FR2625043A1 - Dispositif semi-conducteur - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif semi-conducteur 10 est formé avec une zone de haute résistance spécifique 15 entre les zones d'anode 12 et de cathode 13 sur chaque côté du dispositif, et possède une zone de défauts de réseau 16 dans la zone d'anode au voisinage de la zone de haute résistance spécifique. Il en résulte que le temps de passage à l'état bloqué pour le dispositif peut être suffisamment réduit, non seulement à la température normale, mais également aux températures relativement élevées.
Description
DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR
La présente invention concerne des dispositifs semi-
conducteurs possédant, sur un côté, une zone d'anode et sur l'autre côté une zone de cathode, une zone de haute résistance spécifique et une zone de défaut de réseaux
étant disposé entre les zones d'anode et de cathode.
Les dispositifs semi-conducteurs de ce type peuvent être efficacement utilisés en tant que, par exemple, thyristors à effet de champ (connus sous l'abréviation "SIT" dans la technique anglo-saxonne), transistors bipolaires à - électrodes de commande isolées ou équivalents. Des dispositifs semi-conducteurs dont il s'agit ici
ont été décrits dans, par exemple, le brevet US n' 4.056.
408 et la demande de brevet japonais n' 60-207376 ouverte, à l'inspection publique et dans d'autres encore. Dans cette dernière demande, en particulier, le substrat du semi-conducteur possède sur un côté la zone d'anode et sur l'autre côté la zone de cathode. La zone de haute résistance spécifique est formée entre les zones d'anode et de cathode et la zone de défauts de réseau est formée dans la même position que la zone de haute résistance spécifique, au moyen d'une irradiation protonique. En d'autres termes, la zone de défauts de réseau est formée dans ce dispositif semi-conducteur de telle sorte que la valeur de crête de la distribution des défauts de réseau apparaisse dans la région de la zone de haute résistance
spécifique, au voisinage immédiat de la zone d'anode.
Dans ce dispositif semi-conducteur, selon la demande n 60-207376 précitée, la zone de défauts de réseau, lorsque le dispositif est bloqué, provoque la disparition rapide des trous injectés à partir de l'anode, et il en résulte que les caractéristiques du dispositif sont telles que le temps de descente, de même que le
temps de montée, est raccourdi.
Cependant, dans la zone de haute résistance spécifique l'effet des défauts de réseau est réduit à haute température, et il en résulte une augmentation de la durée de vie des porteurs, qui prolonge ainsi le temps de descente. Si ce dispositif est utilisé dans un circuit o le fonctionnement en commutation est répété en un intervalle de temps court, comme un circuit inverseur à haute fréquence, la perte de puissance provoquée par l'écoulement d'un courant quelconque pendant la commutation vers l'état bloqué ou descente est augmentée, et la chaleur engendrée est également augmentée. La chaleur engendrée provoque un accroissement de la température du dispositif, ce qui prolonge le temps de descente, et la rétroaction qui en résulte provoque une dégradation des performances du dispositif. Il y a eu un problème avec les défauts de-réseau disposés dans la zone de haute résistance spéficique, en ce sens que les caractéristiques bénéfiques mentionnées ci-dessus ne peuvent pas être maintenues lorsque la température du dispositif augmente, bien que le temps de descente soit
plus court à la température normale.
Un premier objet de la présente invention est, par
conséquent, de fournir un dispositif semi-conducteur.
capable de conserver un temps de descente court lorsque la température de ce dispositif augmente, tout en présentant des caractéristiques de descente excellentes
et une haute fiabilité.
Selon la présente invention, cet objet est obtenu en fournissant un dispositif semi-conducteur comportant une zone d'anode sur un côté du dispositif avec -une haute concentration en impuretés, une zone de cathode sur l'autre côté du dispositif avec une autre concentration élevée en impuretés, et, une zone de haute résistance spécifique, formée. entre les zones d'anode et de cathode, avec une faible concentration en impuretés en tant que circuit pour le courant électrique, et une zone de défauts de réseau avec une concentration en impuretés relativement faible qui raccourcit la durée de vie des porteurs, cette zone de défauts de réseau, positionnée entre les zones d'anode et de cathode, étant située dans
la zone d'anode.
D'autres objets et avantages de la présente
invention seront compris en se reportant à la description
suivante de l'invention, détaillée avec référence à certains modes de réalisation montrés dans les dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe du dispositif semi-conducteur selon un mode de réalisation de la présente invention en tant que thyristor à effet de champ; la figure 2a est un diagramme montrant la distribution de défauts de réseau et la distribution d'impuretés d'un dispositif semi-conducteur de la figure 1; la figure 2b est un diagramme montrant la distribution de défauts de réseau et la distribution d'impuretés d'un dispositif semiconducteur comparatif o la zone de défauts de réseau est disposée à l'extérieur de la zone d'anode; la figure 3a est un diagramme montrant la relation entre la température du dispositif semi-conducteur de la figure 1 et la perte de puissance durant la commutation vers l'état bloqué ou descente du dispositif; la figure 3b est un diagramme montrant la relation entre la température du dispositif et la perte de
puissance à la descente pour un dispositif semi-
conducteur comparatif o la zone de défauts de réseau est à l'extérieur de la zone d'anode; la figure 4. est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif semi-conducteur selon la présente invention sous la forme d'un thyristor à effet de champ; la figure 5 est un diagramme montrant la distribution de réseau et la distribution d'impuretés dans les zones d'anode et de cathode de même que dans la zone tampon du dispositif semi-conducteur de la figure 4; et les figures 6 et 7 sont des coupes schématiques
d'autres modes de réalisation du dispositif semi-
conducteur selon la présente invention, sous la forme, dans ce cas, de transistors bipolaires à électrodes de
commande isolées.
Bien que la présente invention soit maintenant décrite avec référence aux modes de réalisation montrés dans les dessins annexés, on doit comprendre que le but n'est pas de limiter l'invention seulement à ses réalisations montrées, mais plutôt d'inclure toutes modifications, altérations et agencements équivalents
possibles dans le cadre de l'invention.
En se référant à la figure 1, celle-ci montre un
dispositif semi-conducteur 10 selon la présente invention.
Ce dispositif 10 constitue un thyristor à effet de champ. Plus spécifiquement, ce dispositif 10 est constitué par un substrat semiconducteur 11, une zone d'anode 12 formée d'un côté du substrat 11 ou sur le côté inférieur sur le dessin avec, par exemple, une zone P+ à haute concentration en impuretés, une zone de cathode 13 formée sur l'autre côté du substrat 11 ou sur le côté supérieur sur le dessin avec, par exemple, une zone N+ à haute concentration en impuretés, et une paire de zones de gachette 14 et 14a également formées sur le côté supérieur du substrat 11 avec, par exemple, une zone P+ à haute concentration en impuretés. Entre la zone d'anode 12 et la zone de cathode 13 dans le substrat 11 est formée, en outre, une zone 15 de haute résistance spécifique constituée, par exemple, par une zone N- à faible concentration en impuretés, et cette zone 15 à haute résistance spécifique forme un circuit pour le courant électrique. Dans la zone d'anode 12, près de la zone 15 de haute résistance spécifique est formée une
zone 16 de défauts de réseau au moyen, par exemple,.
d'irradiation protonique à une certaine dose optimale.
C'est-à-dire que,si la distribution en impuretés du dispositif semiconducteur 10 est telle que montrée figure 2A, la zone 16 de défauts de réseau sera disposée de telle manière que la valeur Q de crête de la distribution de défauts de réseau soit localisée à l'intérieur de la courbe AN de distribution en impuretés de la zone d'anode 12 et encore plus proche de la courbe CA de distribution en impuretés de la zone de cathode 13: Dans le cas présent, la zone 16 de défauts de réseau agit pour raccourcir la durée de vie des porteurs pour provoquer la disparition rapide des trous injectés à
partir de la zone d'anode 12.
Sur la zone 12 il existe une électrode d'anode 17, sur la zone de cathode 13 une électrode de cathode 18, et sur les zones de gachette 14 et 14a il existe une paire d'électrodes de gachette 19 et 19a, que l'on fait croître,
par exemple, aux moyens de techniques d'évaporation.
Ce dispositif semi-conducteur 10 est rendu conducteur et non-conducteur en commandant à la fois la largeur de la couche d'appauvrissement s'étendant dans la zone 15 de haute résistance spécifique et la hauteur de
la barrière de potentiel entre l'anode et-la cathode.
Avec ce dispositif 10, la densité de courant peut être rendue très élevée avec une' faible chute de tension directe, c'est-à-dire, que la résistance à l'état passant peut être rendue faible, en plus de rendre court le temps de descente..En outre, dans le dispositif 10, les trous positifs injectés durant la descente du dispositif disparaissent grâce à la zone 16 de défauts de réseau avant qu'ils n'atteignent la zone 15 de haute résistance spécifique, et le temps de descente est par conséquent raccourci. Cette zone 16 de défauts de réseau est formée, d'autre part, non pas à l'intérieur de la zone 15 de haute résistance présentant une concentration en impuretés relativement faible et une résistance relativement forte, mais à l'intérieur de la zone d'anode 12 qui présente une concentration en impuretés
relativement forte et une résistance relativement faible.
Il en résulte que le dispositif 10 est moins affecté par les augmentations de température puisque la zone 16 de défauts de réseau est dans une région de concentration en impuretés relativement élevée. Du fait de la valeur inférieure de la résistance, l'accroissement de la perte de puissance du dispositif est plus faible, de sorte que le temps de descente peut être maintenu court même à
haute température.
En se référant ensuite aux étapes de fabrication du dispositif semiconducteur 10 selon la présente invention, le substrat semi-conducteur N11 de haute résistance spécifique est constitué, par exemple, d'un monocristal de silicium et est soumis à une implantation ionique d'impuretés puis à un traitement de diffusion, par lequel les zones d'anode 12, de cathode 13 et de gachette 14,
14a sont formées à leurs positions prédéterminées.
Ensuite, les zones d'anode 12, de cathode 13 et de gachette 14, 14a sont munies des électrodes 17,18,19 et 19a composées d'aluminium par exemple. Puis on irradie verticalement avec des protons le côté frontal ou supérieur du substrat semi-conducteur 11 au moyen, par exemple, d'un accélérateur du type cyclotron afin de provoquer une déformation du cristal dans la zone 16 de défauts de réseau. Dans ce cas, la dose de protons est choisie de telle sorte que la chute de tension directe due aux défauts de réseau ne soit pas affectée négativement, et l'énergie de l'accélération des protons est choisie de telle sorte que la déformation soit située telle que montrée figure 2A, et non pas de sorte que le maximum de distribution soit disposé tel que montré figure 2B. De cette manière, on forme un thyristor à
effet de champ.
Dans le cas présent, si le substrat en silicium mono-cristallin formant le substrat semi-conducteur 10 présente-une épaisseur d'environ 300 Pm, il est alors
préférable que la zone 15 de haute résistance soit-
épaisse d'environ 130 Pm et que l'on donne une épaisseur d'environ 150 mm à la zone d'anode 12. Le maximum Q de la distribution de défauts de réseau sera localisé à environ 20 ou 30 Pm de la jonction entre la zone d'anode 12 et la zone 15 de haute résistance. Dans ce cas, la dose optimale de protons est d'environ lx1012 cm-a à 3xà102 cm-2. L'irradiation protonique introduit des défauts de réseau non seulement dans la zone d'anode 12 mais également dans la zone 15'de haute résistance spécifique, cependant la concentration de défauts de réseau introduits dans la zone 15 de haute résistance spécifique
est négligeable comparée à celle de la zone d'anode 12.
En outre, si une partie de la courbe de distribution de défauts de réseau s'étend de la zone d'anode 12 vers la zone 15 de haute résistance spécifique, ceci entre dans le cadre de la présente invention du moment que la partie principale de la distribution de défauts se trouve à l'intérieur de la zone d'anode 12. La densité optimale de défauts est d'environ 1,5 à 2,0 fois plus grande que la densité de défauts à laquelle la somme des pertes de puissance à la conduction et au blocage à la température
ambiante est au minimum.
Par conséquent, un thyristor à effet de champ dans lequel la zone 15 de haute résistance spécifique est de 130 pm d'épaisseur, la zone d'anode 12 est de 150 pm d'épaisseur et le maximum Q de la distribution de défauts de réseau est localisé à la profondeur de 30,m de la jonction des zones 12 et 15 a été employé comme élément de commutation dans un circuit inverseur asymétrique. Cet élément a été soumis à des commutations répétées à une fréquence de 50 kHz, et la relation entre la température du dispositif et la perte de puissance à la descente a été obtenue, comme le montre la figure 3A. Un autre thyristor à effet de champ avec une zone 15 de haute résistance spécifique de 130 pm d'épaisseur, une zone d'anode 12 de 150 pm d'épaisseur et un maximum de distribution de défauts de réseau localisé à la jonction des zones d'anode et de haute résistance spécifique a également été utilisé comme élément de commutation d'un circuit inverseur asymétrique.Cet élément a été soumis à une commutation répétée à une fréquence de 50 kHz, et la relation entre la température du dispositif et la perte
de puissance à la descente est montrée à la figure 3B.
En comparant les figures 3A et 3B, on peut voir que le thyristor à effet de champ construit suivant la présente invention possède d'excellentes caractéristiques à température élevée sans présenter d'augmentaton dans la perte de puissance à la descente même quand la température augmente de 50'C à 125C. Par contre, le thyristor à effet de champ construit comme montré à la figure 2B comme exemple comparatif présente une augmentation des pertes de puissance à la descente quand la température est augmentée de 50'C à 125*C. Il est important de noter que le dispositif de la figure 2B n'est pas fiable en fonctionnement à des températures
plus élevées par suite des pertes de puissance accrues.
Cependant, le dispositif construit comme montré à la figure 2A est susceptible de fonctionner normalement même si la température de ce dispositif augmente de plus de 'C. Le- temps de descente est comparable à celui de dispositifs tels que les MOSFET (transistors à effet de
champ en semi-conducteur à oxyde de métal).
La figure 4 montre un dispositif semi-conducteur 20, un thyristor à effet de champ, qui représente un autre 12- mode de réalisation de la présente invention. Dans ce dispositif se trouve une zone tampon 30 dans la zone 25 de haute résistance spécifique en une position proche de la zone d'anode 22. Cette zone tampon 30 est une couche fine d'impuretés du même type de conduction que la zone de haute résistance spécifique mais d'une concentration relativement supérieure. Pour tout le reste, cette réalisation est identique à celle montrée à la figure 1, les numéros de référence étant seulement augmentés de 10. Ce dispositif est construit d'une manière presque identique à celle du dispositif de la figure 1, sauf que les étapes de formation de la couche tampon sont ajoutées aux étapes de traitements de
diffusion et d'implantation ioniques.
La figure 5 montre les distributions d'impuretés et de défauts de réseau pour le dispositif semi-conducteur de la figure 4. On doit noter que le maximum Q de la distribution de défauts de réseau est localisé à l'intérieur de la courbe AN d'impuretés à l'anode et au voisinage de la zone 25 de haute résistance spécifique et, en outre, la courbe BA d'impuretés à la zone tampon est située au voisinage le plus immédiat de la courbe AN
d'impureté à l'anode.
Dans le présent mode de réalisation, l'influence de la température du dispositif sur la perte de puissance peut être réduite et les caractéristiques de tension de claquage peuvent être améliorées. Au moment o le dispositif passe à l'état bloqué, une couche d'appauvrissement s'étend des zones de gachette 24 et 24a vers la zone d'anode en réaction à l'application d'une tension d'anode. Dans la présente réalisation, la zone tampon 30 à haute concentration en impuretés provoque la limitation de l'extension de la couche d'appauvrissement au moment o celle-ci atteint la zone tampon 30. Il en résulte une diminution du champs électrique à la jonction entre la zone d'anode et la zone de haute résistance spécifique et on obtient ainsi une tension disruptive plus élevée. En d'autres termes, la zone tampon permet d'obtenir une chute de tension directe plus élevée et, par conséquent, d'améliorer les caractéristiques de
tension de claquage.
Pour la fabrication. des dispositifs semi-
conducteurs 10 et 20 selon les deux réalisations des figures 1 et 4, il est possible d'employer différents procédés. La zone d'anode 12 ou 22 se compose d'une pastille mono-cristalline de semi-conducteurs de type P+, sur laquelle on fait croître soit une couche N- en tant que zone 15 de haute résistance spécifique selon la figure 1, ou une couche initiale N+ en tant que zone tampon 30 suivie d'une couche N- en tant que zone 25 de * haute résistance spécifique selon la figure 4. Des impuretés sont ensuite implantées ou diffusées dans la zone N- pour former la zone de cathode 13 ou 23 et les zones de gachette 14, 14a ou 24, 24a. Puis, on fait croître les électrodes 17,18,19 et 19a ou 27,28,29 et 29a sur la zone d'anode 12 ou 22, la zone de cathode 13 ou 32 et les zones de gachette 14, 14a ou 24, 24a au moyen d'une évaporation ou une technique similaire. Finalement, la zone 16 ou 26 de défauts de réseau est formée de
préférence par irradiation protonique.
Le dispositif semi-conducteur selon la présente invention ne doit pas être considéré comme étant limité seulement au thyristor à effet de champ mais il peut également prendre la forme, par exemple, d'un transistor bipolaire à électrode de commande isolée.- La figure 6 montre un dispositif semi-conducteur 50 en tant que transistor bipolaire à électrode de commande isolée selon la présente invention, dans lequel une paire de zones de cathode 53 et 53a sont formées sur la surface supérieure d'une zone 55 de haute résistance spécifique qui est située au- dessus d'une zone d'anode 52 dans laquelle une zone 56 de défauts de réseau a été formée en une position prédéterminée. Entre la zone 55 de haute résistance spécifique et les zones de cathode 53 et 53a, est formée une zone 61 de type de conduction inverse composée d'une zone d'impuretée P+. Les électrodes de commande 59 et 59a sont formées, avec des pellicules d'isolation 62 et 62a, sur la zone 61 de type de conduction inverse. Une électrode d'anode 57 est formée sur la zone d'anode 52 et une électrode de cathode 58 est formée en travers de la paire de zones de cathode 53 et 53a. Les étapes de préparation, et la fonction de la zone 56 de défauts de réseau doivent être les mêmes que celles des modes de réalisation précédents, et on obtient essentiellement les
mêmes effets.
Dans le dispositif 50 décrit ici, comme montré à la figure 6, une tension appliquée aux électrodes de commande 59 et 59a provoque une modification d'un canal formé à la surface de la zone 61 de type de conduction inverse, commandant un courant électrique circulant à travers la zone 55 de haute résistance spécifique. Tout effet ou perte de puissance dû à la température peut être minimisé par la zone 56 de défauts de réseâu de la même manière que pour les exemples précédents, et le temps de descente court peut être maintenu même à haute
température.
Dans le dispositif 50, une zone tampon 80 peut être.
formée en une position prédéterminée dans la zone 75 de haute résistance spécifique, comme le montre la figure 7, de la même manière que pour la zone 25 de haute résistance spécifique dans le mode de réalisation de la figure 4. Cette zone tampon limite l'extension de la couche d'appauvrissement pendant le passage -à l'état bloqué du dispositif et améliore les caractéristiques de tension de claquage. Dans le mode de réalisation de la figure 7, toutes les autres particularités sont identiques à celles de la figure 6, avec seulement les
numéros de référence augmentés de 20..
Dans ces dispositifs tels que les transistors bipolaires du type à électrode de commande isolée montrés dans les figures 6 et 7, on se réfère à la zone de cathode en tant que zone de source, alors qu'on se réfère à la zone d'anode en tant que zone de drain. On doit également noter qu'il est possible d'apporter de nombreuses modifications de conception à cette invention. Par exemple, l'irradiation protonique dans le mode de réalisation précédent peut être effectuée à partir du sommet ou côté cathode des dispositifs. Ces dispositifs pourraient être irradiés à partir du fond ou
côté anode afin d'introduire la zone de défauts de réseau.
Claims (6)
1. Dispositif semi-conducteur (10;20;50;70) comportant une zone d'anode (12;22;52;72), sur un côté du dispositif, ayant une concentration élevée en impuretés; une zone de cathode (13;23;53,53a;73,73a), sur l'autre. côté du dispositif, ayant une autre concentration élevée en impuretés; et une zone de haute résistance spécifique, (15;25;55;75) bornée entre les zones d'anode et de cathode, avec une concentration en impuretés faible et formant un circuit pour le courant électrique; et une zone de défauts de réseau (16;26;56;76) d'une concentration en impuretés relativement faible qui réduit la durée de vie des porteurs, ladite zone de défauts de réseau étant disposée entre les zones d'anode et de cathode, caractérisé en ce que la zone de défauts de
réseau est disposée dans ladite zone d'anode.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de défauts de réseau est formée à l'intérieur de ladite zone d'anode et à proximité de la
zone de haute résistance spécifique.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une zone tampon (30; ) formée à l'intérieur de la zone de haute résistance spécifique disposée au voisinage de la zone d'anode, composée du même type de conduction que la zone de haute résistance spécifique et' ayant une concentration relativement supérieure à celle de la zone de haute
résistance spécifique.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la zone de défauts de réseau est formée dans la zone d'anode par irradiation protonique, le maximum (Q) de la distribution de défauts
se présentant dans la zone d'anode.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le flux d'irradiation protonique a une
valeur comprise entre lx1012 cm-2 et 3x1012 cm-2.
6. Dlspositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la densité de la zone de défauts de réseau est de 1,5 à 2,0 fois plus grande que la densité de défauts à laquelle la somme des pertes de puissance à
la conduction et au blocage présente un minimum.
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