FR2526587A1 - Dispositif a transistor a effet de champ a metal oxyde-silicium de puissance, bidirectionnel - Google Patents
Dispositif a transistor a effet de champ a metal oxyde-silicium de puissance, bidirectionnel Download PDFInfo
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Abstract
DISPOSITIF A COMMUTATION A GRANDE VITESSE FONCTIONNANT AVEC DES TENSIONS D'ALIMENTATION DE POLARITE QUELCONQUE. IL COMPREND : -UN CORPS SEMI-CONDUCTEUR AYANT UNE FACE (OU SURFACE) PRINCIPALE 14 ET COMPRENANT UNE PAIRE DE REGIONS TERMINALES PRINCIPALES 16, 18 A CONDUCTIVITE D'UN TYPE DONNE, S'ETENDANT VERS L'INTERIEUR A PARTIR DE LA SURFACE; -UNE PAIRE D'ELECTRODES TERMINALES PRINCIPALES 26, 28 RESPECTIVEMENT EN CONTACT OHMIQUE AVEC LES REGIONS TERMINALES PRINCIPALES 16, 18 PRECITEES; -UNE REGION DE BASE A SEMI-CONDUCTEUR 12, A CONDUCTIVITE DU TYPE OPPOSE, SEPARANT LES ZONES TERMINALES PRINCIPALES 16, 18 ET CONFIGUREE DE MANIERE A PRESENTER, SOUS L'INFLUENCE D'UN CHAMP ELECTRIQUE, UNE COUCHE D'INVERSION COMPRENANT UNE BANDE 24 A CONDUCTIVITE DU PREMIER TYPE, S'ETENDANT ENTRE LES REGIONS TERMINALES PRINCIPALES, ET ADJACENTE A LA FACE PRINCIPALE; -UNE COUCHE ISOLANTE DE GACHETTE 34 DISPOSEE SUR CETTE FACE PRINCIPALE AU-DESSUS DE LA BANDE; -UNE ELECTRODE CONDUCTRICE DE GACHETTE 36 PLACEE SUR LA COUCHE ISOLANTE DE GACHETTE; ET -UNE REGION DE RECOMBINAISON 44 INCLUSE DANS LA REGION DE BASE ENTRE LES REGIONS TERMINALES PRINCIPALES. APPLICATION A L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE.
Description
La présente invention concerne, de façon générale, des transistors de puissance à effet de champ, métal-oxyde semiconducteur (MOSFET), et plus particulièrement, de tels dispositifs utiles dans des applications de circuits redresseurs synchrones et présentant une faible résistance en circuit, une grande vitesse de commutation, des caractéristiques haute tension et bidirectionnelles pour utilisation dans des circuits à courant alternatif.
Les dispositifs MOSFET de puissance possèdent un certain nombre de caractéristiques intéressantes, notamment une grande impédance de gâchette, une faible résistance à l'état passant pour de faibles chutes de tension directe, une capacité élevée de tenue en tension et de grandes vitesses de commutation. Correctement déclenchés, ils peuvent être employés dans des circuits redresseurs synchrones qui ont utilisé antérieurement des dispositifs tels que des redresseurs à jonction PN classiques, des redresseurs Schottky ou des redresseurs synchrones à transistors bipolaires. Les MOSFETs offrent certains avantages par rapport à tous ces dispositifs.Par exemple, un redresseur à jonction PN présente une chute de tension directe relativement élevée (supérieure à 0,75 volt) et une vitesse de commutation relativement faible étant donné qu'au moment de 1 inversion de polarité, des charges accumulées doivent être supprimées avant que le dispositif ne cesse de conduire. Les redresseurs à jonction Schottky éliminent en grande partie ce problème de vitesse de commutation, mais ne suppriment que dans une faible mesure le problème de la chute de tension directe qui est encore supérieure à 0,5 volt environ pour des dispositifs Shottky à jonction au silicium pour de fortes intensités.
En général, les dispositifs Schottky à jonction manquent de capacité de blocage en inverse étant donné qu'ils ont un courant de fuite relativement élevé quand ils sont polarisés en inverse.
En général, les structures des MOSFETs de puissance existants comprennent un certain nombre d'éléments unitaires distincts, formés sur une seule pastille de semi-conducteur, chaque dispositif ayant généralement des dimensions de l'ordre de 7,62 mm (0,3 pouce) au carré, et tous les éléments sur un même dispositif étant connectés électroniquement en parallèle.
Diverses géométries sont employées pour les éléments unitaires distincts et, plus généralement, une structure interdigitée en peigne. Un MOSFET de puissance classique est une structure à double diffusion et comprend une région de drain commune constituée, par exemple, de matériau semi-conducteur à conductivité de type N. Formée dans la région de "drain", de préférence par diffusion, se trouve une région de "base" à conductivité de type P, puis une région de "source" entièrement réalisée à l'intérieur de la région de "base".La région de "source" est à conductivité de type N, identique à celle de la région de "drain". A la surface du dispositif, la région de base se présente comme une bande de matériau semi-conducteur à conductivité de type P entre les régions de "source'1 et de "drain" à conductivité de type N. Au-dessus de cette bande on a disposé une couche isolante de gâchette (du MOSFET) et une électrode conductrice de gâchette.En fonctionnement, si une tension de polarité-appropriée (positive pour un MOSFET à canal N) est appliquée à l'électrode de gâchette, un champ électrique est crée qui, à travers la couche isolante de gâchette, se prolonge dans la région de base pour induire une mince couche conductrice ou canal de type N, juste au-dessous de la surface de la région de base, créant une voie de conduction à faible résistance, à conductivité de type N, entre les régions de source et de drain . Les bornes effectives de source et de drain consistent en une métallisation sur les faces supérieure et inférieure principales du dispositif, une borne de drain commune desservant tous les éléments unitaires.Un tel dispositif peut dès lors être considéré comme dispositif à courant vertical, bien que le courant circule horizontalement dans la partie du canal de conduction sous commande de l'électrode de gâchette.
Dans une telle structure de MOSFET de puissance, les régions de source, base et drain correspondent respectivement à l'émetteur, à la base et au collecteur d'un transistor bipolaire parasite. Comme l'on sait, si ce dernier devient conducteur pendant le fonctionnement du MOSFET de puissance, la tension de blocage et la vitesse de mise hors fonction de ce
MOSFET seront grandement dégradées. Afin d'empêcher le transistor bipolaire parasite de conduire pendant que le MOSFET de puissance fonctionne, il est classique d'interconnecter électri qument, ou "court-circuiter", les couches constituées par les régions de source et de base au moyen d'une liaison ohmique, ce qui évite l'altération de la tension de blocage et de la vitesse de mise hors fonction du MOSFET.Cependant, de tels courtscircuits limitent l'utilité des dispositifs résultants dans certains circuits étant donné que la structure du dispositif contient intrinsèquement une diode à jonction PN parasite branchée directement aux bornes principales du MOSFET, c'est-à-dire entre bornes de source et de drain. Par exemple, dans le cas d'une structure MOSFET à canal N par effet d'enrichissement, telle que résumée ci-dessus, la région de base à conductivité de type P constitue une jonction PN avec la région de drain du dispositif. En raison du court-circuit entre source et base, la région de base à conductivité de type P est en fait connectée électriquement à la borne source du dispositif. La région de drain à conductivité de type N est évidemment connectée à la borne de drain du dispositif.En conséquence, une diode à jonction PN parasite existe avec son anode reliée à la borne de source du MOSFET et sa cathode reliée à la borne de drain du dispositif.
MOSFET seront grandement dégradées. Afin d'empêcher le transistor bipolaire parasite de conduire pendant que le MOSFET de puissance fonctionne, il est classique d'interconnecter électri qument, ou "court-circuiter", les couches constituées par les régions de source et de base au moyen d'une liaison ohmique, ce qui évite l'altération de la tension de blocage et de la vitesse de mise hors fonction du MOSFET.Cependant, de tels courtscircuits limitent l'utilité des dispositifs résultants dans certains circuits étant donné que la structure du dispositif contient intrinsèquement une diode à jonction PN parasite branchée directement aux bornes principales du MOSFET, c'est-à-dire entre bornes de source et de drain. Par exemple, dans le cas d'une structure MOSFET à canal N par effet d'enrichissement, telle que résumée ci-dessus, la région de base à conductivité de type P constitue une jonction PN avec la région de drain du dispositif. En raison du court-circuit entre source et base, la région de base à conductivité de type P est en fait connectée électriquement à la borne source du dispositif. La région de drain à conductivité de type N est évidemment connectée à la borne de drain du dispositif.En conséquence, une diode à jonction PN parasite existe avec son anode reliée à la borne de source du MOSFET et sa cathode reliée à la borne de drain du dispositif.
En fonctionnement normal d'un MOSFET à canal N dans un circuit électrique, la borne de drain est polarisée positivement par rapport à la borne de source. En l'absence de tension de gâchette (dans l'hypothèse d'un MOSFET à effet d'enrichissement), le dispositif MOSFET est dans un état de blocage et, en principe, aucun courant ne passe entre les bornes de source et de drain. Lorsque lton applique une tension de gâchette positive pour mettre le dispositif en fonction, un canal de type N est induit et établit un circuit conducteur continu à conductivité de type N à travers le dispositif entre les bornes de sources et de drain. Dans ces conditions, la diode parasite constituée par les régions de base et de drain n'a aucune incidence car elle est toujours polarisée en inverse.La cathode de la diode (drain du MOSEF) est toujours positive par rapport à l'anode de la diode (base et source du MOSFET). Cependant, si la polarité de la tension aux bornes de la source et du drain vient à être inversée, ce qui aurait pour effet de polariser en sens direct la diode constituée des régions de base et de drain, une conduction s'établit à travers le dispositif, même en l'absence de tension de gâchette (en supposant que la tension appliquée soit supérieure à 0,6 volt au "coude" de la courbe de conduction directe de la diode, comme le comprendront les spécialistes). En effet, dans ce cas, le dispositif MOSFET se comporte comme un court-circuit pour les tensions d'alimentation inverses. Cette caractéristique connue des dispositifs MOSFETS classiques limite les facilités d'application dans certains circuits, notamment dans les circuits en alternatif. Un
MOSFET pouvant fonctionner indifféremment avec une tension d'alimentation de l'une ou l'autre polarité serait potentiellement d'une grande utilité face aux applications concrètes des circuits.
MOSFET pouvant fonctionner indifféremment avec une tension d'alimentation de l'une ou l'autre polarité serait potentiellement d'une grande utilité face aux applications concrètes des circuits.
En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un MOSFET de puissance dans lequel on inhibe les dispositifs parasites internes, notamment les transistors bipolaires, pendant la commutation à grande vitesse du MOSFET, et qui soit bidirectionnel, c'est-à-dire pouvant fonctionner avec des tensions d'alimentation de l'une ou l'autre polarité entre ses bornes principales de source et de drain.
L'invention a également pour but de fournir un dispositif MOSFET de puissance dans lequel la conduction reste exclusivement sous la commande de la borne de gâchette, quelle que soit la polarité.
L'invention a encore pour but de fournir un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnelle qui soit entièrement symétrique de telle sorte que la tenue en tension, la résistance à l'état passant et la vitesse de commutation soient les mêmes pour les deux polarités de fonctionnement.
En résumé, et conformément à l'un des aspects de l'invention, on supprime le court-circuit entre source et base, nécessaire jusqu ici dans les MOSFETs classiques, ce qui élimine la diode à jonction PN parasite effectivement connectée entre les bornes de source et de drain des MOSFETs de puissance classique. En vue d'empêcher le fonctionnement du transistor bipolaire parasite en l'absence-du court-circuit employé jusqu'ici, on forme à l'intérieur du dispositif MOSFET une région de recombinaison offrant une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires en excès. Dans une réalisation, on forme la région de recombinaison au sein de la région de base. Comme le savent les spécialistes, le fonctionnement normal d'un transistor bipolaire exige une longue durée de vie des porteurs excédentaires de la région de base.Par exemple, durant le fonctionnement normal d'un transistor bipolaire NPN, des électrons sont injectés dans la base à travers la couche de charge d'espace de l'émetteur, et la plupart de ces électrons traversent la base pour être évacués dans le collecteur sans se recombiner avec les porteurs majoritaires (trous) de la région de base. Une faible recombinaison se produit cependant et des porteurs majoritaires (trous) de la région de base doivent être approvisionnés en permanence pour maintenir le dispositif conducteur. Si, comme dans la présente invention, la population de ces porteurs majoritaires de la région de base est limitée, en leur imposant, par exemple, une courte durée de vie, le fonctionnement du transistor bipolaire NPN est rendu impossible.En principe donc, la présente invention permet l'existence d'un transistor bipolaire parasite mais le transforme en un dispositif très faiblement conducteur.
Dans les instants particulièrement critiques du blocage du MOSFET, des porteurs majoritaires (trous) ont tendance a être créés dans la région de base à la fois par avalanche et par l'accroissement rapide de la tension entre les bornes de sources et de drain. Avec une longévité suffisamment faible, par exemple de l'ordre d'un cinquième du temps théorique de blocage du dispositif MOSFET, ces porteurs majoritaires de la région de base (trous) sont "annihilés" (c'est-à-dire recombinés avec des électrons) pratiquement aussi vite qu'ils sont formés.
On peut raccourcit la durée de vie dans la région de recombinaison par tout moyen approprié connu des spécialistes.
Une évolution répandue consiste à faire un dopage au moyen d'impuretés de niveau lointain, telles que l'or ou le platine. Une autre solution courante consiste à provoquer une dégradation par rayonnement afin de produire des défauts dans la structure du réseau cristallin du silicium. Dans l'un et l'autre cas, seule la durée de vie des porteurs majoritaires est modifiée. Le type de conductivité et la concentration restent fondamentalement inchangés.
En résumé, et conformément à un autre aspect de la présente invention, un MOSFET de puissance bidirectionnel se compose d'un corps semi-conducteur comprenant une paire de régions terminales principales d'un même type de conductivité,
N par exemple, et d'une région de base à semi-conducteur, à conductivité du type opposé, séparant les régions terminales principales et configurée de manière à présenter une surface de canal MOSFET où se trouve la région de base sous forme d'une bande à conductivité du type opposé entre les régions terminales principales. Il est recommandé que le dispositif soit un transistor "planar" parfaitement symétrique formé par des techniques de diffusion.En particulier, la région de base possède une face principale à l'intérieur de laquelle sont formées les régions terminales séparées avec une dimension latérale et une profondeur moindres que celles de la région de base. La périphérie des régions terminales principales s'arrête au niveau de la face principale. Une couche isolante de gâchette est disposée sur la surface du canal du MOSFET au-dessus de la bande constituant la région de base et une électrode conductrice de gâchette est placée sur cette couche isolante et disposée de manière à établir un canal conducteur entre les régions terminales principales lorsqu'une tension est appliquée à la gâchette.
N par exemple, et d'une région de base à semi-conducteur, à conductivité du type opposé, séparant les régions terminales principales et configurée de manière à présenter une surface de canal MOSFET où se trouve la région de base sous forme d'une bande à conductivité du type opposé entre les régions terminales principales. Il est recommandé que le dispositif soit un transistor "planar" parfaitement symétrique formé par des techniques de diffusion.En particulier, la région de base possède une face principale à l'intérieur de laquelle sont formées les régions terminales séparées avec une dimension latérale et une profondeur moindres que celles de la région de base. La périphérie des régions terminales principales s'arrête au niveau de la face principale. Une couche isolante de gâchette est disposée sur la surface du canal du MOSFET au-dessus de la bande constituant la région de base et une électrode conductrice de gâchette est placée sur cette couche isolante et disposée de manière à établir un canal conducteur entre les régions terminales principales lorsqu'une tension est appliquée à la gâchette.
Une région de recombinaison située à l'intérieur de la région de base entre les régions terminales principales, procure une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires de la région de base afin d'éviter une concentration de porteurs majoritaires excédentaires. On empêche ainsi le fonctionnement de la région terminale principale et de la région de base en transistor bipolaire parasite et, lors du blocage du MOSFET, les porteurs majoritaires excédentaires de la région de base se recombinent rapidement afin que ce blocage soit rapide. Dans la structure planar recommandée, la région de recombinaison s'étend au moins jusqu a la profondeur approximative des régions terminales principales.
En bref, et conformément à une autre réalisation de l'invention, un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique comprend un substrat semi-conducteur doté d'une région terminale intermédiaire à conductivité d'un type donné.
Cette région intermédiaire correspond essentiellement à la région de drain d'un MOSFET de puissance classique à courant vertical, à double diffusion, et possède une face principale.
Deux régions de base séparées, chacune à conductivité du type opposé, sont formées dans la région terminale intermédiaire correspondante avec une dimension latérale et une profondeur moindres ; la périphérie de ces régions de base s'achève au niveau de la face principale. Deux régions terminales principales, chacune à conductivité du type donné sont formées respectivement à l'intérieur des régions de base. La périphérie de chaque région terminale principale s'achève au niveau de la face principale, à l'intérieur et à distance de la périphérie de la région de base correspondante, de telle manière qu'au niveau de la face principale, les régions de base se présentent respectivement sous forme de bandes à conductivité du type opposé, entre la région terminale principale correspondante et la région terminale intermédiaire.Un court-circuit ohmique est créé entre chacune des régions terminales principales et la région de base correspondante de telle sorte que le fonctionnement de chacune des régions terminales principales, de la région de base correspondante et de la région terminale intermédiaire en tant que transistor bipolaire parasite respectif soit rendu impossible.
Une région de recombinaison incluse dans la zone terminale intermédiaire entre les régions de base séparées s'étend à une profondeur approximativement égale au moins à l'épaisseur des régions de base. La région de recombinaison, en ne permettant qu'une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires de la région terminale intermédiaire, empeche une concentration des porteurs majoritaires excédentaires. Le fonctionnement des régions séparées et de la région terminale intermédiaire en tant que transistor bipolaire parasite est, en conséquence, rendu impossible, ce qui facilite la recombinaison accélérée des porteurs majoritaires excédentaires de la région terminale afin de permettre un blocage rapide du dispositif lors du blocage du MOSFET de puissance.
La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement
Figure 1, une vue de côté en coupe, représentant un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique, conformément à une réalisation de l'invention ;
Figure 2, un schéma de principe du circuit électrique équivalent au dispositif de la figure 1 ;
Figure 3, une vue de côté en coupe d'un dispositif
MOSFET de puissance bidireCtionnel symétrique, conformément à une autre réalisation de l'invention
Figure 4, un schéma de principe du circuit équivalent au dispositif de la figure 3 ; et
Figure 5, une vue de côté en coupe, représentant un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel mais asymétrique, conformément à l'invention.
Figure 1, une vue de côté en coupe, représentant un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique, conformément à une réalisation de l'invention ;
Figure 2, un schéma de principe du circuit électrique équivalent au dispositif de la figure 1 ;
Figure 3, une vue de côté en coupe d'un dispositif
MOSFET de puissance bidireCtionnel symétrique, conformément à une autre réalisation de l'invention
Figure 4, un schéma de principe du circuit équivalent au dispositif de la figure 3 ; et
Figure 5, une vue de côté en coupe, représentant un dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel mais asymétrique, conformément à l'invention.
Pour des raisons de commodité, les dispositifs MOSFETs de puissance de l'invention seront décrits ci-après comme étant des MOSFETs à canal N, dotés de régions de source et de drain à semi-conducteur au silicium et conductivité de type N, et des régions de base à semi-conducteur au silicium et conductivité de type P. Cependant, on estimera que toutes les régions actives peuvent avoir une conductivité du type opposé à celui qui est spécifiquement indiqué. En outre, bien que les dispositifs spécifiques décrits ici soient de préférence formés par des techniques de diffusion planar, d'autres structures de dispositifs sont également comprises dans les aspects les plus larges de l'invention comme par exemple les structures de dispositifs
V-MOS.
V-MOS.
L'ensemble du dispositif MOSFET de puissance, bidirectionnel symétrique, référence 10, est réalisé sur un substrat semi-conducteur comprenant une région de base 12 à conductivité de type P et possédant une face principale 14. Formées à l'intérieur de la région de base 12 avec une dimension latérale et une profondeur moindres que la base, se trouve une paire de régions terminales principales séparées, 16 et 18, à conductivi té N+. Les régions terminales principales 16 et 18 ont des périphéries respectives 20 et 22 affleurant la face principale 14 de telle façon qu'en cette surface 14 une partie de la région de base 12 constitue la bande 24 à conductivité de type P entre les régions terminales principales 16 et 18 (toutes deux à conductivité N+).Deux électrodes terminales métallisées 26 et 28 sont en contact ohmique avec leur région terminale principale respective 16 et 18 et sont connectées aux bornes principales respectives du dispositif 30 et 32.
Pour complèter la structure de bas-e du MOSFET, une couche isolante de gâchette 34, constituée d'un matériau tel que du bioxyde de silicium, est déposée sur la surface principale 14, au-dessus de la bande 24, et une électrode conductrice de gâchette 36, telle qu'en aluminium vaporisé ou en polysilicium fortement dopé (rendu ainsi très conducteur) est placée sur la couche isolante de gâchette 24 au moins latéralemant au-dessus de la bande 24 de la région de base. L'électrode de gâchette 36 est connectée à son tour à une borne de gâchette du dispositif, 38.
Ainsi est défini de manière générale un MOSFET à canal N, à effet d'enrichissement. Dans le fonctionnement du
MOSFET de base tel que décrit jusqu'ici, lorsqu'une tension de gâchette positive est appliquée à l'électrode de gâchette 36, un champ électrique est créé #qui traverse la couche isolante de gâchette 34, jusqu'à la région de base 12 et induit une mince couche d'inversion ou canal conducteur de type N, juste au-dessous de la surface 14 sous la couche# isolante de gâchette 34 et l'électrode de gâchette 36. Ce canal #induit forme alors un circuit conducteur entre les régions terminales principales, à conductivité de type N+, 16 et 18. En l'absence de tension de gâchette positive, il n'y a pas de couche d'inversion et la partie de la région de base 12 entre les régions terminales principales symétriques 16 et 18 forme une région de blocage.
MOSFET de base tel que décrit jusqu'ici, lorsqu'une tension de gâchette positive est appliquée à l'électrode de gâchette 36, un champ électrique est créé #qui traverse la couche isolante de gâchette 34, jusqu'à la région de base 12 et induit une mince couche d'inversion ou canal conducteur de type N, juste au-dessous de la surface 14 sous la couche# isolante de gâchette 34 et l'électrode de gâchette 36. Ce canal #induit forme alors un circuit conducteur entre les régions terminales principales, à conductivité de type N+, 16 et 18. En l'absence de tension de gâchette positive, il n'y a pas de couche d'inversion et la partie de la région de base 12 entre les régions terminales principales symétriques 16 et 18 forme une région de blocage.
On peut voir d'après la figure 1 que le dispositif 10 est entièrement symétrique par rapport aux régions terminales principales 16 et 18 et, par conséquent, par rapport aux bornes du dispositif 30 et 32. Etant donné que le dispositif 10 ne comprend aucun court-circuit ohmique entre l'une ou l'autre des régions terminales principales 16 ou 18 et la zone de base 12, il convient au fonctionnement bidirectionnel, c'està-dire qu'une tension de polarité quelconque peut être appliquée aux bornes principales du dispositif 30 et 32. Pour être en en harmonie avec la terminologie des MOSFETs classiques, la borne 30 est appelée borne de source/drain (S/D) et la borne 32, borne de drain/source (D/S).Ainsi, et comme on peut également le voir en se référant au circuit équivalent de la figure 2, lorsque la borné 32 est positive par rapport à la borne 30, cette dernière peut être considérée comme borne de source et la borne 32 peut être considérée comme borne de drain du MOSFET. A l'inverse, lorsque la borne 30 est positive par rapport à la borne 32, la borne 30 peut être considérée comme borne de drain et la borne 32 comme borne de source. il n'y a pas de connexion électrique directe à la région de base 12.
Une paire de diodes à jonction PN parasites existent dans la structure du dispositif de la figure 1 et, dans la figure 2, ces diodes sont référencées respectivement 40 et 42
La diode 40 comprend la région terminale principale 16 à conductivité N+, constituant la cathode de la diode, et la région de base 12 à conductivité de type P qui constitue l'anode de la diode. De même, la diode 42 est formée par la région terminale principale 18 à conductivité N+ qui constitue la cathode de la diode, et par la région de base 12 qui joue le rôle d'anode de la diode. De la sorte, la région de base constitue l'anode des deux diodes parasites 40 et 42.
La diode 40 comprend la région terminale principale 16 à conductivité N+, constituant la cathode de la diode, et la région de base 12 à conductivité de type P qui constitue l'anode de la diode. De même, la diode 42 est formée par la région terminale principale 18 à conductivité N+ qui constitue la cathode de la diode, et par la région de base 12 qui joue le rôle d'anode de la diode. De la sorte, la région de base constitue l'anode des deux diodes parasites 40 et 42.
Pendant le fonctionnement du dispositif, les diodes parasites 40 et 42 ne créent pas de court-circuit entre les bornes de source èt de drain du dispositif 10, car, étant connectées électriquement en opposition, elles ne conduisent pas simultanément.
Pour empêcher la région terminale principale 16, la région de base 12 et la région terminale principale 18 du dispositif 10, représentées sur la figure 1 de fonctionner respectivement comme émetteur, base et collecteur ou comme collecteur, base et émetteur, respectivement, d'un transistor bipolaire NPN parasite, une région de recombinaison 44 est incluse dans la zone base 12 entre les zones temrinales principales 16 et 18 ; cette région de recombinaison s'étend de la surface 14 jusqu a une profondeur approximativement égale au moins à la profondeur des régions terminales principales 16 et 18 comme indiqué par le trait discontinu 46. (Si les régions terminales principales ont des profondeurs différentes, la région de recombinaison descend à chaque extrémité à une profondeur approximativement égale au moins à celle de la région terminale adjacente).Les centres de recombinaison à l'intérieur de la région de recombinaison sont indiqués par des X. Ces centres de recombinaison peuvent comprendre des atomes d'impuretés de niveaux lointains tels que l'or ou le platine, ou bien des défauts dans la structure du réseau cristallin du semi-conducteur au silicium obtenus au moyen d'une dégradation par rayonnement. La région de recombinaison 44 procure ainsi une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires (trous dans le cas de la région de base 12 à conductivité de type P) et, par suite, sert à éviter des concentrations de porteurs majoritaires en excès. il s'ensuit que le fonctionnement des régions terminales principales 16 et 18 et de la région de base 12 en tant que transistor bipolaire parasite est rendu impossible.De plus, lors du blocage dudispositif
MOSFET de puissance 10, les porteurs majoritaires en excès de la région de base, formés par avalanche et résultant de 1 ' accrois- sement rapide de la tension aux bornes des régions terminales principales 16 et 18, sont rapidement recombinés ou annihilés afin d'accélérer le blocage du dispositif 10.
MOSFET de puissance 10, les porteurs majoritaires en excès de la région de base, formés par avalanche et résultant de 1 ' accrois- sement rapide de la tension aux bornes des régions terminales principales 16 et 18, sont rapidement recombinés ou annihilés afin d'accélérer le blocage du dispositif 10.
Pour raccourcir le temps de blocage du dispositif, il est nécessaire que la durée de vie des porteurs majoritaires au sein de la région de recombinaison 44 soit de l'ordre du cinquième du temps de blocage par commutation souhaité. Par exemple, pour que le dispositif MOSFET 10 se bloque en cinquante nanosecondes, la durée de vie dans la région de recombinaison doit être réduite au-dessous de dix nanosecondes. Pour un dispositif encore plus rapide, il est envisagé de réduire la durée de vie dans la région de recombinaison 44 à une nanoseconde. Cette durée de vie peut etre fixée au niveau souhaité soit par dopage au moyen de métaux lourds tels que l'or ou le platine, soit par l'utilisation de rayonnement électronique ou gamma.
En fonctionnement, la conduction dans le dispositif des figures 1 et 2 entre régions terminales principales 16 est 18 commandée#par une tension de polarité quelconque appliquée à la borne de gâchette 38. Le courant traversant le dispositif 10 peut être amorcé ou coupé à un moment quelconque d'un cycle alternatif quelle que soit la polarité aux bornes du dispositif.
Pour rendre le dispositif non conducteur, la tension appliquée à la borne de gâchette 38 ne doit pas être positive par rapport à l'une ou l'autre des bornes 30 et 32. Pour le rendre conducteur, on applique une tension de gâchette positive par rapport à la plus négative des deux bornes principales 30 et 32.
Quoique le dispositif 10 des figures 1 et 2 forme un
MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique, un inconvénient potentiel existe dû au fait que la région de blocage de la région de base 12 s'étend entièrement entre les régions terminales principales 16 et 18 et que cette distance correspond également à la longueur du canal induit à conduction de type N lorsque le dispositif est conducteur. il s'ensuit que l'intervalle entre régions terminales principales 16 et 18 doit être assez grand pour obtenir la capacité de tenue en tension souhaitée du dispositif ; le respect de cette condition peut se traduire par une région de canal du MOSFET trop large sous l'électrode de gâchette 36.
MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique, un inconvénient potentiel existe dû au fait que la région de blocage de la région de base 12 s'étend entièrement entre les régions terminales principales 16 et 18 et que cette distance correspond également à la longueur du canal induit à conduction de type N lorsque le dispositif est conducteur. il s'ensuit que l'intervalle entre régions terminales principales 16 et 18 doit être assez grand pour obtenir la capacité de tenue en tension souhaitée du dispositif ; le respect de cette condition peut se traduire par une région de canal du MOSFET trop large sous l'électrode de gâchette 36.
Les figures 3 et 4 représentent une autre forme de dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique référencé 50 dans son ensemble et qui élimine les inconvénients précités du dispositif des figures 1 et 2. On peut considérer globalement le dispositif 50 comme une paire d'éléments unitaires MOSFET classiques, à courant vertical, 52 et 54, disposés symétriquement dos à dos et se partageant une région de drain commune 56 qui ne sert que de région terminale intermédiaire sans connexion directe à une borne quelconque du dispositif.
Chacun des éléments unitaires MOSFETs 52 et 54 est du type à court-circuit ohmique entre ses régions de sources et de base, conformément à une technique connue appliquée aux MOSFETS de puissance et résumée plus haut.
Plus particulièrement, correspondant aux deux éléments unitaires 52 et 54, se trouve une paire de régions de base séparées, 58 et 60, à conductivité de type P, formées à l'intérieur de la région terminale intermédiaire à conductivité de type N, 56, avec une dimension latérale et une profondeur moindres que celles de cette région-ci. Les régions de base 58 et 60 ont une périphérie respective 62 et 64 affleurant la surface principale de la région terminale intermédiaire 65.
Formées respectivement dans les régions de base 58 et 60 se trouvent deux régions terminales principales 66 et 67 correspondant chacune, de manière générale, à la région de source d'un MOSFET de puissance classique à double diffusion et courant vertical. Cependant, il existe une différence importante du fait que les régions terminales principales 66 et 67 sont en contact avec l'une des électrodes individuelles correspondantes métallisées, 68 et 69, connectées respectivement à l'une des bornes principales du dispositif 70 et 71.
(Ceci est différent d'un MOSFET classique où les électrodes 68 et 69 seraient connectées électriquement l'une à l'autre pour constituer une borne unique de source). Chacune des régions terminales principales 66 et 67 a une conductivité de type N + et une périphérie 72 et 73, respectivement, affleurant la face principale 65 et située à l'intérieur et en dehors de l'une des périphéries 62 et 64, respectivement, des régions de bases respectives correspondantes 58 et 60, de telle manière qu'au niveau de la surface principale 65, les régions de base 58 et 60 se présentent sous forme de bandes à con#ductivité du type opposé entre la région terminale principale correspondante 66 et 67, respectivement, et la région terminale intermédiaire 56.
Dans cette structure, on peut voir que les régions terminales principales 66 et 67, les régions de base 58 et 60 et la région terminale intermédiaire 56 correspondent, respectivement, aux émetteurs, bases et collecteur d'une paire de transistor bipolaires NPN parasites ; en outre, ces couches définissent également la structure d'un dispositif de commutation NPNPN ou thyristor, existant entre les électrodes 68 et 69. Etant donné que ce thyristor parasite a tendance à se verrouiller à l'état conducteur, ses effets sur le fonctionnement du dispositif
MOSFET de la figure 3 peuvent être encore plus nuisibles que ceux du transistor bipolaire parasite.
MOSFET de la figure 3 peuvent être encore plus nuisibles que ceux du transistor bipolaire parasite.
Pour empêcher le fonctionnement des transistors bipo la res parasites ou du thyristor parasite dans le dispositif de la figure 3, deux courts-circuits ohmiques, référencés généralement 74 et 75, ont été formés entre chacune des régions terminales principales 66 et 67 et la région de base correspondante 58 ou 60. Les courts-circuits ohmiques 74 et 75 peuvent être réalisés de toute manière appropriée. Aux fins d'illustration, la figure 3 représente une forme de technique classique caractérisée en ce que les prolongements respectifs 76 et 78 des régions de base 58 et 60 affleurent la face principale 65 de manière à être en contact avec les métallisations terminales 68 et 69, respectivement et, par suite, également en contact ohmique avec les régions terminales principales 66 et 67, respectivement.Les prolongements 76 et 78 sont formés de manière classique en diffusant d'abord une impureté de type accepteur dans la région terminale intermédiaire 56 pour obtenir les régions de base à conductivité de type P, 58 et 60, en appliquant des bandes de masquage pour faible diffusion (non représentés) sur la surface 65 à l'emplacement des prolongements 76 et 78, puis en diffusant une impureté de type donneur pour constituer les régions terminales principales à conductivité de type N+, 66 et 67, et enfin, en enlevant les bandes de masquage.
D'autres formes de courts-circuits ohmiques 74 et 75 peuvent être utilisés sans les conditions requises pour la formation des prolongements des régions de bases 76 et 78. Par exemple, il peut s'agir d'un ensemencement en microalliage partant des électrodes métallisées des bornes principales 68 et 69 et pénétrant partiellement dans les régions de base 58 et 60, respectivement, après avoir traversé les régions terminales 66 et 67, respectivement. Ou encore, on peut réaliser des rainures en V par gravure préférentielle à travers les bornes 66 et 67 jusqu'à l'intérieur des régions de base 58 et 60, respectivement, et les électrodes métallisées principales 68 et 69, respectivement, formées ensuite dans les rainures en V, en contact ohmique avec les deux couches.
Pour achever la structu#re, des éléments de MOSFET 52 et 54, on a disposé les couches isolantes de gâchette 80 et 82, respectivement, sur la surface principale 65 au-dessus des bandes des régions de base, et des électrodes conductrices de gâchette 84 et 86, respectivement, ont été placées sur les couches isolantes de gâchette 80 et 82, respectivement, au-dessus des parties à bande des régions de base. Les électrodes conductrices de gâchette 84 et 86 sont connectées électriquement à une borne commune de gâchette du dispositif 88.
On peut voir d'après la figure 3 que la région de base 58, la région terminale intermédiaire 56 et la région de base 60 constituent la structure d'un transistor bipolaire PNP parasite qui, si on le laisse agir, dégrade le fonctionnement du dispositif MOSFET de puissance 50, et, plus particulièrement, ses possibilités de coupure rapide. De plus, ce transistor bipolaire PNP parasite peut virtuellement se combiner avec l'une ou l'autre des régions terminales principales 66 ou 67 pour former un dispositif parasite de commutation NPNP à quatre couches qui pourrait se verrouiller à son état "en circuit" ou conducteur.Pour empêcher le fonctionnement -de ces dispositifs parasites, une région de recombinaison 90, généralement comparable à la région de recombinaison 44 de la figure 1, est formée à l'intérieur de la région terminale intermédiaire 56 entre les régions de base séparées 58 et 60 ; elle se prolonge à une profondeur approximativement égale au moins à la# profondeur des régions de base 58 et 60 comme le représente le trait interrompu 92. Des "X" indiquent les centres de recombinaison à l'intérieur de la région de recombinaison 90.Cette région ne permet qu'une durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région terminale intermédiaire (électrons dans le cas présent) afin d'éviter des con#centrations de porteurs majoritaires excédentaires, de telle sorte que le fonctionnement des régions de base séparées 58 et 60 et de la région terminale intermédiaire 56 en tant que transistor bipolaire PNP parasite est rendu impossible, essentiellement de la même manière que décrit plus haut. Ceci, à son tour, empêche le fonctionnement du dispositif parasite NPNP de commutation précité.
Dans le circuit électrique équivalent de la figure 4, on peut voir que la structure du dispositif de la figure 3 comprend une paire de diodes à jonction PN parasites 94 et 96.
Comme dans le circuit équivalent de la réalisation de la figure 2, ces diodes à jonction 94 et 96 sont connectées en opposition de telle sorte qu'elles ne conduisent jamais simultanément, permettant au dispositif de fonctionner avec l'une ou l'autre polarité de la tension appliquée aux bornes principales 70 et 71. En particulier, la diode 94 comprend la région de base à conductivité#de type P, 58, et la région terminale intermédiaire à conductivité de type N, 56, qui constituent respectivement les régions d'anode et de cathode de la diode.
De même, la diode 96 comprend la région de base à conductivité de type P,60, et la région terminale intermédiaire à conductivité de type N, 56. Ainsi, la région terminale intermédiaire 56 sert de région de cathode commune aux diodes à jonction PN parasites 94 et 96.
Les courts-circuits entre source et base, 74 et 75, dans les éléments de MOSFET 52 et 54, respectivement, du dispositif de la figure 3, sont représentés par les segments conducteurs 98 et 100, respectivement, sur la figure 4. Ces courtscircuits 74 et 75 fonctionnent pour évacuer toute concentration de trous excédentaires à l'intérieur des régions de base 58 et 60, respectivement, afin d'éviter le fonctionnement des régions de source, base et terminale intermédiaire en tant que transistors bipolaires parasites. la région de recombinaison 90 provoque la recombinaison de tout électron excédentaire en son sein afin d'empêcher le fonctionnement des deux régions de base 58 et 60 et de la région terminale intermédiaire 56, èn transistor bipolaire parasite PNP.
Ainsi, le dispositif 50 de la figure 3 fonctionne comme un dispositif de commutation symétrique caractérisé en ce que la borne de gâchette 88 commande effectivement la conduction à travers le dispositif quelle que soit la polar#ité (+ ou -) appliquée. Tant que la tension appliquée à la borne de gâchette 88 du dispositif est plus négative que la plus négative des tensions appliquées à l'une ou l'autre borne principale du dispositif, aucun des canaux du MOSFET n'est conducteur et les diodes en opposition 94 et 96 empêchent toute conduction à travers le dispositif 50. Avec une incrémentation suffisamment positive de tension ajoutée à la tension de gâchette, le dispositif 50 devient conducteur.
Enfin, la figure 5 illustre une réalisation des concepts plus généraux de l'invention comprenant un dispositif
MOSFET 110 qui n'est toutefois pas symétrique ; néanmoins, ce dispositif asymétrique 110 de la figure 5 est comparable, dans son ensemble, au dispositif symétrique 10 de la figure 1. Globalement, le dispositif 110 ressemble à un MOSFET de puissance à double diffusion à courant vertical, excepté qu'il n'y a pas de court-circuit entre source et base et qu'une région de recombinaison 144 est incorporée à l'intérieur de la région de base.
MOSFET 110 qui n'est toutefois pas symétrique ; néanmoins, ce dispositif asymétrique 110 de la figure 5 est comparable, dans son ensemble, au dispositif symétrique 10 de la figure 1. Globalement, le dispositif 110 ressemble à un MOSFET de puissance à double diffusion à courant vertical, excepté qu'il n'y a pas de court-circuit entre source et base et qu'une région de recombinaison 144 est incorporée à l'intérieur de la région de base.
Plus particulierement, le dispositif 110 comprend une région de base à conductivité de type P, 112, située entre une région de source à conductivité de type N+ 116 (diffusée dans la région de base), et une région de drain 118 comprenant la majeure partie du dispositif 110. La région de drain 118 est formée par un processus tel que la croissance épitaxiale sur un substrat à conductivité de type N+, connecté à la borne principale du dispositif 132, qui sert de borne de drain/source.
Les éléments restants du dispositif 110 correspondent en général aux éléments du dispositif 10 de la figure 1. Les éléments correspondants sont désignés par une série de numéros de référence auxquels on a ajouté 100 sur la figure 5.
La description ci-dessus concerne un MOSFET de puissance bidirectionnel dans lequel le fonctionnement de dispositifs parasites internes, notamment de transistors bipolaires, est rendu impossible. Etant donné que le dispositif est symétrique, la tenue en tension, la résistance à l'état passant, et la vitesse de commutation sont les mêmes pour l'une ou l'autre polarité de fonctionnement. La conduction du dispositif est sous la seule commande de la borne de gâchette, quelle que soit la polarité.
Claims (15)
1. Dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel comprenant
- un corps semi-conducteur ayant une face (ou surface) principale (14) et comprenant une paire de régions terminales principales (16,18) à conductivité d'un type donné, s'étendant vers l'intérieur à partir de la surface
- une paire d'électrodes terminales principales (26, 28) respectivement en contact ohmique avec les régions terminales principales (16,18) précitées
- une région de base à semi-conducteur (12), à conductivité du type opposé, séparant les zones terminales principales (16,18) et configurée de manière à présenter, sous l'influence d'un champ électrique, une couche d'inversion comprenant une bande (24) à conductivité du premier type, s'étendant entre les régions terminales principales, et adjacente à la face principale ;;
- une couche isolante de gâchette (34) disposée sur cette face principale au-dessus de la bande ;
- une électrode conductrice de gâchette (36) placée sur la couche isolante de gâchette ; et
- une région de recombinaison (44) incluse dans la région de base entre les régions terminales principales, cette région de recombinaison imposant une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires de la région de base afin d'éviter des concentrations de porteurs majoritaires excédentaires dans la région de recombinaison, de telle sorte que le fonctionnement des régions terminales principales et de la région de base en tant que transistor bipolaire parasite est rendu impossible et de telle façon que, lors du blocage du
MOSFET de puissance, les porteurs majoritaires excédentaires de la région de base soient rapidement recombinés.
2. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, à chacune des régions terminales principales (16,18), la région de recombinaison (44) s'étend de la surface principale (14) jusqu a une profondeur approximativement égale au moins à la profondeur de la région terminale principale adjacente.
3. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la région de recombinaison (44) comprend des impuretés à niveau lointain destinées à obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région de base.
4. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les impuretés à niveau lointain comprennent l'un des éléments du groupe constitué par l'or et le platine.
5. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la région de recombinaison est dégradée par rayonnement afin d'obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la rég#ion de base.
6. Dispositif MOSFET de puissance bidirectionnel symétrique comprenant
- un substrat semi-conducteur doté d'une région de base (18) à conductivité d'un type donné et possédant une surface principale (14) ;
- une paire de régions terminales principales séparées (16,18), chacune à conductivité du type opposé, formées sensiblement à la même profondeur dans la région de base, avec des dimensions latérales et une profondeur moindres que celles de la région de base, les périphéries des régions terminales principales affleurant la surface principale de telle sorte qu'au niveau de cette surface, et sous l'influence d'un champ électrique, une partie de la région de base se présente comme une bande (24) à conductivité du type opposé, s'étendant entre les régions terminales#principales ;;
- une paire d'électrodes terminales principales (26, 28), respectivement en contact ohmique avec les régions terminales principales ;
- une couche isolante de gâchette (34) disposée sur la surface principale au-dessus de la bande (24) de la région
- une -électrode conductrice de .gaehette, -(36), placée sur la couche isolante de gâchette au moins latéralement au-dessus de la bande de la région de base.;; et
- une région de recombinaison (44) située à l'intérieur de la région de base entre les régions terminales principales et s'étendant à une profondeur approximativement égale au moins à la profondeur des régions termina.les principales, la région de recombinaison ne permettant qu'-une.-durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la base afin d'éviter des concentrations de porteurs majoritaires excédentaires dans la région de recombinaison,-de telle: sorte que le fonctionnement des régions terminales principales et de la région de base en tant que transistor bipolaire parasite soit rendu impossible, et de telle façon que lors du blocage du
MOSFET de puissance, les porteurs majoritaires excédentaires de la région de base soient rapidement recombinés.
7. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la région de recombinaison est dégradée par rayonnement afin d'obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région de base.
8. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la région-de recombinaison comr prend des imPuretés de niveau lointain en vue d'obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région de base.
9. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les impuretés à niveau lointain contiennent de l'or.
10. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les impuretés à niveau lointain contiennent du platine.
11. Dispositif MOSFET bidirectionnel symétrique de puissance comprenant - un substrat semi-conducteur doté d'une région terminale in médiaire (56) à conductivité d'un type donné et possédant une surface principale (65) ;
- une paire de régions de base sép#arées (58, 60), chacune à conductivité du type opposé, formées à l'intérieur de la région terminale intermédiaire avec des dimensions latérales et une profondeur moindres que celles de cette région intermédiaire, les périphéries (62,64) des régions de base affleurant la surface principale ;;
- une paire de régions terminales principales (66, 67) à conductivité du type donné, formées respectivement à l'intérieur des régions de base, chacune des régions terminales principales ayant une périphérie (72, 73) venant affleurer la surface principale (65), respectivement à l'intérieur et en étant écartée de la périphérie de la région de base correspondante, de telle sorte qu'au niveau de cette surface principale (65), et sous l'influence d'un champ électrique, une partie de chacune des régions de base (58, 60) se présente comme une bande a conductivité du type opposé, située respectivement entre la région terminale principale correspondante et la région terminale intermédiaire ; ;
- une paire de courts-circuits ohmiques (74,76) formés respectivement entre chacune des régions terminales principales de la paire précitée et la région de base correspondante, respectivement, de telle sorte que le fonctionnement du transistor bipolaire parasite constitué par la région de base correspondante, conjointement à sa paire associée de régions terminales principales (respectivement) et la région terminale intermédiaire soit rendu impossible
- une couche isolante de gâchette (80, 82) disposée sur la face principale au-dessus de chaque bande des régions de base
- une électrode conductrice de gâchette (84,86) placée sur chacune des couches isolantes de gâchette au moins latéralement au-dessus de chaque bande des régions de base ; et
- une région de recombinaison (90) située à l'inté rieur de la région terminale intermédiaire'entre les régions de base séparées, la région de recombinaison imposant une durée de vie relativement courte aux porteurs majoritaires de la région terminale intermédiaire afin d'éviter des concentrations de porteurs majoritaires excédentaires dans la région de recombinaison, de telle sorte que le fonctionnement des régions de base séparées et de la région terminale intermédiaire en tant que transistor bipolaire parasite soit rendue impossible et de telle manière que lors du blocage du MOSFET #'de puissance considéré, les porteurs majoritaires excédentaires dé la région terminale intermédiaire soient rapidement recombinés.
12. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 11, caractérisé en ce que, face à chacune des régions de base précitées, la région de recombinaison s'étend depuis la surface principale jusqu a une profondeur approximativement égale au moins à la profondeur de la région de base adjacente.
13. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la région de recombinaison contient des impuretés à niveau lointain pour obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région terminale intermédiaire.
14. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les impuretés à niveau lointain contiennent l'un des éléments du groupe constitué par l'or et le platine.
15. Dispositif MOSFET de puissance suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la région de recombinaison est dégradée par rayonenment afin d'obtenir la durée de vie relativement courte des porteurs majoritaires de la région terminale intermédiaire.
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