FR2959598A1

FR2959598A1 - Commutateur bidirectionnel a commande en q1, q4

Info

Publication number: FR2959598A1
Application number: FR1053326A
Authority: FR
Inventors: Samuel Menard
Original assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Current assignee: STMicroelectronics Tours SAS
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-29
Also published as: CN104040723B; WO2011135242A1; FR2959598B1; CN104040723A; US20130049065A1; EP2564421A1; CN107256891A; CN107256891B; US9231092B2

Abstract

L'invention concerne un commutateur bidirectionnel vertical du type à commande référencée à la face arrière comportant sur sa face arrière une première électrode principale (A1) et sur sa face avant une deuxième électrode principale (A2) et une électrode de gâchette (G), ce commutateur étant commandable par une tension positive entre gâchette et première électrode, dans lequel l'électrode de gâchette (G) est disposée sur la face avant d'un via traversant la puce dans laquelle est formé le commutateur.

Description

B10060 - 09-T0-487 1 COMMUTATEUR BIDIRECTIONNEL À COMMANDE EN Q1, Q4

Domaine de l'invention La présente invention concerne un commutateur bidirectionnel constitué d'une puce semiconductrice comportant une électrode principale sur chaque face de la puce et une électrode de commande sur la face avant de la puce, cette électrode de commande ou gâchette étant commandée par un potentiel référencé au potentiel de l'électrode de face arrière. Exposé de l'art antérieur De tels composants se distinguent des thyristors à conduction unidirectionnelle et des triacs à conduction bidirectionnelle mais dans lesquels le signal de gâchette est commandé par référence à l'électrode de face avant. Le fait d'avoir une électrode de gâchette référencée à la face arrière présente des avantages en ce qu'il est commode de connecter la face arrière qui comporte une unique électrode à une plaque de masse ou un radiateur et ainsi, le signal de gâchette peut être référencé à une tension fixe, par exemple la masse, alors que l'électrode principale de face avant est dans de nombreuses applications connectée à la tension du secteur, ce qui oblige à prévoir des systèmes d'isolement pour fournir une tension entre un signal de commande et un potentiel variable.

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2 La demanderesse, qui a créé le concept de commutateur bidirectionnel référencé à la face arrière, qu'elle commercialise sous la marque "ACS", a effectué de nombreuses études sur ces composants. On signalera notamment les brevets des Etats- Unis d'Amérique N° 6 034 381, 6 593 600 et 6 927 427. Par ailleurs, antérieurement, la demanderesse avait prévu de connecter de multiples composants unidirectionnels (des thyristors) en parallèle avec une cathode commune, les gâchettes étant référencée à la cathode, comme cela est décrit dans le brevet US 5 914 502. Les diverses architectures connues de commutateurs bidirectionnels référencés à la face arrière, quand elles sont commandables dans les modes Q1 et Q4, c'est-à-dire quand la gâchette est positive par rapport à l'électrode de face arrière, présentent l'inconvénient d'impliquer pour leur déclenchement un transistor ou un thyristor latéral. Ceci pose, d'une part, un problème de surface de la zone dévolue à la gâchette, d'autre part, des problèmes de déclenchement parasite éventuel quand une variation brutale de tension est appliquée entre les électrodes principales (déclenchement en dV/dt). Résumé Ainsi, on cherche à réaliser un commutateur bidirectionnel dans lequel l'électrode de gâchette est référencée à la face arrière, dont la structure de commande est particulièrement simple et peu encombrante, et qui est peu sensible à des déclenchements parasites par des variations brutales de tension entre ses électrodes principales. Un mode de réalisation de la présente invention pré- voit un commutateur bidirectionnel vertical du type à commande référencée à la face arrière comportant sur sa face arrière une première électrode principale et sur sa face avant une deuxième électrode principale et une électrode de gâchette, ce commuta- teur étant commandable par une tension positive entre gâchette et première électrode, dans lequel l'électrode de gâchette est B10060 - 09-T0-487

3 disposée sur la face avant d'un via traversant la puce dans laquelle est formé le commutateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur bidirectionnel comprend un substrat semiconduc- teur d'un premier type de conductivité entouré d'un mur du deuxième type de conductivité, du côté de la face avant, un caisson du deuxième type de conductivité dans sensiblement une moitié duquel est formée une première région du premier type de conductivité, un via du deuxième type de conductivité allant de la face avant à la face arrière du substrat, disposé entre la première région et le mur, ce via étant en contact avec l'électrode de gâchette, du côté de la face arrière, une couche du deuxième type de conductivité dans laquelle est formé une deuxième région du premier type de conductivité sensiblement en regard de la partie du caisson non occupée par la première région, une couche isolante étant disposée sur la face arrière, autour de la région de via. La couche du deuxième type de conductivité est interrompue et ladite couche isolante est disposée pour que, quand une tension positive est appliquée entre l'électrode de gâchette et la première électrode principale, un courant circule dans ladite couche du deuxième type de conductivité sous le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une troisième région du premier type de conductivité est formée du côté de la face arrière de sorte que ledit courant circule dans une région pincée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le commutateur bidirectionnel comprend en outre une quatrième région du premier type de conductivité disposée dans le caisson du côté de la face avant et connectée à l'électrode de gâchette, d'où il résulte que le commutateur est commandable dans les quatre quadrants. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type N.

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4 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A est une vue de dessus schématique d'un commutateur bidirectionnel selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 1B est une vue en coupe schématique selon la 10 ligne B-B de la figure 1A et est en outre destinée à illustrer le fonctionnement dans le quadrant Q1 ; la figure 1C est une vue en coupe similaire à celle de la figure 1B destinée à illustrer le fonctionnement dans le quadrant Q4 ; 15 la figure 2 est une vue de dessus d'une variante de réalisation dans laquelle le commutateur bidirectionnel est susceptible d'être commandé dans les quadrants Q2 et Q3 en plus des quadrants Q1 et Q4 ; et la figure 3 est une vue de dessus illustrant une 20 variante de topologie d'un composant selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme cela est habituel dans la représentation des composants semiconducteurs, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. 25 Description détaillée Comme le représentent la vue de dessus de la figure 1A et la vue en coupe de la figure 1B, un commutateur bidirectionnel est formé à partir d'un substrat 1 faiblement dopé de type N entouré d'un mur périphérique 3 de type P. Bien entendu, lors de 30 la fabrication, le substrat 1 correspond à une puce d'une tranche de silicium. Un caisson 5 de type P s'étend en position sensible- ment centrale du côté de la face supérieure (ou face avant) du substrat 1. Une région 7 fortement dopée de type N (N+) est 35 formée dans sensiblement une moitié du caisson 5. La face B10060 - 09-T0-487

inférieure (ou face arrière) du substrat est principalement occupée par une couche 9 de type P dont les limites seront exposées ci après en relation avec l'exposé du fonctionnement du commutateur. Une région 11 fortement dopée de type N est formée 5 dans la couche 9 en regard de la partie du caisson P 5 dans laquelle n'est pas formée la région 7. Ainsi, la partie de puissance du composant comprend deux thyristors en antiparallèle comprenant respectivement les régions et couches 5-1-9-11 et 7-5-1-9.

Un via de type P 14 traverse le substrat 1 jusqu'à rejoindre la couche de type P 9. Ce via est disposé dans le substrat 1 en face d'un côté de la région N 7 et pourra par exemple correspondre à une région diffusée profonde. En outre, on pourra prévoir un anneau 16 de type N+ entourant l'ensemble du caisson P 5 et constituant une région d'arrêt de canal. Du côté de la face inférieure, une couche isolante 18 s'étend sous la partie de la région N 1 disposée entre le via 14 et le caisson périphérique 3 et se prolonge en direction du centre du composant. De plus, une région 19 fortement dopée de type N est disposée dans la couche 9 du côté de la face inférieure sensiblement entre le débouché du via 14 et la projection de la région de type N+ 7. Une métallisation d'électrode principale Al recouvre l'ensemble de la face inférieure. Une métallisation d'électrode principale A2 recouvre l'ensemble des régions du caisson P 5 et de la région N+ 7 et une métallisation de gâchette G recouvre la surface supérieure du via 14. Par souci de simplicité, ces métallisations ne sont pas représentées en figure 1A et apparaissent seulement en figure 1B. De plus, en figure 1B, on n'a pas représenté les couches isolantes qui recouvrent la face avant en dehors des zones de contact avec les métallisations. Pour les commutateurs bidirectionnels, on définit quatre quadrants de déclenchement. On suppose toujours que l'électrode Al est à la masse. Le premier quadrant Q1 correspond à A2 positif et G positif, le deuxième quadrant Q2 correspond à B10060 - 09-T0-487

6 A2 positif et G négatif, le troisième quadrant Q3 correspond à A2 négatif et G négatif et le quatrième quadrant de conduction Q4 correspond à A2 négatif et G positif. Le composant décrit précédemment est apte à fonctionner dans les premier et quatrième quadrants, le composant étant susceptible d'être mis en conduction en appliquant à l'électrode de gâchette un signal positif par rapport à l'électrode Al, quelle que soit la polarité de l'électrode A2. En figure 1B, on a indiqué par des pointillés fléchés le mode de déclenchement dans le quadrant Q1, c'est-à-dire quand l'électrode A2 est positive par rapport à l'électrode Al. Le signal de gâchette positif par rapport à l'électrode Al entraîne le passage d'un courant I1 de l'électrode G vers l'électrode Al en passant verticalement dans le via 14 puis horizontalement (vers la gauche dans la figure) dans une partie de la couche P 9 entre le substrat N 1 au dessus de la couche isolante 18 et de l'éventuelle région N 19. Le courant ne peut aller directement vers le mur périphérique 3 du fait que la couche P 9 ne s'étend pas sous la partie du substrat 1 située à l'extérieur du débouché du via 14. La circulation d'un courant dans la région pincée de la couche de type P 9 entre la couche isolante 18 et la région 19 et le substrat 1 rend passante la jonction entre la couche P 9 et la région 19 et des électrons sont injectés dans le substrat selon la flèche I2. Il en résulte une injection de trous par le caisson P 5 dans le substrat (flèche I3) pour assurer l'équilibre et la conduction démarre dans le thyristor vertical comprenant les couches et régions 5-1-9-11, comme cela est indiqué par la flèche I4. On notera que ce déclenchement ne correspond pas au déclenchement d'un transistor ou d'un thyristor latéral et il ne peut se produire de déclenchement par suite d'une surtension rapide entre les électrodes A2 et Al. Le composant, dans ce mode de réalisation est donc particulièrement peu sensible au déclenchement parasite en dV/dt.

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7 La figure 1C illustre le déclenchement dans le mode Q4, c'est-à-dire quand l'électrode A2 est négative par rapport à l'électrode Al. Initialement, le même courant I1 que ce qui a été indiqué précédemment circule dans le via 14. De même, cela entraîne une injection d'électrons I2 dans le substrat. La jonction PN entre le via 14 et le substrat 1 qui tend à devenir passante entraîne l'injection de trous de la région 14 vers le caisson P 5 (flèche 13). Ces trous se dirigent vers l'électrode négative A2 dans la région P 5 (flèche I4) et cela de façon classique débloque le thyristor vertical 7-5-1-9 (flèche I5). La figure 2 représente une variante du mode de réalisation de la figure 1. En plus des éléments déjà représentés et décrits en relation avec la figure 1, on trouve deux régions N+ (une seule serait en fait nécessaire) 21, 22 formées dans la partie supérieure du mur d'isolement périphérique 3. Ces régions N+ peuvent être connectées par une métallisation au via de gâchette 14 et constituent des gâchettes pouvant déclencher le commutateur bidirectionnel dans les quadrants Q2 et Q3, de façon similaire à ce qui est décrit dans au moins certains des brevets américains cités en tête de la présente description. On obtient ainsi un commutateur commandable dans les quatre quadrants. La figure 3 représente une variante de réalisation des structures illustrées en vue de dessus en figures 1 et 2. Cette variante est uniquement une variante topologique : le via de gâchette 14 est placé dans un coin de la structure et la gâchette 21 est placée dans un autre coin de la structure, le via 14 étant en regard de la partie N+ 7 qui cette fois-ci divise de façon diagonale le caisson P 5. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment à la lecture des brevets antérieurs de la demanderesse mentionnés précédemment qui seront considérés ici comme connus. Ainsi, on n'a pas donné ici d'exemple détaillé de niveaux de dopage, d'épaisseurs de couche et de dimensions, ces valeurs étant simplement déterminées par l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS1. Commutateur bidirectionnel vertical du type à commande référencée à la face arrière comportant sur sa face arrière une première électrode principale (Al) et sur sa face avant une deuxième électrode principale (A2) et une électrode de gâchette (G), ce commutateur étant commandable par une tension positive entre gâchette et première électrode, dans lequel l'électrode de gâchette (G) est disposée sur la face avant d'un via traversant la puce dans laquelle est formé le commutateur.
2. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 1, comprenant : un substrat semiconducteur (1) d'un premier type de conductivité entouré d'un mur (3) du deuxième type de conductivité, du côté de la face avant, un caisson (5) du deuxième type de conductivité dans sensiblement une moitié duquel est formée une première région (7) du premier type de conductivité, un via (14) du deuxième type de conductivité allant de la face avant à la face arrière du substrat, disposé entre la première région (7) et le mur (3), ce via étant en contact avec l'électrode de gâchette (G), du côté de la face arrière, une couche (9) du deuxième type de conductivité dans laquelle est formé une deuxième région (11) du premier type de conductivité sensiblement en regard de la partie du caisson (5) non occupée par la première région (7), une couche isolante (18) étant disposée sur la face arrière, autour de la région de via (14), dans lequel ladite couche du deuxième type de conductivité est interrompue et ladite couche isolante est disposée pour que, quand une tension positive est appliquée entre l'élec- trode de gâchette (G) et la première électrode principale (A1), un courant (I1) circule dans ladite couche du deuxième type de conductivité sous le substrat (1).
3. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 2, dans lequel une troisième région (19) du premier type deB10060 - 09-T0-487 9 conductivité est formée du côté de la face arrière de sorte que ledit courant circule dans une région pincée.
4. Commutateur bidirectionnel selon la revendication 2 ou 3, comprenant en outre une quatrième région (21, 22) du premier type de conductivité disposée dans le caisson du côté de la face avant et connectée à l'électrode de gâchette (G), d'où il résulte que le commutateur est commandable dans les quatre quadrants.
5. Commutateur bidirectionnel selon l'une quelconque 10 des revendications 2 à 4, dans lequel le premier type de conductivité est le type N.