FR2587842A1 - Dispositif de puissance a semi-conducteur, normalement bloque, pour hautes tensions et a resistance en conduction modulee - Google Patents
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Abstract
CE DISPOSITIF, DU TYPE BMFET, ASSOCIE UN FONCTIONNEMENT NORMALEMENT BLOQUE, A CAUSE DU CANAL ETRANGLE, MEME AVEC UNE TENSION DE POLARISATION GACHETTE-SOURCE NULLE, SUPPORTANT DANS DE TELLES CONDITIONS DES TENSIONS DE BLOCAGE ELEVEES ENTRE SOURCE ET DRAIN, AU PHENOMENE DE LA MODULATION DE LA CONDUCTIBILITE DE LA COUCHE EPITAXIALE CONTENUE DANS LA REGION DE DRAIN, DU A L'INJECTION DE CHARGES MINORITAIRES A PARTIR DE LA REGION DE GACHETTE ET A LEUR REFLEXION PAR LA REGION DE SOURCE. CE PHENOMENE DE CONDUCTIBILITE MODULEE, PRESENT DANS LE DISPOSITIF EN CONDUCTION, AVEC UNE POLARISATION DIRECTE DE LA GACHETTE PAR RAPPORT A LA SOURCE ET UN COURANT DE GACHETTE, C'EST-A-DIRE QUAND LE TRANSISTOR FONCTIONNE DANS LE MODE BIPOLAIRE, PERMET D'OBTENIR UN FLUX DE COURANT DE DRAIN ELEVE ET UNE BASSE RESISTANCE EN CONDUCTION, MALGRE LA RESISTIVITE TRES ELEVEE DE LA COUCHE EPITAXIALE DE LA REGION DE DRAIN.
Description
1i 2587842
La présente invention concerne des dispositifs électroni-
ques de puissance & semiconducteur, dont le flux de courant entre l'électrode de "source" et l'électrode de "drain" est
vertical et est contrôlé par l'électrode de "gâchette".
Elle s'applique essentiellement à des dispositifs de puissance qui doivent supporter des tensions élevées et conduire des courants élevés et, en outre, qui doivent commuter rapidement. On sait qu'il existe des dispositifs à induction statique, - tels que transistors & induction statique (static induction transistor, SIT), transistors à induction statique bipolaires (bipolar static induction transistor, BSIT), transistors &à effet de champ & Jonction bipolaires (bipolar junction field
effect transistor, BJFET).
-5 Mais dans l'état actuel de la technique, non seulement ils n'existent pas en tant que dispositifs de puissance, mais surtout ils ne répondent pas simultanément aux exigences de posséder à la fois des tensions élevées d'interdiction ou de blocage VDS entre drain et source en l'absence de tension de - polarisation inverse sur la gâchette, c'est-à- dire dans l'état dit normalement bloqué (normally OFF), et de très basses résistances en conduction (RON) malgré la résistivité très élevée de la couche épitaxiale de la région de drain, lorsque la tension de polarisation sur la gâchette par rapport à la
source est directe et qu'un courant de gâchette passe.
Le but de la présente invention est de répondre à ces nécessités, en éliminant les inconvénients et les limitations
de l'état connu de la technique.
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D'après l'invention, ce but est atteint par la réalisation d'un transistor de puissance normalement bloqué a tensions elevees de blocage et a basses tensions de saturation, denomme BMFET, caractérisé par le fait que la couche épitaxiale de la région de drain a une concentration d'impuretés inférieure à 4 x 10'-= atomes/cm-' et une épaisseur supérieure à 10 pm, par le fait que le canal a une largeur inférieure & 4 pm et une longueur supérieure à la largeur et par le fait que la région de source a une concentration superficielle d'impuretés supérieure à 5 x 1018 atomes/cm; et une épaisseur supérieure à 1 pm, de telle manière que l'interface entre ladite région de source et le canal soit réfléchissante pour les porteurs minoritaires dans la couche épitaxiale, c'est-à-dire caractérisé par le fait qu'il associe à un fonctionnement normalement bloqué un fonctionnement en modulation de la
conductibilité de la couche épitaxiale.
Ces buts de la présente invention apparaîtront clairement,
ainsi que d'autres, à la lecture de la description détaillée
qui suit d'une de ses formes de réalisation choisie à titre d'illustration et, par conséquent, non limitative, en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: La fig. 1 est une vue en coupe, non àa l'échelle, d'une partie d'une plaquette comprenant un dispositif réalisé selon l'invention. La fig. 2 est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette comprenant un dispositif réalisé selon
une variante de l'invention.
Les numéros et les lettres ont été inscrits sur les figures
en respectant le principe qu'à des éléments semblables corres-
pondent les mêmes symboles.
Pour se référer à la fig. 1, celle-ci est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette comprenant un
transistor de puissance à canal N réalisé selon l'invention.
Sur un substrat 1 de silicium monocristallin, dopé N- au moyen d'antimoine et ayant une concentration de 2 x 1019 atomes/cmz', s'étend une couche 2, obtenue par croissance épitaxiale, dopée N-.. au moyen de phosphore, ayant une concentration inférieure à 2 x 10'3 atomes/cm- correspondant à une résistivité supérieure à 200 ohm.cm, et une épaisseur de croissance comprise entre 20 et 120 Mm, dimensionnée en
fonction de la tension de blocage source-drain du transistor.
L'ensemble du substrat 1 et de la couche epitaxiale sus-
Jacente 2 constitue la région de drain du dispositif.
Dans le cas particulier d'un transistor capable de tenir une tension d'interdiction de 700 V, l'épaisseur de la couche épitaxiale 2 est égale à 60 im, en combinaison avec d'autres
caractéristiques du dispositif qui seront spécifiées ci-après.
Dans ce dispositif, au-dessous de la surface 7 recouverte partiellement d'une couche isolante 8 d'oxyde de silicium, sont situées deux régions diffusées 3 et 4 dopées P+ au moyen de bore et non en contact l'une avec l'autre. Elles ont une profondeur de 12 pm dans la couche épitaxiale 2 audessous de la surface 7, ont une concentration superficielle de 1019
atomes/cm'= et constituent ensemble la gâchette du transistor.
L'espace étroit qui reste dans la couche épitaxiale 2, délimité par les bords voisins des régions 3 et 4 de gâchette,
constituent le canal 6.
Dans la couche épitaxiale 2, au-dessous de la surface 7, une région diffusée 5, dopée Ne au moyen de phosphore avec une concentration superficielle de 102 atomes/cm- et une profondeur H = 4pm, est centrée sur le canal du transistor et partiellement délimitée par lesdites régions 3 et 4 de
gâchette, cette région constituant la source du transistor.
Les régions diffusées 3 et 4 de gâchette et la région 5 de source sont réalisées par implantation ionique du dopant concerné, suivie d'un traitement thermique & haute température; mais il va de soi que ces régions peuvent être réalisées par
n'importe quelle autre technique.
Ainsi est bien définie la forme géométrique du canal, ayant une largeur W < 4 pm et une longueur L supérieure à la largeur
W et, plus précisément L = 8 pm dans l'exemple décrit.
Sur la surface 7, à travers des fenêtres pratiquées dans la couche isolante 8, se trouvent les métallisations 9, constituant l'électrode S de source, et 10-11, ces dernières étant connectées en parallèle entre elles au moyen de pistes métalliques non désignées sur la figure, constituant l'électrode G de gâchette. Du côté opposé de la plaquette, sur
la surface du substrat 1 restée libre,se trouve la métalli-
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sation 12, constituant l'électrode D de drain du
transistor de puissance.
Il convient de s'arrêter un instant sur la résistivite élevée de la couche épitaxiale 2 et sur la conformation géométrique du canal 6. La distance minimale W entre les deux régions 3 et 4 de gâchette est rendue très petite, à savoir < 4 pm, de telle manière que la région d'appauvrissement dans la couche épitaxiale 2, due au seul potentiel intrinsèque de chaque jonction PN entre les régions contiguës 3 - 2 et 4 - 2, soit bien supérieure & W/2. Dans ces conditions, le
canal 6 est complètement vidé de charges mobiles ("pincement").
Si une valeur suffisamment élevée est choisie pour la résistivite de la couche épitaxiale 2 et, en outre, si la longueur L du canal 6 est rendue supérieurs à la distance minimale W entre les gâchettes, le minimum de potentiel de la région d'appauvrissement dans le canal, dû à la tension intrinsèque, est suffisant pour bloquer le flux de porteurs majoritaires de la source au drain, même s'il est appliqué, à la région de drain, une tension Vo0 positive par rapport à la source. Par exemple, cela se produit jusqu'à une tension Vos maximale d'interdiction ou de blocage de plus de 700 V, si les paramètres géométriques du canal 6 prennent les valeurs W < 4 pm, L = 8 Mm et si la couche épitaxiale 2 a, comme déjà indiqué, une concentration d'impuretés inférieure à 2 x l0t'=
atomes/cme et une épaisseur de 60 pm.
Par conséquent, le dispositif est ainsi bloqué, même en l'absence de polarisation inverse de la gâchette par rapport à
la source: fonctionnement normalement bloqué.
Après avoir expliqué qu'avec une polarisation nulle et, à plus forte raison, avec une polarisation inverse sur la gâchette par rapport à la source, le transistor BNFET selon l'invention est bloqué et, par conséquent, ne conduit pas de courant de drain Io, on considérera maintenant son fonctionnement en conduction, en se rappelant que son mode normal de fonctionnement en allumage (état conducteur) est avec la gâchette polarisée en direct par rapport à la source. En conduction, la structure selon l'invention permet d'obtenir des 49 densités de courant élevées et des résistances RoN extrêmement
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basses,-bien que la résistivité du canal soit très élevée, si l'on réalise la transition entre la région 5 de source et le canal 6 de telle manière qu'elle soit hautement reflechissante pour les porteurs minoritaires, c'est-à-dire dotée d'une faible vitesse de recombinaison. Cela est possible en réalisant la région 5 avec un dopage très élevé par rapport a celui de la couche épitaxiale 2, avec une transition brusque entre les deux valeurs de dopage, et avec une épaisseur H supérieure à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans la même
région 5.
Dans l'exemple ici décrit, comme on l'a déja indiqué, la région 5 a une épaisseur H = 4 pm et une concentration
superficielle de phosphore de 102 atomes/cm-'.
Dans un tel cas, lorsqu'une polarisation directe est appliquée sur la gâchette par rapport à la source, le dispositif fonctionne de manière bipolaire. En effet, les régions 3 et 4 de gâchette injectent dans la couche épitaxiale 2 des porteurs minoritaires qui, en s'accumulant & la transition source 5 - canal 6, provoquent l'injection additionnelle de porteurs majoritaires depuis la région de source 5. Du fait que le canal 6 a un très faible dopage " 2 x 10"= atomes/cm:'), il y sera atteint les conditions de forte injection, avec des densités de porteurs minoritaires et majoritaires à peu près égales entre elles et beaucoup plus élevées que celle qui est due au dopage de la couche épitaxiale 2, ce qui amène la partie du canal 6 la plus proche de la région de source 5 à fonctionner en régime de plasma avec un
champ électrique négligeable.
Si le potentiel de la région de drain est inférieur à celui de la région de gâchette, le plasma s'étendra dans toute la couche épitaxiale 2 de la région de drain, donnant lieu a une résistance en conduction ( RON> extrêmement basse et pratiquement indépendante de la résistivité de la couche épitaxiale elle-même: on a ainsi un phénomène de modulation
de la conductibilité de la couche épitaxiale 2.
En conclusion, le transistor de puissance BKFET selon l'invention associe les avantages de son fonctionnement normalement éteint, avec des tensions élevées de blocage, à celui du contrôle de la conductibilité, qui permet d'obtenir des résistances RoN extrêmement basses dans l'état de conduction et, par suite, des tensions de saturation
extrêmement basses avec des courants élevés.
Un autre merite du dispositif selon l'invention est lie aux temps de commutation, se situant dans le domaine des dixièmes de nanoseconde, permettant des applications de puissance du dispositif & la commutation dans le domaine des hautes fréquences. Bien qu'il n'ait été représenté et décrit qu'une forme d'exécution de la présente invention, il va de soi qu'il peut y être apporté de nombreuses variantes et modifications sans que
l'on s'écarte pour autant du cadre de l'invention.
Par exemple, toujours en référence à la fig. 1, il est possible, avec les modifications nécessaires connues de l'homme de l'art, de réaliser un transistor BMFET à canal P. Une variante du transistor de la fig. 1 est représentée sur
la fig. 2.
Celle-ci est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette comprenant un dispositif BMFET qui diffère de celui de la fig. 1 par la présence supplémentaire d'une seconde couche épitaxiale 21. En d'autres termes, il y a, entre le substrat 1 et la couche isolante supérieure 8, deux couches épitaxiales superposées: la première 21 s'étend sur le subrst 1 t t dope N-ur toute son épaisseur, variant de à 100 pm, au moyen de phosphore avec une concentration de 101' atomes/cm=', ce qui correspond à une résistivité de 50 ohm.cm; la seconde 2, dopée N- au moyen de phosphore, s'étend sur la première couche épitaxiale 21 et a une résistivité supérieure à 200 ohm.cm, déjà indiquée à propos du dispositif
de la figure 1, et une épaisseur de 20>pm.
Dans ces conditions, la région de drain est constituée, dans l'ordre, par l'ensemble du substrat 1, de la couche
épitaxiale 21 et de la couche épitaxiale 2.
Si la couche épitaxiale 21 a été ajoutée, c'est pour améliorer les caractéristiques électriques a la commutation du dispositif et pour accroître la zone de sécurité de celui-ci
dans les conditions de polarisation inverse sur la gâchette.
Il va de soi que la géométrie horizontale du transistor selon l'invention peut avoir n'importe quelle forme, comme
c'est le cas des structures interdigitales ou multicellulaires.
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Pour conclure, l'invention s'applique, non seulement à des dispositifs individuels, mais à tout dispositif à semiconducteur du type decrit, integre de façon monolithique
sur une plaquette.
Claims (4)
1. Dispositif de puissance & semiconducteur, comprenant un substrat (1) de matière semiconductrice monocristalline, d'un premier type de conductibilité (N), constituant le drain, au moins une couche épitaxiale (2), du même type de conductibilité que le substrat (1), s'étendant sur celui-ci, une première (3) et une seconde (4) régions, d'un second type de conductibilité (P) opposé au premier, constituant la gâchette, qui sont contenues dans la couche épitaxiale (2), délimitées par une couche isolante (8) qui recouvre la surface supérieure (7), parallèle au substrat (1), de la couche épitaxiale (2) et disposées côte à côte de manière & laisser libre un intervalle dit canal (6) & l'intérieur de la couche épitaxiale (2), une troisième région (5), du premier type de conductibilité (N), constituant la source, située au-dessous de ladite couche isolante (8), centrée sur le canal (6) avec lequel elle est en contact, et délimitée partiellement par la première (3) et la seconde (4) régions, un premier (9), un deuxième (10-11) et un troisième (12) éléments conducteurs qui établissent des contacts ohmiques respectivement avec les régions de source (5), de gâchette (3-4) et de drain (1), caractérisé en ce que la couche pitaxiale (2) a une concentration d'impureté inférieure & 4 x l10 atomes/cm3 et une épaisseur supérieure à nm, en ce que le canal (6) a une largeur W, définie comme la distance minimale entre les deux régions <3-4) de gâchette, qui est inférieure à 4 jm et une longueur L, définie comme la distance entre le bas de la région de source (5) et le bas de la région de gâchette (3-4), qui est supérieure & la largeur W, et en ce que la troisième région (5) a une profondeur H supérieure à i Mm et une concentration superficielle d'impureté supérieure à 5 x 101 atomes/cm3', de telle manière que l'interface entre ladite region de source i5) et le canal <(6 soit réfléchissante pour les porteurs minoritaires dans la
couche épitaxiale (2).
2_ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'a un fonctionnement normalement bloqué pour une tension de polarisation g&chette-source nulle, il associe en conduction, pour un courant de gâchette supérieur & zéro, un fonctionnement
en modulation de la conductibilité.
0 3. Dispositif selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que pour une tension de polarisation gâchette-source nulle, il est normalement bloqué et supporte, dans de telles conditions de polarisation, des tensions de blocage, appliquées entre drain et source, d'au moins 100 V. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour des tensions de polarisation directe gâchette-source et des courants de gâchette supérieurs à zéro, il conduit des courants de drain élevés sur un parcours source-drain de résistance extrêmement basse, ce qui fait que la tension de
saturation du dispositif est extrêmement basse.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (2) est une couche à très basse
concentration d'impureté, inférieure à 4 x 101 atomes/cm-'.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce qu'en plus de la couche épitaxiale <2) de concentration d'impureté inférieure à 4 x 1013 atomes/cm= et d'épaisseur supérieure & 10 Mm, il comprend une seconde couche épitaxiale (21) située entre la précédente (2), dans laquelle le canal (6) est formé, et le substrat (1), du même type de conductibilité que ceux-ci et ayant une concentration
d'impureté supérieure à celle de ladite couche épitaxiale (2).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que le premier type de conductibilité est le type N et le second type de conductibilité est le type P, de manière a réaliser un dispositif à canal N.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caracterise en ce que le premier type de conductibilité est le type P et le second type de conductibilité est le type N, de manière à réaliser un dispositif à canal P.
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| IT8506614A0 (it) | 1985-09-26 |
| GB2181890A (en) | 1987-04-29 |
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