apprécier l'amélioration obtenue. - On voit ainsi, qu'alors que dans ce dernier cas - mêmes résistivités de part et d'autre de la ligne médiane - le profil du canal est rapidement évasé de part et d'autre, ce qui désavantage le processus de saturation, dans le cas suivant l'invention, au contraire, le profil se rapproche beaucoup de celui d'un cône tronqué, à relativement faible angle au sommet, dont on a fait ressortir les avantages dans le brevet suisse no 358 868 du 24 mai 1958 du même tituiuire.
Mais il peut être intéressant, ainsi qu'on va le montrer, d'inverser simultanément les emplacements des électrodes de source et de drain ainsi que les valeurs des résistivités des couches attenantes à ces deux électrodes. Ceci va être montré en relation avec les Figs. 15 et 16.
La Fig. 15 montre le profil type d'un canal élémentaire 37, allant de la source 39 au drain 36 et entouré par une maille de grille 34. Les charges d'espace 89 délimitant le profil du canal sont développées par l'effet de champ produit par la tension appliquée entre la source 39 et le drain 36,et par suite entre la maille de grille 34 et le drain 36, la grille étant supposée reliée galvaniquement à la source.
Une telle structure peut être représentée pour l'essentiel par le schéma équivalente de la Fig. 16 où:
- les résistances 91j, 912, 913, 914, 91., 916, sont des résistances réparties suivant la longueur du canal 37, ayant des valeurs croissant de l'extrémité source à l'extrémité drain par suite du rétrécissement de la section du canal, cette croissance de la résistance linéique étant encore notablement accusée par la diminution de la mobilité des porteurs de charge en fonction du champ électrique dans les portions du canal où ce champ dépasse la valeur dite critique;
- les capacités 92t, 923, 923, 924, 925, 92,;
; sont des capacités réparties des charges d'espace 89 entre la maille de grille 34 et le canal 37, ayant au contraire des valeurs décroissant de l'extrémité source à l'extrémité drain;
- enfin, les résistances série 93t, 933, 933 934 93,, 93, représentent les résistances, également réparties, du corps de la grille entre le contact de grille et la portion de canal considérée, de l'extrémité source à l'extrémité drain, c'est-à-dire les résistances de tranches de grille telles qu'indiquées sur la Fig. 15.
La source de signal appliqué entre la source 39 et le contact général de grille 94, à l'amont de la résistance du corps de la grille, est désignée par 95.
En examinant le schéma de la Fig. 16 tenant compte des précisions ci-dessus, on remarque que pour réduire la constante d'action du signal appliqué entre grille et source, avec résistance 91 et capacité 92 données, on devra s'attacher, non pas exclusivement certes mais tout particulièrement, à réduire les résistances parasites 93t, 933, ... du début de la chaîne puisqu'elles sont associées aux capacités 92l, 923, ... rela- tivement élevées et aux résistances 91,, 913, ... relativement faibles.
Or, avec l'actuelle technique de fabrication des structures de gridistors, la grille est préalablement diffusée dans la couche 1, avec apport continu d'une source externe de l'élément diffusant; ensuite, les impuretés ainsi accumulées sont redistribuées, par traitement thermique, sans nouvel apport de l'élément diffusant, à la fois dans la couche 3 et dans la couche 1.
Le volume d'impuretés préalablement accumulées dans celle cri jouant alors le rôle de source interne de l'élément diffusant, on conçoit aisément que la résistance du corps de grille enserré dans cette couche est nécessairement plus faible que celle du corps de grille diffusé dans la couche 3.
On en déduit l'intérêt que l'on peut avoir de situer la région de source dans la couche 1 en liaison avec la partie surdopée 2 de cette couche et, corrélativement, la région de drain dans la couche 3 - tout particulièrement pour des structures de relativement grande surface des gridistors à haute fréquence - et ceci étant, pour des raisons déjà exposées précédemment, de rendre la résistivité de la couche 1 au moins égale, et de préférence supérieure, à celle de la couche 3.