EP2766932A1 - Cellule monolithique de circuit integre et notamment cellule de commutation monolithique - Google Patents

Cellule monolithique de circuit integre et notamment cellule de commutation monolithique

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EP2766932A1
EP2766932A1 EP12781377.2A EP12781377A EP2766932A1 EP 2766932 A1 EP2766932 A1 EP 2766932A1 EP 12781377 A EP12781377 A EP 12781377A EP 2766932 A1 EP2766932 A1 EP 2766932A1
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EP
European Patent Office
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cell according
structures
semiconductor
cell
anodes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12781377.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Abdelhakim BOURENNANE
Marie BREIL-DUPUY
Frédéric RICHARDEAU
Jean-Louis Sanchez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H10D84/837—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components of only insulated-gate FETs [IGFET] comprising vertical IGFETs
    • H10D84/839—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components of only insulated-gate FETs [IGFET] comprising vertical IGFETs comprising VDMOS

Definitions

  • Monolithic integrated circuit cell including monolithic switching cell
  • the present invention relates to a monolithic integrated circuit cell and in particular a monolithic switching cell and applications implementing at least one such cell.
  • the field of the present invention is the power electronics which makes it possible to convert the electrical energy between a generator and a receiver which are most often of different natures. It is then necessary to adapt the characteristics and the different forms of electrical energy (continuous or alternative).
  • the electrical converters used are most often made with switches based on semiconductor components and passive components such as inductors or capacitors. Switches, but also diodes, control the transfer of electrical energy while the passive components are used to filter the waveforms of this energy.
  • a switch behaves like a nonlinear resistor that must be as low as possible in the on state and as large as possible in the off state.
  • the converters mentioned here do not implement rotating parts and are therefore also called "static converters".
  • bipolar transistor insulated gate also known by the acronym IGBT (English Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBT International Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the object of the present invention is, in the field of power electronics, to allow even greater miniaturization to be achieved in order to obtain a more compact converter. Preferably, the reliability obtained will also be increased. In addition, the present invention will advantageously reduce the cost of a power converter.
  • a monolithic integrated circuit cell comprising at least two similar unidirectional semiconductor structures in voltage and current, each structure having a anode, a cathode and possibly a grid.
  • said structures are integrated in the volume of the same semiconductor substrate; on a first face of the semiconductor substrate are located each time in a first predetermined zone the cathode and optionally the grid of a corresponding structure; the anode of each structure is located in a second zone on a second face of the semiconductor substrate opposite to the first face, the second zone of a structure facing the first zone of the corresponding structure, and the electrodes, chosen in the assembly comprising the anodes and the cathodes, of the same nature of distinct structures are electrically connected to one another.
  • the present invention thus proposes to produce within the same semiconductor device not a single dipole, such as for example a switch dipole, but a tripole (or quadrupole or more) forming a real integrated circuit cell, no longer limited. to a single component.
  • a cell according to the present invention can thus form a true elementary converter, devoid of any wired wiring and whose electrical interactions are extremely reduced, bringing at the same time a high level of miniaturization, cost reduction and high reliability.
  • a device according to the invention can be used for applications implementing voltages of 230 V / 400 V or for industrial applications with voltages of 750 V - 850 V
  • the solution proposed by the present invention thanks to its structure implementing two monolithic architectures, generic and modular symmetrical cells, makes it possible to limit the number of doped layers within the semiconductor device.
  • a monolithic integrated circuit cell according to the invention, called common anode
  • the anodes of two neighboring structures are each electrically connected.
  • the electrical connection between two adjacent anodes (P +) is made by metallization of the semiconductor substrate on its second face between the two anodes, and the semiconductor substrate has a region N + to near the metallization, allowing bidirectional current conduction by the cell, and an N- region between the two structures.
  • a monolithic cell according to the present invention called common cathode
  • the cathodes of two neighboring structures are each electrically connected.
  • an isolation wall of the vertical P + type is provided between the two structures in question, which makes it possible to maintain lateral tension within the cell.
  • the semiconductor substrate is for example silicon (SiO 2) but other semiconductor materials can also be used.
  • each semiconductor structure corresponds for example to a diode.
  • each semiconductor structure may be a unidirectional semiconductor switch structure in voltage and current.
  • each structure may also be provided with at least one control electrode. Still in this embodiment, it can be provided alternately or cumulatively that each cell is associated in the crystal with a diode allowing its reverse conduction.
  • each voltage and current unidirectional switch structure provided with at least one control electrode and associated in the crystal with a diode allowing its reverse conduction, is for example chosen from the set of structures comprising the bipolar transistors to isolated reverse conduction gates and VD-MOS type transistors.
  • the present invention also relates to a rectifier bridge, characterized in that it comprises a switching cell according to the invention with common anodes and a switching cell according to the invention with common cathodes.
  • the present invention also relates to an inverter bridge, characterized in that it comprises a switching cell according to the invention to 2288
  • the present invention also relates to a bidirectional power switch in current and voltage, characterized in that it comprises a switching cell according to the present invention.
  • FIG. 1 is an electrical diagram of a common anode switching cell
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a common cathode switching cell
  • FIG. 3 illustrates the architecture of a common anode switching cell according to the present invention
  • FIG. 4 shows the equivalent simplified electrical diagram of the structure of FIG. 3, illustrating from a circuit point of view the behavior of the cell represented in FIG. 3,
  • FIG. 5 illustrates the architecture of a common cathode switching cell according to the present invention
  • FIG. 6 is an electrical diagram of a rectifier bridge according to the present invention.
  • FIG. 7 is an electrical diagram of an inverter bridge according to the present invention.
  • FIG. 8 illustrates the architecture of a common anode switching cell implementing two IGBT type transistors for performing switch-type functions
  • FIG. 9 illustrates the architecture of a common cathode switching cell implementing two IGBT type transistors for performing switch-type functions
  • FIG. 10 illustrates the architecture of a common anode switching cell implementing two VDMOS type transistors for performing switch-type functions
  • FIG. 11 illustrates the architecture of a common-cathode switching cell implementing two VDMOS type transistors to perform switch-type functions
  • FIG. 12 illustrates the architecture of a monolithic cell integrating two common anode diodes
  • FIG. 13 illustrates the architecture of a monolithic cell integrating two common cathode diodes
  • FIG. 14 illustrates the integration on the architecture shown in FIG. 8 of the diode function
  • FIG. 15 illustrates the integration on the architecture shown in FIG. 9 of the diode function
  • FIG. 16 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 8 with possibly more than two structures,
  • FIG. 17 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 9 with possibly more than two structures,
  • FIG. 18 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 12 with several diodes
  • FIG. 19 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 13, but with several diodes,
  • FIG. 20 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 14,
  • FIG. 21 is an electrical diagram corresponding to the architecture of FIG. 15,
  • FIGS. 22 and 23 each show an electrical diagram of a DC / DC converter made from two monolithic cells according to the present invention.
  • Figures 24 and 25 each show an electrical diagram of a bidirectional switch made from a monolithic cell according to the present invention.
  • the present description is concerned with two new devices that can be made monolithically in silicon (Si), or in another semiconductor material such as silicon carbide (SiC) or nitride. 2012/052288
  • FIG. 1 illustrates a first tripole in the form of a switching current-type symmetrical topology switching cell uniting two transistors T1 and T2.
  • Each of these transistors is, in the embodiment shown, a bipolar transistor gate insulated inverse conduction, also called RC-IGBT (English Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • RC-IGBT English Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the transistor could be of a different type. It could for example be a transistor type VDMOS or VDMOSFET.
  • VDMOS is an acronym for Vertically Metal Oxide Semiconductor - or in French (transistor) with metal oxide semiconductor vertical structure.
  • VDMOSFET is an acronym for Vertically Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-or French Field Effect Transistor with Vertical Metal Oxide Semiconductor Structure.
  • FIG. 2 A second tripole is illustrated in FIG. 2. This is a switching current type symmetrical topology switching cell uniting two RC-IGBT type transistors, but these transistors T1 and T2 are assembled in such a way that their cathodes, or front faces, are common (here could also be VDMOS transistors or VDMOSFET).
  • the two tripoli shown in Figures 1 and 2 are symmetrical and they put in common electrodes of the same kind (anode or cathode). These characteristics are used to pool relatively easily and advantageously complete regions of the two insulated gate bipolar transistors or metallization planes to facilitate integration and show new properties.
  • the tripole whose electrical diagram is shown in FIG. 1 can be made entirely in the same semiconductor substrate 4 and has, for example, the structure illustrated in FIG. 3.
  • the latter is composed of two insulated gate bipolar transistor structures ( hereinafter referred to as "IGBT structure") with reverse conduction.
  • IGBT structure insulated gate bipolar transistor structures
  • FIG. 4 which superimposes on FIG. 3 the electronic components 8 correspondents, it is noted that each IGBT structure of the structure illustrated in Figure 3 incorporates within it a PIN diode 8 which provides reverse conduction.
  • Each of these reverse conduction IGBT structures corresponds to a section 6 illustrated by a dashed rectangle.
  • FIGS. 3 and 4 show the presence of P + and N + diffusions at each anode, the N + diffusion being on the other anode side.
  • These two N + and P + diffusions are each short-circuited by an electrode an anode electrode 12, disposed between the two N + diffusions, makes it possible to isolate the anode electrode from an N- zone of the substrate 4.
  • This separation and the use of oxide makes it possible to reduce the interaction between the two sections 6, on the one hand, and to reduce the level of anode current necessary for turning on the backside P + / N-junction, 'somewhere else.
  • regions P- are formed at each section 6 and serve to protect the junction curvatures, in the off state, from a risk of premature breakdown.
  • the front face corresponds to the Cathodes face 14 for sections 6.
  • the electrodes are numbered (1, 2, 3).
  • the electrode 1 is used to set the potential of the P-region which is reverse-biased in the off state.
  • each of the sections 6 also has two P regions on its front face.
  • a first region P is disposed at the end of the front face and receives the electrode 3.
  • This first region P is separated from the second P region by the N- region of the substrate, which also separates this second P region P-region mentioned above.
  • the second region P integrates two N + regions made on the front face.
  • the second region P separates, on the one hand, the two N + regions from each other and, on the other hand, each of the N + regions of the N- zone of the substrate 4.
  • the electrode 2 corresponds to the second region P and the two regions N +.
  • the front face of the structure also carries for each section 6 a grid 16.
  • the configuration of the rear face of the integrated structure leads to two operating modes in the on state, a VDMOS mode for a low current level and an IGBT mode for a high current level.
  • the origin of the holes collected by the base P of the IGBT structure in the off state is the P + scattering of the rear face.
  • the N + zone on the rear face makes it possible to push the level of conduction current of the P + / N- junction to a high level. Conduction of this junction is however possible when a section 6 goes from the off state to the on state.
  • the thickness of the N- zone is, for example, 300 ⁇ m.
  • the total width of the structure is 2.56 mm.
  • the surface of each section 6 is 1 cm 2 .
  • FIG. 5 uses the same references as the previous figures to designate similar elements.
  • This figure shows two IGBT structures integrated into a chip.
  • a substrate 4 in this figure thus comprises, on the one hand, a front face on which there are doped regions and electrodes 1, 2, 3 of a cathode 14 and an insulated gate 16 and, on the other hand , a rear face with two anodes.
  • FIGS. 3 and 4 there are two separate anode electrodes 10.
  • the two cathodes 14 are electrically connected to each other.
  • FIGS. 3 and 4 the anodes of the two IGBT structures are common and in FIG. 5 the two cathodes of the IGBT structures are common.
  • the two sections corresponding to a reverse conduction IGBT structure are separated from each other by a wall which passes entirely through the substrate 4, for example silicon (here it is possible to repeat the same materials for making the substrate than those mentioned above for the embodiment of Figures 3 and 4).
  • the substrate 4 for example silicon
  • the cathodes are common, or more precisely connected to each other at the surface, it is intended to apply a potential difference between the two anode electrodes 10.
  • a material separation between the two sections is then provided between these two sections. It is proposed to materialize this separation by a P + region separating the N- substrate from the two sections.
  • P + On each side of the wall P + is found a structure similar to that described above (as is apparent in particular from Figure 5) and it is therefore not described in detail here.
  • P, P + and N + doped regions as well as electrodes 1, 2 and 3 for each cathode 14 and an insulated gate 16 are found on the front face.
  • the P-regions in the structure make it possible to protect the polarized junctions in reverse from possible premature breakdowns.
  • each reverse-conductive IGBT structure is 1 cm 2 .
  • a current of 100 A can pass through each reverse conduction IGBT structure and the reverse biased junction of an IGBT section which is in the off state can support 600 V. This voltage is applied between the two anode electrodes 10.
  • FIG. 6 An application of architectures with common anodes and common cathodes is illustrated in Figure 6 which shows a bridge rectifier obtained by combining, for example by the assembly technique by micro hybridization (also known as “chip-on-chip” ").
  • This combination makes it possible to exploit the switching capabilities of the current of the switching cells according to the invention, such as the switching cells illustrated in FIGS. 3 to 5, as well as their bidirectional characteristics in current and voltage, for example for applications to energy conversion.
  • a rectifying bridge for example that shown in FIG. 6, is intended to transform the energy of reciprocating networks into energy in continuous form.
  • Each chip has an insulated gate bipolar transistor T1 and T2.
  • the transistors of the common anode chip 18 have an alternating voltage VUAC and VT2AC at their terminals while those of the common cathode chip 20 have a DC voltage V-ncc e V T 2cc-
  • Each insulated gate bipolar transistor receives control signals which are respectively called T1 (AC) and T2 (AC) for the common anode chip 18 and T1 (CC) and T2 (CC) for the common cathode chip 20.
  • cells (or transistors) arranged diagonally with respect to each other receive the same control signals.
  • the current path is shown schematically by the line 22 of FIG. 6 when the (alternative) voltage of the generator VAC is positive and by the line 24 when this voltage is negative.
  • control voltages are applied between the gate and the emitter of each cell. This is for example a control by encroachment to be able to use thereafter insulated gate bipolar transistors in circuit breaker mode.
  • the switching is done when passing through the value 0 of the voltage of the generator VAC with a short time of the order of 10 ps (encroachment) during which the two cells of the same chip drive.
  • Figure 7 shows an inverter bridge.
  • the latter resembles the rectifier bridge of FIG. 6.
  • the difference lies here in the nature of the signals generated: the direct current of the load in the case of the rectifier bridge and the generator alternating voltage becomes an alternating current source.
  • 52288 shows an inverter bridge.
  • the diagonal cells have the same control signals but in the case of the inverter bridge of Figure 7, it is proposed here for example that the encroaching sequences are replaced by sequences of dead times. During a dead time, all bipolar transistors isolated grid of the inverter bridge are blocked and during this short time, the diodes lead. We can also predict a dead time of the order of 1 ps.
  • FIG. 8 illustrates a common anode switching cell whose structure is close to that illustrated in FIG. 3.
  • each cathode 14 Between the electrodes of each cathode 14, it is noted on the front face the presence of an oxide layer 26 covered with a metal layer 28 which make the junction between two doped zones of the corresponding cathode.
  • the metal layer 28 could also be made for example of polysilicon.
  • FIG. 9 illustrates a common cathode switching cell whose structure is a combination of those of the switching cells illustrated in FIGS. 5 and 8.
  • FIG. 9 shows in fact a switching cell implementing two IGBT structures similar to those illustrated in FIG. 8 and there is a cathode 14 made common for the two sections of the cell.
  • the structure of the cathodes and anodes is similar to that illustrated in FIG. 8.
  • a separation between the two sections of the switching cell made by a wall which passes entirely through the substrate 4. for example made by P + type doping, oxide, silicon, .... It is proposed here to have a P- region on each side of the wall, both on the front face and on the back side of the switching cell.
  • anode electrodes 10 separated from each other for example by an oxide layer 12 deposited on the rear face of the substrate 4.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate switching cells which are comparable to those of FIGS. 8 and 9 because they make it possible to perform the same switch functions and also include two sections having in FIG. 10 a common anode and in FIG. a common cathode.
  • the transistors used are obtained by VDMOS technology (and no longer IGBT).
  • the structures of the cathodes 14 are similar to those illustrated in FIGS. 8 and 9.
  • the presence in the substrate 4 of an N + doped layer on the rear face at the level of the anode electrodes 10 is noted.
  • Figures 12 and 13 illustrate a monolithic cell incorporating two diodes.
  • the two anodes of the diodes are connected so as to have only one common anode whereas in FIG. 13 the cathodes 14 are connected thus forming a common cathode.
  • the monolithic cells of FIGS. 12 and 13 successively exhibit P-, P + and P- doping.
  • the corresponding cathode 14 is disposed on both a P-doped zone and a P + doped zone.
  • the substrate 4 comprises an N + doped layer at the level of the anode electrodes 10 (FIGS. 12 and 13). In Figure 13, found a wall similar to that for example of Figures 9 and 11.
  • Figures 14 and 15 there is a combination respectively of Figures 8 and 12, on the one hand, and Figures 9 and 13, on the other hand. In the switching cells shown in these two figures 14 and 15, are grouped each time the switch and diode functions. In Figure 14 there is a common anode and in Figure 15, the cathode is pooled.
  • FIG. 16 illustrates an electrical diagram of several switches whose anodes A are put in common. These are controlled switches with commands Cde1, Cde2, Cdei, Cden.
  • n 2
  • the electrical diagram of FIG. 16 corresponds to the structures of FIGS. 8 and 10.
  • N cathodes 14 and n anodes will then be obtained with a common anode electrode.
  • FIG. 17 illustrates a circuit diagram of several switches whose cathodes are connected in a common cathode C. These are controlled switches comprising commands Cde1, Cde2, Cdei, Cden.
  • n 2
  • the electrical diagram of FIG. 17 corresponds to the structures of FIGS. 9 and 11.
  • N cathodes 14 connected electrically and n anodes will then be obtained with a common anode electrode 10.
  • FIG. 18 shows a common anode A 'and cathodes C'1, C'2, Ci, C
  • FIG. 19 illustrates a common cathode C and anodes ⁇ , A'2, A'i, A'n.
  • Figures 20 and 21 show the electrical circuit respectively switching cells whose structures are shown in Figures 14 and 15 respectively. 2288
  • Figure 22 illustrates by way of example a use of two monolithic cells according to the present invention. It is proposed to combine here a switching cell corresponding for example to the structure shown in Figures 8 or 10 with a cell whose structure is shown in Figure 13. Here is a combination of two cells whose electrical diagrams correspond to Figures 16 and 19.
  • the combination illustrated in FIG. 22 makes it possible to obtain a DC / DC converter (also called a DC-DC converter) which makes it possible to obtain a lowering of the voltage between a voltage source 32 and a load 34.
  • a DC / DC converter also called a DC-DC converter
  • FIG. 23 illustrates, for its part, another DC / DC converter which allows an increase of the voltage between a source 32 'and a load 34'.
  • This DC / DC converter is obtained here by the combination of a switching cell whose electrical diagram is shown in FIG. 17 with a monolithic cell whose electrical diagram is shown in FIG. 18.
  • Another application of the invention is the production of a bidirectional power switch in current and voltage.
  • a bidirectional power switch in current and voltage.
  • Such a power switch could for example be used to make a relay.
  • the present invention thus provides novel switching devices, or reversible current switches.
  • One embodiment has two common-anode inverse conduction insulated gate bipolar transistors and the other two-pole bipolar transistor transistors. 2288
  • the present invention also relates to a rectifier bridge and an inverter bridge obtained by combining two current switches according to the invention which are associated by their faces having two electrodes (not connected).
  • the configuration of the control commands then makes it possible to obtain a good operation of these rectifier and inverter devices.

Landscapes

  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
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Abstract

Une cellule selon la présente invention comporte au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une anode (10), une cathode (14) et éventuellement une grille (16). Les structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat (4) semi-conducteur. Sur une première face du substrat (4) semi-conducteur sont localisées les cathodes (14) et éventuellement les grilles (16). Les anodes (10) sont localisées chacune sur une seconde face du substrat (4) semi-conducteur opposée à la première face en vis-à-vis des cathodes et éventuellement des grilles correspondantes. Deux électrodes, anodes ou cathodes, de deux structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.

Description

2 052288
1
Cellule monolithique de circuit intégré et notamment cellule de commutation monolithique
La présente invention concerne une cellule monolithique de circuit intégré et notamment une cellule de commutation monolithique et des applications mettant en œuvre au moins une telle cellule.
Le domaine de la présente invention est l'électronique de puissance qui permet de convertir l'énergie électrique entre un générateur et un récepteur qui sont le plus souvent de natures différentes. Il convient alors d'adapter les caractéristiques et les différentes formes de l'énergie électrique (continue ou alternative). Les convertisseurs électriques utilisés sont le plus souvent réalisés avec des interrupteurs à base de composants à semi-conducteurs et des composants passifs tels des inductances ou des capacités. Les interrupteurs, mais aussi des diodes, permettent de contrôler le transfert de l'énergie électrique tandis que les composants passifs servent à filtrer les formes d'ondes de cette énergie. Un interrupteur se comporte comme une résistance non linéaire qui doit être la plus faible possible à l'état passant et la plus grande possible à l'état bloqué. Les convertisseurs évoqués ici ne mettent pas en œuvre de pièces tournantes et sont de ce fait appelés également "convertisseurs statiques".
Il est connu d'utiliser comme interrupteur électronique dans les montages de l'électronique de puissance un transistor bipolaire à grille isolée, connu également sous l'acronyme IGBT (de l'anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor). Un tel composant permet une grande simplicité de commande tout en conservant des faibles pertes par conduction. L'utilisation de tels composants a permis de nombreux progrès dans les applications de l'électronique de puissance aussi bien en ce qui concerne la fiabilité que la réduction des coûts.
À partir de composants, tels par exemple des IGBT, il est connu de faire une intégration de puissance en réalisant un assemblage de composants. On réalise ainsi des modules standards. Cette technique est couramment utilisée dans l'industrie, le domaine du transport ou de l'énergie. Il est ainsi par exemple connu d'intégrer au sein d'une puce un dipôle interrupteur, avec uniquement deux électrodes de puissance, et de mettre en jeu verticalement au sein de la puce la tenue en tension et la circulation du courant. Un tel dipôle est couramment appelé "switch". On réalise par la suite des structures de conversion d'énergie en associant, par câblage, plusieurs switchs afin de réaliser une structure de conversion d'énergie. Cette opération de câblage crée de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les semi-conducteurs eux-mêmes et leur électronique de commande rapprochée.
Ces interactions dégradent les performances globales du convertisseur d'énergie réalisé par rapport aux performances des composants (switchs) initiaux. L'opération de câblage limite aussi la fiabilité de l'ensemble câblé, une réduction de la durée de vie lorsque des fortes densités de courant sont utilisées, une haute température ambiante et des cycles thermiques fonctionnels. Enfin, cette opération est coûteuse car elle nécessite beaucoup de temps pour sa mise en œuvre et limite ainsi la productivité.
Il est également connu d'intégrer dans le silicium, c'est-à-dire dans une même puce, des circuits de commande et de logique complets. Ceci est par exemple utilisé dans des applications de grande série, par exemple dans l'industrie automobile. Le plus souvent, les fonctions sont réalisées à la surface du cristal de silicium. De ce fait, les tensions mises en jeu sont limitées et de telles solutions ne concernent que certaines applications.
La présente invention a pour objectif, dans le domaine de l'électronique de puissance, de permettre de réaliser une miniaturisation encore plus grande afin d'obtenir un convertisseur plus compact. De préférence, la fiabilité obtenue sera également augmentée. En outre, la présente invention permettra avantageusement de réduire le prix de revient d'un convertisseur de puissance.
À cet effet, elle propose une cellule monolithique de circuit intégré comportant au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une anode, une cathode et éventuellement une grille.
Selon la présente invention, lesdites structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat semi-conducteur ; sur une première face du substrat semi-conducteur sont localisées à chaque fois dans une première zone prédéterminée la cathode et éventuellement la grille d'une structure correspondante ; l'anode de chaque structure est localisée dans une seconde zone sur une seconde face du substrat semi-conducteur opposée à la première face, la seconde zone d'une structure étant en vis-à-vis de la première zone de la structure correspondante, et les électrodes, choisies dans l'ensemble comportant les anodes et les cathodes, de même nature de structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.
La présente invention propose ainsi de réaliser au sein d'un même dispositif semi-conducteur non pas un dipôle seul, tel par exemple un dipôle interrupteur, mais un tripôle (ou quadripôle ou plus) formant une véritable cellule de circuit intégré, non plus limitée à un composant unique. Une cellule selon la présente invention peut former ainsi un véritable convertisseur élémentaire, dépourvu de tout câblage filaire et dont les interactions électriques sont extrêmement réduites, apportant à la fois un fort niveau de miniaturisation, de réduction de coûts et de grande fiabilité. Un dispositif selon l'invention peut être utilisé pour des applications mettant en œuvre des tensions de 230 V/400 V ou pour des applications industrielles avec des tensions de 750 V - 850 V
La solution proposée par la présente invention, grâce à sa structure mettant en œuvre deux architectures monolithiques, génériques et modulaires de cellules symétriques, permet de limiter le nombre de couches dopées au sein du dispositif semi-conducteur.
Selon une première forme de réalisation d'une cellule monolithique de circuit intégré selon l'invention, dite à anode commune, les anodes de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement. Dans cette forme de réalisation, la liaison électrique entre deux anodes (P+) voisines est réalisée par métallisation du substrat semi-conducteur sur sa seconde face entre les deux anodes, et le substrat semi-conducteur présente une région N+ à proximité de la métallisation, permettant la conduction bidirectionnelle du courant par la cellule, et une région N- entre les deux structures.
Selon une seconde forme de réalisation d'une cellule monolithique selon la présente invention, dite à cathode commune, les cathodes de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement. On prévoit ici par exemple qu'un mur d'isolement de type P+ vertical est réalisé entre les deux structures concernées permettant une tenue en tension latéralement au sein de la cellule.
Dans une cellule monolithique selon l'invention, le substrat semi- conducteur est par exemple en silicium (S1O2) mais d'autres matériaux semiconducteurs peuvent aussi être utilisés.
Dans une cellule selon la présente invention, chaque structure semi- conductrice correspond par exemple à une diode.
Dans une autre forme de réalisation d'une cellule selon la présente invention, chaque structure semi-conductrice peut être une structure interrupteur à semi-conducteur unidirectionnelle en tension et en courant. En variante de réalisation de cette forme de réalisation, chaque structure peut également être dotée d'au moins une électrode de commande. Toujours dans cette forme de réalisation, on peut prévoir alternativement ou cumulativement que chaque cellule soit associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse. Dans ce dernier cas, chaque structure interrupteur unidirectionnelle en tension et courant, dotée d'au moins une électrode de commande et associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse est par exemple choisie dans l'ensemble des structures comprenant les transistors bipolaires à grilles isolées à conduction inverse et les transistors de type VD-MOS.
La présente invention concerne également un pont redresseur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'invention à anodes communes et une cellule de commutation selon l'invention à cathodes communes.
La présente invention concerne également un pont onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'invention à 2288
5 anodes communes et une cellule de commutation selon l'invention à cathodes communes.
Enfin, la présente invention concerne également un interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la présente invention.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels :
La figure 1 est un schéma électrique d'une cellule de commutation à anode commune,
La figure 2 est un schéma électrique d'une cellule de commutation à cathode commune,
La figure 3 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune selon la présente invention,
La figure 4 montre le schéma électrique simplifié équivalent de la structure de la figure 3, illustrant d'un point de vue circuit le comportement de la cellule représentée sur la figure 3,
La figure 5 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune selon la présente invention,
La figure 6 est un schéma électrique d'un pont redresseur selon la présente invention,
La figure 7 est un schéma électrique d'un pont onduleur selon la présente invention,
La figure 8 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune mettant en œuvre deux transistors de type IGBT pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 9 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune mettant en œuvre deux transistors de type IGBT pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 10 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune mettant en œuvre deux transistors de type VDMOS pour réaliser des fonctions de type interrupteur, La figure 11 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune mettant en oeuvre deux transistors de type VDMOS pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 12 illustre l'architecture d'une cellule monolithique intégrant deux diodes à anode commune,
La figure 13 illustre l'architecture d'une cellule monolithique intégrant deux diodes à cathode commune,
La figure 14 illustre l'intégration sur l'architecture montrée sur la figure 8 de la fonction diode,
La figure 15 illustre l'intégration sur l'architecture montrée sur la figure 9 de la fonction diode,
La figure 16 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 8 avec éventuellement plus de deux structures,
La figure 17 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 9 avec éventuellement plus de deux structures,
La figure 18 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 12 avec toutefois plusieurs diodes,
La figure 19 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 13 avec toutefois plusieurs diodes,
La figure 20 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 14,
La figure 21 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 15,
Les figures 22 et 23 montrent chacune un schéma électrique d'un convertisseur continu/continu réalisé à partir de deux cellules monolithiques selon la présente invention, et
Les figures 24 et 25 montrent chacune un schéma électrique d'un interrupteur bidirectionnel réalisé à partir d'une cellule monolithique selon la présente invention.
La présente description s'intéresse à deux nouveaux dispositifs pouvant être réalisés de manière monolithique dans du silicium (Si), ou dans un autre matériau semi-conducteur tel du carbure de silicium (SiC) ou du nitrure de 2012/052288
7 gallium (GaN), se présentant sous la forme d'un tripôle monolithique.
La figure 1 illustre un premier tripôle se présentant sous la forme d'une cellule de commutation à topologie symétrique de type aiguilleur de courant réunissant deux transistors T1 et T2. Chacun de ces transistors est, dans la forme de réalisation représentée, un transistor bipolaire à grille isolée à conduction inverse, aussi appelé RC-IGBT (de l'anglais Reverse Conducting Insulated Gâte Bipolar Transistor). Dans le tripôle illustré sur cette figure 1 , les deux transistors T1 et T2 sont à anodes, ou faces arrière, communes.
En variante, le transistor pourrait être d'un type différent. Il pourrait par exemple s'agir d'un transistor de type VDMOS ou VDMOSFET. VDMOS est un acronyme anglais de Vertically Métal Oxyde Semiconductor -ou en français (transistor) à structure métal oxyde semiconducteur verticale-. VDMOSFET est un acronyme anglais de Vertically Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor-ou en français transistor à effet de champ à structure métal oxyde semiconducteur verticale-.
Un second tripôle est illustré sur la figure 2. Il s'agit ici d'une cellule de commutation à topologie symétrique de type aiguilleur de courant réunissant deux transistors de type RC-IGBT mais ces transistors T1 et T2 sont assemblés de telle sorte que leurs cathodes, ou faces avant, soient communes (il pourrait ici aussi s'agir de transistors VDMOS ou de VDMOSFET).
On remarque que les deux tripôles représentés sur les figures 1 et 2 sont symétriques et qu'ils mettent en commun des électrodes de même nature (anode ou cathode). Ces caractéristiques sont utilisées pour mutualiser relativement aisément et avantageusement des régions complètes des deux transistors bipolaires à grille isolée ou des plans de métallisation pour en faciliter l'intégration et faire apparaître des propriétés nouvelles.
Le tripôle dont le schéma électrique est représenté sur la figure 1 peut être entièrement réalisé dans un même substrat semi-conducteur 4 et présente par exemple la structure illustrée sur la figure 3. Cette dernière est composée de deux structures de transistor bipolaire à grille isolée (appelée par la suite "structure IGBT") à conduction inverse. En effet, comme illustré sur la figure 4 qui superpose à la figure 3 les composants électroniques 8 correspondants, on remarque que chaque structure IGBT de la structure illustrée sur la figure 3 intègre en son sein une diode PIN 8 qui assure la conduction inverse. Chacune de ces structures IGBT à conduction inverse correspond à une section 6 illustrée par un rectangle en pointillés.
II a été démontré par les inventeurs la possibilité de faire cohabiter dans une même puce de silicium les deux structures IGBT à conduction inverse. En effet, du fait des différentes interactions possibles entre les deux sections 6 de la structure illustrée sur les figures 3 et 4 (et 5 également), interactions qui peuvent être source de dysfonctionnement de la structure globale intégrée, l'intégration monolithique de deux structures IGBT à conduction inverse n'est pas évidente pour l'homme du métier. En effet, dans cette structure, lors de son fonctionnement, les deux sections (présentant chacune une structure IGBT à conduction inverse) se trouvent toujours dans deux états différents : une section est à l'état passant tandis que l'autre est à l'état bloqué.
Sur les figures 3 à 5, on considérera par la suite que la structure représentée comporte une face arrière qui est disposée en bas et une face avant disposée en haut. Sur ces figures, une anode se trouve sur la face arrière pour chacune des sections 6 correspondant à une structure IGBT à conduction inverse.
Sur les figures 3 et 4, on remarque la présence de diffusions P+ et N+ au niveau de chaque anode, la diffusion N+ se trouvant du côté de l'autre anode Ces deux diffusions N+ et P+ sont à chaque fois court-circuitées par une électrode d'anode 10 qui est commune pour les deux sections 6. Une couche d'oxyde 12, disposée entre les deux diffusions N+, permet d'isoler l'électrode d'anode d'une zone N- du substrat 4. Cette séparation et l'utilisation d'oxyde permettent de réduire l'interaction entre les deux sections 6, d'une part, et de réduire le niveau de courant d'anode nécessaire pour la mise en conduction de la jonction P+/N- face arrière, d'autre part.
Sur la face avant (figures 3 et 4), des régions P- sont réalisées au niveau de chaque section 6 et servent à protéger les courbures de jonction, à l'état bloqué, d'un risque de claquage prématuré. La face avant correspond à la face des cathodes 14 pour les sections 6. Pour les deux cathodes, les électrodes sont numérotées (1 , 2, 3). L'électrode 1 est utilisée pour fixer le potentiel de la région P- qui se trouve polarisée en inverse à l'état bloqué.
Un fonctionnement correct de la structure intégrée représentée sur les figures 3 et 4 correspond aux deux cas suivants :
- section 6 de gauche passante alors que la section 6 de droite reste bloquée et supporte une tension appliquée ;
- section 6 de droite passante alors que la section 6 de gauche reste bloquée et supporte une tension appliquée.
On pourrait également rajouter deux modes correspondant à la conduction inverse. En effet, lorsqu'une diode conduit, l'autre reste bloquée et supporte une tension de par exemple 600 V.
On remarque que, dans la forme de réalisation préférée représentée sur les figures 3 et 4, la structure est symétrique par rapport à un plan de symétrie vertical.
Comme représenté sur les figures, chacune des sections 6 présente également sur sa face avant deux régions P. Une première région P est disposée à l'extrémité de la face avant et reçoit l'électrode 3. Cette première région P est séparée de la seconde région P par la zone N- du substrat, qui sépare également cette seconde région P de la région P- évoquée précédemment. La seconde région P intègre deux régions N+ réalisées sur la face avant. La seconde région P sépare, d'une part, les deux régions N+ l'une de l'autre et, d'autre part, chacune des régions N+ de la zone N- du substrat 4. L'électrode 2 correspond à la seconde région P et aux deux régions N+.
Comme illustré sur les figures, la face avant de la structure porte également pour chaque section 6 une grille 16.
Lorsqu'un transistor bipolaire à grille isolée de la structure est dans sa zone ohmique, son homologue doit rester bloqué. Quand le transistor est passant, des électrons sont injectés à travers le canal du MOS de la structure IGBT passante dans la région N- (qui est commune aux deux sections 6). Par conséquent, les régions P+ situées sur la face arrière de la structure intégrée injectent des trous dans la zone N-, appelée aussi zone de drift, pour assurer la neutralité électrique. Cette injection sera plus importante au niveau de la jonction P+/N- située du côté de la structure IGBT passante que de la jonction P+/N- située du côté de la structure IGBT supposée restée à l'état bloqué. L'injection de cette région doit être la plus faible possible pour réduire le courant de fuite de la structure IGBT bloquée. Pour limiter ce courant de fuite, il est possible d'agir sur la distance séparant les deux sections 6. La réduction de la quantité de trous collectés par les diffusions P situées en face avant de la structure IGBT bloquée passe par l'augmentation de la valeur de la résistance Rdrift (figure 4). Pour réduire davantage la quantité de trous collectés, il est préférable d'utiliser des diffusions N+ pour réduire l'efficacité d'injection de la jonction P+/N- face arrière de l'IGBT bloqué.
La configuration de la face arrière de la structure intégrée conduit à deux modes de fonctionnement à l'état passant, un mode VDMOS pour un niveau de courant faible et un mode IGBT pour un niveau de courant élevé. L'origine des trous collectés par la base P de la structure IGBT à l'état bloqué est la diffusion P+ de la face arrière. Pour réduire l'injection de trous par cette diffusion P+, la zone N+ en face arrière permet de repousser le niveau de courant de mise en conduction de la jonction P+/N- à un niveau élevé. Une mise en conduction de cette jonction est toutefois possible quand une section 6 passe de l'état bloqué à l'état passant.
À titre d'exemple non limitatif et purement illustratif, des valeurs numériques sont données concernant les paramètres géométriques des deux sections 6 de la structure. On suppose, comme mentionné plus haut, que la structure est symétrique et l'on retrouve donc des valeurs identiques pour les deux sections 6.
Région Profondeur (μιη) Largeur (pm) Concentration en surface
(atomes/cm3)
N+ (anode) 1 30 1.10 U
N+ (cathode) 1 5 3,5 1017
L'épaisseur de la zone N- est quant à elle par exemple de 300 pm. La largeur totale de la structure est de 2,56 mm. La surface de chaque section 6 est de 1 cm2.
La structure intégrée représentée sur la figure 5 utilise les mêmes références que les figures précédentes pour désigner des éléments similaires. On retrouve sur cette figure deux structures IGBT intégrées dans une puce. Un substrat 4 sur cette figure comporte ainsi, d'une part, une face avant sur laquelle on trouve des régions dopées et des électrodes 1 , 2, 3 d'une cathode 14 ainsi qu'une grille 16 isolée et, d'autre part, une face arrière avec deux anodes.
Dans la forme de réalisation de la figure 5, on a deux électrodes d'anode 10 distinctes. Les deux cathodes 14 sont reliées électriquement l'une à l'autre. On retrouve ainsi une structure proche de celle des figures 3 et 4, la différence principale étant que sur les figures 3 et 4 les anodes des deux structures IGBT sont communes et sur la figure 5 les deux cathodes des structures IGBT sont communes.
On retrouve ici deux structures IGBT à conduction inverse, toutes deux similaires aux structures IGBT à conduction inverse des figures 3 et 4. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur la figure 5, on retrouve une même symétrie par rapport à un plan de symétrie vertical.
Dans la structure intégrée de la figure 5, les deux sections correspondant à une structure IGBT à conduction inverse sont séparées l'une de l'autre par un mur qui traverse entièrement le substrat 4, par exemple de silicium (on peut reprendre ici les mêmes matériaux pour réaliser le substrat que ceux évoqués plus haut pour la forme de réalisation des figures 3 et 4). En effet, dans le cas de la figure 5 où les cathodes sont communes, ou plus précisément reliées entre elles en surface, il est prévu d'appliquer une différence de potentiel entre les deux électrodes d'anode 10. Du fait que les deux sections partagent un même substrat N-, une séparation matérielle entre les deux sections est alors prévue entre ces deux sections. Il est proposé de matérialiser cette séparation par une région P+ séparant le substrat N- des deux sections.
Sur la face avant, de chaque côté du mur P+, on remarque la présence d'une région P- séparée de chaque structure IGBT à conduction inverse par le substrat N-.
On retrouve de chaque côté du mur P+ une structure similaire à celle décrite précédemment (comme il ressort notamment de la figure 5) et celle-ci n'est donc pas décrite dans le détail ici. On retrouve ainsi sur la face avant des régions dopées P, P+ et N+ ainsi que des électrodes 1 , 2 et 3 pour chaque cathode 14 ainsi qu'une grille 16 isolée. Sur la face arrière, on retrouve également la même structure que celle décrite précédemment, mis à part que les électrodes d'anode 10 ne sont pas reliées entre elles.
Les régions P- dans la structure permettent de protéger les jonctions polarisées en inverse d'éventuels claquages prématurés.
À titre d'exemple non limitatif et purement illustratif, des valeurs numériques sont données concernant les paramètres géométriques des deux structures IGBT à conduction inverse. On suppose, comme mentionné plus haut, que la structure intégrée est symétrique et l'on retrouve donc des valeurs identiques pour les deux structures IGBT à conduction inverse.
p+ Substrat 10 1.10 u
Comme pour i'exemple des figures 3 et 4, on peut choisir par exemple une épaisseur de la zone N- de 300 pm. La largeur totale de la structure est de 2,56 mm. La surface de chaque structure IGBT à conduction inverse est de 1 cm2. Un courant de 100 A peut traverser chaque structure IGBT à conduction inverse et la jonction polarisée en inverse d'une section IGBT qui est à l'état bloqué peut supporter 600 V. Cette tension est appliquée entre les deux électrodes d'anode 10.
Les études et simulations menées sur les deux structures intégrées représentées sur les figures 3 à 5 ont montré que ces structures sont aptes à fonctionner dans des conditions habituellement rencontrées dans le domaine de l'électronique de puissance.
La description qui vient d'être faite montre à chaque fois deux structures IGBT à conduction inverse assemblées au sein d'une même puce. Il est également possible de réaliser un circuit en étoile en mettant en œuvre un plus grand nombre de structures IGBT à conduction inverse sur une même puce. On peut ainsi envisager d'avoir trois, quatre, ... structures IGBT intégrées avec leurs anodes (ou cathodes) communes sur une même puce.
Une application des architectures à anodes communes et à cathodes communes est illustrée sur la figure 6 qui montre un pont redresseur obtenu en associant, par exemple par la technique d'assemblage par micro hybridation (connue aussi sous l'appellation "chip-on-chip"). Cette association permet d'exploiter les capacités d'aiguillage du courant des cellules de commutation selon l'invention, telles les cellules de commutation illustrées sur les figures 3 à 5, ainsi que leurs caractéristiques bidirectionnelles en courant et en tension, par exemple pour des applications à la conversion d'énergie.
Un pont redresseur, par exemple celui représenté sur la figure 6, a pour but de transformer l'énergie de réseaux alternatifs en énergie sous forme continue. L'association de deux puces telles celles illustrées sur les figures 3 et 5 permet de synthétiser un composant redresseur réversible en courant.
On reconnaît sur la figure 6 en haut une puce à anodes communes
18 dont le contour est schématisé en pointillés et en bas de cette figure une 288
14 puce à cathodes communes 20.
Chaque puce comporte un transistor bipolaire à grille isolée T1 et T2. Les transistors de la puce à anodes communes 18 présentent une tension alternative VUAC et VT2AC à leurs bornes tandis que ceux de la puce à cathodes communes 20 présentent une tension continue V-ncc e VT2cc-
Chaque transistor bipolaire à grille isolée reçoit des signaux de commande qui sont appelés respectivement T1 (AC) et T2(AC) pour la puce à anodes communes 18 et T1(CC) et T2(CC) pour la puce à cathodes communes 20. Les cellules (ou transistors) disposés en diagonale l'une par rapport à l'autre reçoivent des mêmes signaux de commande. On a donc T1 (AC) = T2(CC) et de même T2(AC) = T1 (CC).
On reconnaît entre la puce à anodes communes 18 et la puce à cathodes communes 20 la présence d'un générateur de tension VAC.
Le parcours du courant est schématisé par la ligne 22 de la figure 6 lorsque la tension (alternative) du générateur VAC est positive et par la ligne 24 lorsque cette tension est négative.
Les tensions de commande sont appliquées entre la grille et l'émetteur de chaque cellule. Il s'agit par exemple d'une commande par empiétement afin de pouvoir utiliser par la suite les transistors bipolaires à grille isolée en mode disjoncteur.
La commutation se fait lors du passage par la valeur 0 de la tension du générateur VAC avec un temps court de l'ordre de 10 ps (empiétement) pendant lequel les deux cellules d'une même puce conduisent.
Pour valider le fonctionnement de ce redresseur, un courant passant de 100 A à -100 A a été injecté afin de vérifier sa réversibilité en courant et il a alors été constaté que l'inversion du courant n'affectait pas les performances du pont redresseur qui peut donc fonctionner dans les deux sens du courant.
Une autre application de la présente invention est illustrée sur la figure 7 qui montre un pont onduleur. Ce dernier ressemble au pont redresseur de la figure 6. La différence réside ici dans la nature des signaux générés : le courant continu de la charge dans le cas du pont redresseur et la tension alternative de générateur devient une source de courant alternative. De même 52288
15 que pour le pont redresseur, les cellules diagonales ont les mêmes signaux de commande mais dans le cas du pont onduleur de la figure 7, il est proposé ici par exemple que les séquences d'empiétement soient remplacées par des séquences de temps morts. Durant un temps mort, tous les transistors bipolaires à grille isolée du pont onduleur sont bloqués et durant ce court laps de temps, les diodes conduisent. On peut prévoir ici aussi un temps mort de l'ordre de 1 ps.
La figure 8 illustre une cellule de commutation à anode commune dont la structure est proche de celle illustrée sur la figure 3. Dans cette variante de réalisation, on trouve deux structures IGBT, chacune présentant une cathode 14 et avec une électrode d'anode 10 commune aux deux structures mais on ne retrouve pas la fonction diode présente sur la forme de réalisation de la figure 3. Au niveau de chaque cathode 14, on retrouve des électrodes 1 , 2 et 3. On a toutefois ici plusieurs groupes d'électrodes 1 , 2, 3 pour chaque cathode 14 qui est formée par plusieurs cellules dont seules deux sont représentées pour chacune des cathodes 14. On pourrait toutefois avoir un plus grand nombre de cellules par cathode 14.
Entre les électrodes de chaque cathode 14, on remarque sur la face avant la présence d'une couche d'oxyde 26 recouverte d'une couche de métal 28 qui réalisent la jonction entre deux zones dopées de la cathode correspondante. La couche de métal 28 pourrait aussi être réalisée par exemple en polysilicium. On remarque aussi pour chaque cellule des cathodes la présence d'une extension de jonction implantée 30, connue également sous l'acronyme anglais JTE (pour Junction Termination Extension).
Au niveau de la face arrière, on retrouve une électrode d'anode 10 commune pour les deux anodes de chacune des deux sections représentées. Par rapport à la figure 3, on ne retrouve pas de diffusion N+ mais uniquement une diffusion P+, les deux diffusions P+ correspondant chacune à une anode étant séparées l'une de l'autre par une couche d'oxyde 12.
La figure 9 illustre quant à elle une cellule de commutation à cathode commune dont la structure est une combinaison de celles des cellules de commutation illustrées sur les figures 5 et 8. On retrouve en effet sur la figure 9 une cellule de commutation mettant en œuvre deux structures IGBT semblables à celles illustrées sur la figure 8 et on retrouve une cathode 14 rendue commune pour les deux sections de la cellule.
Ainsi la structure des cathodes et des anodes est similaire à celle illustrée sur la figure 8. On retrouve aussi, comme sur la figure 5, une séparation entre les deux sections de la cellule de commutation réalisée par un mur qui traverse entièrement le substrat 4, par exemple réalisé par un dopage de type P+, de l'oxyde, du silicium, .... Il est proposé ici d'avoir une région P- de chaque côté du mur, tant sur la face avant que sur la face arrière de la cellule de commutation. Au niveau de la face arrière, on trouve deux électrodes d'anodes 10 séparées entre elles par exemple par une couche d'oxyde 12 déposée sur la face arrière du substrat 4.
Les figures 10 et 11 illustrent des cellules de commutation qui sont comparables à celles des figures 8 et 9 car elles permettent de réaliser les mêmes fonctions d'interrupteur et regroupent elles aussi deux sections présentant sur la figure 10 une anode commune et sur la figure 11 une cathode commune. Toutefois, dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 10 et 11 , par rapport aux formes de réalisation des figures 8 et 9, les transistors utilisés sont obtenus par une technologie VDMOS (et non plus IGBT). Les structures des cathodes 14 sont semblables à celles illustrées sur les figures 8 et 9. Du côté des anodes, on remarque la présence dans le substrat 4 d'une couche dopée N+ sur la face arrière au niveau des électrodes d'anode 10.
Les figures 12 et 13 illustrent une cellule monolithique intégrant deux diodes. Sur la figure 12, les deux anodes des diodes sont reliées de manière à n'avoir qu'une anode commune tandis que sur la figure 13 les cathodes 14 sont reliées formant ainsi une cathode commune.
Sur la face avant, les cellules monolithiques des figures 12 et 13 présentent successivement un dopage P-, P+ et P-. La cathode 14 correspondante est disposée à la fois sur une zone dopée P- et une zone dopée P+. Sur la face arrière, le substrat 4 comporte une couche dopée N+ au niveau des électrodes d'anode 10 (figures 12 et 13). Sur la figure 13, on retrouve un mur similaire à celui par exemple des figures 9 et 11.
Sur les figures 14 et 15, on trouve une combinaison respectivement des figures 8 et 12, d'une part, et des figures 9 et 13, d'autre part. Dans les cellules de commutation représentées sur ces deux figures 14 et 15, sont regroupées à chaque fois les fonctions d'interrupteur et de diode. Sur la figure 14 on a une anode commune et sur la figure 15, la cathode est mise en commun.
La figure 16 illustre un schéma électrique de plusieurs interrupteurs dont les anodes A sont mises en commun. Il s'agit ici d'interrupteurs commandés comportant des commandes Cde1 , Cde2, Cdei, Cden. Lorsque n=2, le schéma électrique de la figure 16 correspond aux structures des figures 8 et 10. Sur ces figures 8 et 10, si n > 2, il suffit de juxtaposer des sections 6 à côté de celles déjà représentées. On obtiendra alors n cathodes 14 et n anodes avec une électrode d'anode 10 commune.
La figure 17 illustre un schéma électrique de plusieurs interrupteurs dont les cathodes sont reliées en une cathode commune C. Il s'agit ici d'interrupteurs commandés comportant des commandes Cde1 , Cde2, Cdei, Cden. Lorsque n=2, le schéma électrique de la figure 17 correspond aux structures des figures 9 et 11. Sur ces figures 9 et 11 , si n > 2, il suffit de juxtaposer des sections 6 à côté de celles déjà représentées. On obtiendra alors n cathodes 14 reliées électriquement et n anodes avec une électrode d'anode 10 commune. À chaque fois entre deux sections 6 voisines, il conviendra de prévoir un mur par exemple comme celui représenté sur chacune des figures 9 et 11.
Les figures 18 et 19 correspondent respectivement aux schémas électriques des structures de cellules monolithiques des figures 12 et 13 lorsque n = 2. On retrouve sur la figure 18 une anode A' commune et des cathodes C'1 , C'2, Ci, C'n tandis que la figure 19 illustre une cathode C commune et des anodes ΑΊ , A'2, A'i, A'n.
Les figures 20 et 21 représentent quant à elles le schéma électrique respectivement des cellules de commutation dont les structures sont représentées sur les figures 14 et 15 respectivement. 2288
18
La figure 22 illustre à titre d'exemple une utilisation de deux cellules monolithiques selon la présente invention. Il est proposé de combiner ici une cellule de commutation correspondant par exemple à la structure représentée sur les figures 8 ou 10 avec une cellule dont la structure est représentée sur la figure 13. On a ici une combinaison de deux cellules dont les schémas électriques correspondent aux figures 16 et 19.
La combinaison illustrée sur la figure 22 permet d'obtenir un convertisseur continu/continu (appelé aussi convertisseur DC-DC) qui permet d'obtenir un abaissement de la tension entre une source de tension 32 et une charge 34.
La figure 23 illustre quant à elle un autre convertisseur continu/continu qui permet une augmentation de la tension entre une source 32' et une charge 34'. Ce convertisseur continu/continu est obtenu ici par la combinaison d'une cellule de commutation dont le schéma électrique est représenté sur la figure 17 avec une cellule monolithique dont le schéma électrique est représenté sur la figure 18.
Une autre application de l'invention est la réalisation d'un interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension. Dans cette application, seules les deux électrodes d'anode, ou les deux électrodes de cathodes, sont utilisées, la troisième électrode restant flottante et inactive. Un tel interrupteur de puissance pourrait par exemple être utilisé pour faire un relais.
Les figures 24 et 25 illustrent de telles applications particulières d'une cellule de commutation correspondant à la forme de réalisation des figures 15 et 14 respectivement (schémas électriques 21 et 20 avec n = 2). Il est proposé ici de n'utiliser que deux anodes (A1 et A2 sur la figure 24) ou bien uniquement deux cathodes (C1 et C2 sur la figure 25) sur les trois disponibles pour réaliser un interrupteur bidirectionnel en tension et en courant. On obtient alors un interrupteur pouvant réaliser des découpages sur du courant alternatif.
La présente invention fournit ainsi de nouveaux dispositifs de commutation, ou aiguilleurs de courant réversibles. Une forme de réalisation présente deux transistors bipolaires à grille isolée à conduction inverse à anodes communes et l'autre forme de réalisation deux transistors bipolaires à 2288
19 grille isolée à conduction inverse à cathodes communes. Ces deux formes de réalisation -et leurs variantes à la portée de l'homme du métier- sont chacune sous la forme d'un tripôle monolithique entièrement intégré au sein d'une même puce. Des réalisations dont la structure est plus simple peuvent également être réalisées avec la présente invention. Les cellules réalisées peuvent être utilisées seules (par exemple comme interrupteur bidirectionnel) ou bien en combinaison (réalisation d'un convertisseur par exemple). Dans tous les cas, l'utilisation de la présente invention permet une plus grande intégration et donc une miniaturisation plus poussée de composants utilisés en électronique de puissance. Les câblages à réaliser sont limités ce qui permet d'augmenter la fiabilité des montages réalisés et de diminuer le prix de revient de ceux-ci.
Les études menées ont montré le bon fonctionnement de ces nouvelles structures innovantes par leur tenue en tension latérale et leur très faibles courants de fuite à travers les transistors parasites, quel que soit le signe du courant.
La présente invention concerne aussi un pont redresseur et un pont onduleur obtenus par combinaison de deux aiguilleurs de courant selon l'invention qui sont associés par leurs faces ayant deux électrodes (non reliées). La configuration des ordres de commande permet alors d'obtenir un bon fonctionnement de ces dispositifs redresseurs et onduleurs.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus et aux variantes évoquées. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule monolithique de circuit intégré comportant au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une anode (10), une cathode (14) et éventuellement une grille (16), caractérisée en ce que lesdites structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat (4) semi-conducteur, en ce que sur une première face du substrat (4) semi-conducteur sont localisées à chaque fois dans une première zone prédéterminée la cathode (14) et éventuellement la grille (16) d'une structure correspondante, en ce que l'anode (10) de chaque structure est localisée dans une seconde zone sur une seconde face du substrat (4) semi-conducteur opposée à la première face, la seconde zone d'une structure étant en vis-à-vis de la première zone de la structure correspondante, et en ce que les électrodes, choisies dans l'ensemble comportant les anodes et les cathodes, de même nature de structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.
2. Cellule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les anodes (10) de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement.
3. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que la liaison électrique entre deux anodes voisines est réalisée par métallisation du substrat
(4) semi-conducteur sur sa seconde face entre les deux anodes (10), et en ce que le substrat semi-conducteur présente une région N+ à proximité de la métallisation et une région N- entre les deux structures concernées.
4. Cellule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les cathodes (14) de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement.
5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un mur d'isolement de type P+ vertical est réalisé entre les deux structures.
6. Cellule selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le substrat (4) semi-conducteur est en silicium (Si02).
7. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque structure semi-conducteur correspond à une diode.
8. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque structure semi-conducteur est une structure interrupteur à semiconducteur unidirectionnelle en tension et en courant.
9. Cellule selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque structure est dotée d'au moins une électrode de commande.
10. Cellule selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que chaque cellule est associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse.
11. Cellule selon la revendication 10, caractérisée en ce que chaque structure interrupteur unidirectionnelle en tension et courant, dotée d'au moins une électrode de commande et associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse est choisie dans l'ensemble des structures comprenant les transistors bipolaires à grilles isolées à conduction inverse et les transistors de type VD-MOS.
12. Pont redresseur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la revendication 2 et une cellule de commutation selon la revendication 4.
13. Pont onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la revendication 2 et une cellule de commutation selon la revendication 4.
14. Interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'une des revendications 10 ou 11.
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