FR3161816A1 - PROTECTION DEVICE FOR ELECTRONIC COMPONENTS, PROTECTION SYSTEM AND ASSOCIATED ELECTRONIC CIRCUIT - Google Patents
PROTECTION DEVICE FOR ELECTRONIC COMPONENTS, PROTECTION SYSTEM AND ASSOCIATED ELECTRONIC CIRCUITInfo
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Abstract
DISPOSITIF DE PROTECTION POUR COMPOSANT ÉLECTRONIQUE, SYSTÈME DE PROTECTION ET CIRCUIT ÉLECTRONIQUE ASSOCIÉS Un aspect de l’invention concerne un système de protection (30) pour composant électronique (C1) comprenant une pluralité de dispositifs de protection (3) répartis de manière à former une pluralité de chaînes de protection (31) distinctes, chaque dispositif de protection (3) comprenant : deux électrodes semiconductrice (4, 6) dopée ;une couche isolante (8) séparant les électrodes semiconductrices (4, 6), une ouverture (9) étant aménagée dans la couche isolante (8) pour mettre en regard les première et deuxième couches semiconductrices (4, 6), une distance (h8) séparant les deux électrodes semiconductrices (4, 6) étant inférieure à 5 µm. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 19 ASSOCIATED PROTECTION DEVICE FOR ELECTRONIC COMPONENT, PROTECTION SYSTEM, AND ELECTRONIC CIRCUIT One aspect of the invention relates to a protection system (30) for an electronic component (C1) comprising a plurality of protection devices (3) distributed to form a plurality of distinct protection chains (31), each protection device (3) comprising: two doped semiconductor electrodes (4, 6); an insulating layer (8) separating the semiconductor electrodes (4, 6), an opening (9) being provided in the insulating layer (8) to bring the first and second semiconductor layers (4, 6) into contact; a distance (h8) separating the two semiconductor electrodes (4, 6) being less than 5 µm. Figure to be published with the abbreviation: Figure 19
Description
Le domaine technique de l’invention est celui de la protection de composant électronique ou électronique face à des surtensions et/ou des surintensités typiques d’une agression foudre.The technical field of the invention is that of the protection of electronic components against overvoltages and/or overcurrents typical of a lightning strike.
Un composant électronique peut être victime d’une surcharge de courant ou de tension, dite respectivement « surintensité » et « surtension ». Ces surintensités ou surtensions présentent généralement un temps de montée très court, de l’ordre de quelques microsecondes et des amplitudes élevées. Elles peuvent se produire suite à une décharge de foudre, une manœuvre d’un commutateur, une décharge électrostatique ou encore une impulsion électromagnétique (par exemple d’origine nucléaire).An electronic component can be subjected to a current or voltage overload, known respectively as "overcurrent" and "overvoltage." These overcurrents or overvoltages generally have a very short rise time, on the order of a few microseconds, and high amplitudes. They can occur following a lightning strike, the operation of a switch, an electrostatic discharge, or an electromagnetic pulse (for example, of nuclear origin).
Une manière de protéger le composant d’une surtension ou d’une surintensité est d’écrêter ladite surtension ou de limiter la surintensité. Une manière de faire revient à court-circuiter tout ou partie de la surtension et à introduire une impédance élevée en série avec le composant à protéger.One way to protect a component from overvoltage or overcurrent is to clip the overvoltage or limit the overcurrent. One method of doing this involves short-circuiting all or part of the overvoltage and introducing a high impedance in series with the component to be protected.
Il existe plusieurs technologies permettant de réaliser un court-circuit, présentant différents temps de réponse et pouvoir de décharge.There are several technologies for creating a short circuit, with different response times and discharge power.
Une diode Zener peut par exemple être employée. Une diode Zener peut être obtenue par la mise en contact de deux matériaux semiconducteurs présentant des dopages ou conductivités différents. Lorsque la tension aux bornes de la diode Zener dépasse la tension de seuil de ladite diode, cette dernière devient passante et permet de former un court-circuit. Dès lors que la tension décroît, la diode peut repasser dans un état bloqué.A Zener diode can be used, for example. A Zener diode can be made by joining two semiconductor materials with different doping levels or conductivities. When the voltage across the Zener diode exceeds its threshold voltage, the diode conducts and forms a short circuit. As soon as the voltage decreases, the diode returns to a blocked state.
Une résistance variable, fortement non-linéaire, peut également être employée. La non-linéarité peut être une propriété intrinsèque de certains matériaux tels que ZnO ou SiC. Au-delà d’un certain seuil de tension l’impédance de la résistance variable chute pour court-circuiter la surtension. Dès lors que la tension décroît, l’impédance de la résistance variable augmente.A variable resistor, which is highly nonlinear, can also be used. Nonlinearity can be an intrinsic property of certain materials such as ZnO or SiC. Above a certain voltage threshold, the impedance of the variable resistor drops to short-circuit the overvoltage. As the voltage decreases, the impedance of the variable resistor increases.
Un éclateur à gaz peut également être employé. Un éclateur à gaz comprend par exemple deux cornets placés à une faible distance l’un de l’autre. Une surtension provoque un claquage entre les cornets et la formation d’un arc électrique. Cet arc permet alors de court-circuiter la surtension. Dès lors que la tension aux bornes des cornets devient inférieure à la tension d’arc, le court-circuit cesse.A gas discharge tube can also be used. A gas discharge tube consists, for example, of two nozzles placed a short distance apart. A voltage surge causes a breakdown between the nozzles and the formation of an electric arc. This arc then short-circuits the voltage surge. As soon as the voltage across the nozzles falls below the arc voltage, the short circuit breaks.
Il est également connu de réaliser un court-circuit par la mise en œuvre de décharges électrostatiques, dites « ESD » pour « electro-static discharges » en anglais.It is also known to create a short circuit by implementing electrostatic discharges, called "ESD" for "electro-static discharges" in English.
Le document US 2012/0236450 A1 divulgue par exemple un dispositif de protection par ESD. Le dispositif comprend deux électrodes conductrices séparées par un entrefer. La tension de claquage des dispositifs permet de court-circuiter une surtension.For example, US patent 2012/0236450 A1 discloses an ESD protection device. The device comprises two conductive electrodes separated by an air gap. The breakdown voltage of the devices allows them to short-circuit an overvoltage.
Les documents KR100781487 B1 et US 2014/0240878 A1 divulguent également des dispositifs de protection par ESD. À la différence du dispositif précité, la tension de claquage des dispositifs est contrôlée par la présence de protubérances ou de particules, conductrices et/ou semiconductrices, dispersées entre les deux électrodes.Documents KR100781487 B1 and US 2014/0240878 A1 also disclose ESD protection devices. Unlike the aforementioned device, the breakdown voltage of these devices is controlled by the presence of conductive and/or semiconducting protrusions or particles dispersed between the two electrodes.
Ces dispositifs ne permettent toutefois pas de limiter le courant lorsqu’ils sont passants. Le composant n’est alors pas complètement protégé. Il est nécessaire de leur adjoindre un dispositif complémentaire pour limiter le courant. De plus, ils peuvent également présenter un encombrement important dû à une épaisseur importante (l’épaisseur étant mesurée parallèlement à la circulation du courant dans l’entrefer). Ladite épaisseur est généralement supérieure à 5 mm.These devices, however, do not limit the current when they are conducting. The component is therefore not completely protected. An additional device is necessary to limit the current. Furthermore, they can also be quite bulky due to their significant thickness (the thickness being measured parallel to the current flow in the air gap). This thickness is generally greater than 5 mm.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.Climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies worldwide. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being, or will be adopted by different countries. In particular, an ambitious standard applies to both new types of aircraft and those already in operation, requiring the implementation of technological solutions to bring them into compliance with current regulations. Civil aviation has been actively working for several years now to contribute to the fight against climate change.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.Technological research efforts have already led to very significant improvements in the environmental performance of aircraft. The Applicant takes into account the factors impacting all phases of design and development in order to obtain aeronautical components and products that are less energy-intensive, more environmentally friendly, and whose integration and use in civil aviation have moderate environmental impacts, with the aim of improving the energy efficiency of aircraft.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son impact climatique par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.Consequently, the Applicant is constantly working to reduce its climate impact by using methods and operating virtuous development and manufacturing processes that minimize greenhouse gas emissions to the minimum possible in order to reduce the environmental footprint of its activity.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.This sustained research and development work focuses on new generations of aircraft engines, the weight reduction of aircraft, particularly through the materials used and lighter on-board equipment, the development of the use of electrical technologies to provide propulsion, and, as essential complements to technological progress, aviation biofuels.
À cet effet, il existe un besoin de fournir un dispositif de protection permettant d’écrêter les surtensions tout en limitant le courant circulant lorsqu’il est passant et présentant un encombrement réduit.To this end, there is a need to provide a protection device that can clip overvoltages while limiting the current flowing when it is conducting and has a small footprint.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en offrant un dispositif de protection exploitant l’effet tunnel et/ou l’effet de champ permettant d’écrêter les surtensions tout en limitant le courant circulant lorsqu’il est passant. De plus, ce dispositif présente l’avantage d’être moins encombrant que des dispositifs selon l’art antérieur.The invention offers a solution to the problems mentioned above by providing a protection device that exploits the tunnel effect and/or the field effect, thereby clipping overvoltages while limiting the current flowing when conductive. Furthermore, this device has the advantage of being less bulky than devices according to the prior art.
L’invention concerne en premier lieu un dispositif de protection pour composant électronique comprenant :
- une première couche semiconductrice dopée, dite « première électrode », s’étendant parallèlement à un plan ;
- une deuxième couche semiconductrice dopée, dite « deuxième électrode », s’étendant également parallèlement au plan ;
- une couche isolante séparant la première électrode de la deuxième électrode, une ouverture étant aménagée dans la couche isolante pour mettre en regard les première et deuxième électrodes,
- a first doped semiconductor layer, called the "first electrode", extending parallel to a plane;
- a second doped semiconductor layer, called the "second electrode", also extending parallel to the plane;
- an insulating layer separating the first electrode from the second electrode, with an opening provided in the insulating layer to bring the first and second electrodes into contact,
Par « couche isolante », on entend couche électriquement isolante.By "insulating layer", we mean an electrically insulating layer.
L’ouverture de la couche électriquement isolante (dite également « couche isolante ») permet de former un entrefer entre les deux électrodes. Cet entrefer forme une barrière de potentiel entre les deux électrodes. La faible distance entre les deux électrodes permet d’obtenir un entrefer de faible épaisseur. Ceci permet d’exploiter la circulation d’un courant d’électrons à travers l’entrefer par effet tunnel ou par effet de champ.Opening the electrically insulating layer (also called the "insulating layer") creates an air gap between the two electrodes. This air gap forms a potential barrier between them. The small distance between the two electrodes allows for a thin air gap. This makes it possible to exploit the flow of electrons through the air gap by tunneling or by field effect.
On entend par « effet tunnel » un effet quantique pour lequel un électron a une probabilité non nulle de franchir une barrière de potentiel formée par l’entrefer, même si son énergie ne dépasse pas le potentiel de la barrière.The term "tunneling effect" refers to a quantum effect in which an electron has a non-zero probability of crossing a potential barrier formed by the air gap, even if its energy does not exceed the potential of the barrier.
On entend par « effet de champ » un effet selon lequel un champ électrique permet de moduler la hauteur de la barrière de potentiel formée par l’entrefer, permettant ainsi à un électron de franchir cette barrière.The term "field effect" refers to an effect whereby an electric field modulates the height of the potential barrier formed by the air gap, thus allowing an electron to cross this barrier.
Le dopage des couches semiconductrices formant les électrodes permet à ces dernières de conduire un courant électrique pour des valeurs de potentiel électrique moins importantes que celles nécessaires pour un semiconducteur intrinsèque. Ainsi l’application d’une tension entre les électrodes permet, lorsqu’elle dépasse une tension seuil, de donner lieu à la circulation d’un courant d’électrons, par effet tunnel ou par effet de champ à travers l’entrefer. La tension seuil détermine donc la tension à partir de laquelle une surtension est écrêtée. De plus, la modulation du dopage dans les électrodes permet également de moduler la tension de seuil et donc la tension d’écrêtement du dispositif. La tension de seuil du dispositif dépend également de la distance séparant les électrodes (autrement dit de l’épaisseur de l’entrefer).Doping the semiconductor layers that form the electrodes allows them to conduct an electric current at lower electrical potential values than those required for an intrinsic semiconductor. Thus, applying a voltage between the electrodes, when it exceeds a threshold voltage, results in the flow of electrons, either through tunneling or through the electric field effect across the air gap. The threshold voltage therefore determines the voltage at which an overvoltage is clipped. Furthermore, modulating the doping in the electrodes also allows for modulation of the threshold voltage and therefore the clipping voltage of the device. The device's threshold voltage also depends on the distance separating the electrodes (in other words, the thickness of the air gap).
Plus mince est l’entrefer et plus faible est la tension seuil.The thinner the air gap, the lower the threshold voltage.
La
À la différence d’un dispositif selon l’art antérieur, l’amplitude du courant circulant dans le dispositif selon l’invention est limitée. Le déclenchement de la circulation du courant à partir d’une valeur seuil permet ainsi au dispositif de protection d’écrêter les surtensions tout en limitant le courant. La limitation du courant est induite grâce au comportement courant-tension non-linéaire du dispositif. À mesure que la tension augmente aux bornes du dispositif, le courant traversant le dispositif augmente moins rapidement que dans un conducteur ohmique. Cette limitation dépend de deux facteurs qui sont : la vitesse moyenne des électrons traversant l’entrefer ; et la densité d’électrons traversant cet entrefer.Unlike a prior art device, the amplitude of the current flowing in the device according to the invention is limited. Triggering the current flow at a threshold value allows the protection device to clip overvoltages while limiting the current. This current limitation is achieved through the non-linear current-voltage behavior of the device. As the voltage across the device increases, the current flowing through the device increases less rapidly than in an ohmic conductor. This limitation depends on two factors: the average speed of electrons crossing the air gap; and the electron density crossing this air gap.
La densité d’électrons est limitée par le mécanisme d’émission des électrons qui dépend, qu’il s’agisse d’effet tunnel ou d’effet de champ, du travail de sortie de l’électrode polarisé négativement. Les électrodes semiconductrices présentent des travaux de sortie élevées qui limitent donc la densité des électrons émis. De plus, les travaux de sortie des matériaux semiconducteurs varient peu en fonction du dopage. Il est ainsi possible de fabriquer un dispositif présentant une limitation prédéfinie du courant électrique le traversant avec une tension de seuil modulée par le dopage des électrodes.The electron density is limited by the electron emission mechanism, which, whether tunneling or field-effect, depends on the work function of the negatively polarized electrode. Semiconductor electrodes exhibit high work functions, thus limiting the density of emitted electrons. Furthermore, the work functions of semiconductor materials vary little with doping. It is therefore possible to fabricate a device with a predefined limitation on the electric current flowing through it, using a threshold voltage modulated by the electrode doping.
La vitesse des électrons traversant l’entrefer dépend du champ électrique dans l’entrefer. Ce champ dépend notamment (à potentiel constant) des matériaux et de la géométrie des électrodes, de la distance séparant les électrodes et de la permittivité au sein de l’entrefer. Modifier ces paramètres permet donc de moduler la limitation du courant traversant le dispositif.The speed of electrons passing through the air gap depends on the electric field within the air gap. This field depends, in particular (at constant potential), on the materials and geometry of the electrodes, the distance separating the electrodes, and the permittivity within the air gap. Modifying these parameters therefore allows for modulation of the current limitation through the device.
Pour des électrodes purement métalliques, le champ électrique est établi entre les surfaces externes des électrodes métalliques. Le champ électrique résultant d’un potentiel appliqué sur les électrodes métalliques est donc concentré entre les surfaces externes de ces électrodes métalliques. Au contraire, pour des électrodes semiconductrices, telles que mises en œuvre dans l’invention, le champ électrique s’établit en partie dans le volume des électrodes. La distance apparente sur laquelle s’établit le champ électrique est donc plus grande que pour des électrodes métalliques. La vitesse des électrons dans l’entrefer s’en trouve donc diminuée.For purely metallic electrodes, the electric field is established between the external surfaces of the metal electrodes. The electric field resulting from a potential applied to the metallic electrodes is therefore concentrated between these external surfaces. Conversely, for semiconductor electrodes, such as those implemented in the invention, the electric field is established partly within the volume of the electrodes. The apparent distance over which the electric field is established is therefore greater than for metallic electrodes. Consequently, the velocity of electrons in the air gap is reduced.
La distance entre les électrodes, autrement dit l’épaisseur de l’entrefer, permet d’ajuster le champ électrique vu par les électrons et donc moduler la limitation du courant dans le dispositif.The distance between the electrodes, in other words the thickness of the air gap, allows the electric field seen by the electrons to be adjusted and therefore the current limitation in the device to be modulated.
La modulation de l’aire des surfaces en regard (par exemple en modifiant la taille de l’ouverture de la couche isolante) peut également permettre d’ajuster la limitation du courant sans modifier pour autant la tension seuil.Modulating the area of the facing surfaces (for example by changing the size of the opening in the insulating layer) can also allow the current limitation to be adjusted without changing the threshold voltage.
La hauteur du dispositif est limitée par la distance entre les deux électrodes et l’épaisseur des électrodes semiconductrices elle-même. Le champ électrique entre les électrodes s’établit au moins partiellement dans le volume des électrodes. Toutefois il reste localisé dans un voisinage proche des surfaces en regard et notamment dans les premières centaines de micromètres à partir de ces surfaces. Une épaisseur d’électrode de quelques centaines de micromètres, par exemple comprise entre 200 µm et 800 µm suffit donc pour bénéficier des effets liés à la pénétration du champ électrique dans les électrodes tout en offrant des électrodes fines. Ainsi, un dispositif selon l’invention pleinement fonctionnel peut présenter une hauteur inférieure ou égale à 2 mm, ce qui est bien inférieur à la hauteur des dispositifs de l’art antérieur dépassant généralement les 5 mm.The height of the device is limited by the distance between the two electrodes and the thickness of the semiconductor electrodes themselves. The electric field between the electrodes is established, at least partially, within the volume of the electrodes. However, it remains localized in the immediate vicinity of the facing surfaces, and particularly within the first few hundred micrometers from these surfaces. An electrode thickness of a few hundred micrometers, for example, between 200 µm and 800 µm, is therefore sufficient to benefit from the effects related to the penetration of the electric field into the electrodes while still providing thin electrodes. Thus, a fully functional device according to the invention can have a height of 2 mm or less, which is significantly less than the height of prior art devices, which generally exceed 5 mm.
Avantageusement, le dispositif de protection comprend en outre une première cavité aménagée dans la première électrode et communicant avec l’ouverture.Advantageously, the protection device also includes a first cavity made in the first electrode and communicating with the opening.
Avantageusement, la première cavité débouche partiellement sur la couche électriquement isolante.Advantageously, the first cavity opens partially onto the electrically insulating layer.
Avantageusement, l’ouverture dans la couche isolante est délimitée latéralement par un bord ; et la première électrode prend appui sur la couche électriquement isolante à distance du bord de l’ouverture de sorte que la couche électriquement isolante forme une lèvre s’étendant entre la première cavité et la deuxième électrode.Advantageously, the opening in the insulating layer is laterally delimited by an edge; and the first electrode rests on the electrically insulating layer at a distance from the edge of the opening so that the electrically insulating layer forms a lip extending between the first cavity and the second electrode.
Avantageusement, la première électrode comprend une première protubérance s’étendant dans la première cavité en direction de la deuxième électrode ; et la première protubérance est distante de la deuxième électrode d’une distance, mesurée perpendiculairement au plan, inférieure à 5 µm.Advantageously, the first electrode includes a first protrusion extending into the first cavity towards the second electrode; and the first protrusion is distant from the second electrode by a distance, measured perpendicular to the plane, of less than 5 µm.
Avantageusement, la première protubérance présente une extrémité libre en regard de la deuxième électrode ; et le dispositif de protection comprend une couche isolante additionnelle s’étendant contre l’extrémité libre de la première protubérance, masquant au moins une partie de l’extrémité libre de ladite au moins une première protubérance.Advantageously, the first protrusion has a free end facing the second electrode; and the protective device includes an additional insulating layer extending against the free end of the first protrusion, masking at least a part of the free end of said at least a first protrusion.
Avantageusement, une tranchée périphérique s’étendant perpendiculairement au plan est pratiquée dans la première électrode, la tranchée périphérique comprenant un fond présentant une largeur, mesurée parallèlement au plan, ledit fond étant distant de la deuxième électrode d’une hauteur, mesurée perpendiculairement au plan, comprise entre deux fois et dix fois la largeur de la tranchée périphérique.Advantageously, a peripheral trench extending perpendicularly to the plane is made in the first electrode, the peripheral trench comprising a bottom having a width, measured parallel to the plane, said bottom being distant from the second electrode by a height, measured perpendicular to the plane, of between two times and ten times the width of the peripheral trench.
Avantageusement, le dispositif comprend en outre une deuxième cavité aménagée dans la deuxième électrode et communicant avec l’ouverture ; et la deuxième électrode comprend une deuxième protubérance s’étendant dans la deuxième cavité perpendiculairement au plan, en direction de la première électrode ; et la deuxième protubérance est distante de la première électrode d’une distance, mesurée perpendiculairement au plan, inférieure à 5 µm.Advantageously, the device further comprises a second cavity arranged in the second electrode and communicating with the opening; and the second electrode comprises a second protrusion extending in the second cavity perpendicular to the plane, in the direction of the first electrode; and the second protrusion is distant from the first electrode by a distance, measured perpendicular to the plane, of less than 5 µm.
Avantageusement, la première couche semiconductrice dopée présente une concentration en impuretés dopantes comprise entre 1·1017at/cm3et 1·1022at/cm3; et la deuxième couche semiconductrice dopée présente une concentration en impuretés dopantes comprise entre 1·1017at/cm3et 1·1022at/cm3.Advantageously, the first doped semiconductor layer has a concentration of doping impurities between 1·10 17 at/cm 3 and 1·10 22 at/cm 3 ; and the second doped semiconductor layer has a concentration of doping impurities between 1·10 17 at/cm 3 and 1·10 22 at/cm 3 .
Avantageusement, la première électrode et la deuxième électrode sont réalisées à partir d’un même matériau dopé.Advantageously, the first electrode and the second electrode are made from the same doped material.
Avantageusement, les surfaces en regard sont recouvertes d’un oxyde natif. La présence d’un oxyde sur les surfaces des électrodes offre une manière de contrôler les tensions de seuils. De plus, le transfert thermique par radiation entre les deux électrodes peut être amélioré. Par exemple, l’émissivité du silicium est de l’ordre de 0,2 tandis que l’émissivité de l’oxyde de silicium SiO2est de l’ordre de 0,8.Advantageously, the facing surfaces are coated with a native oxide. The presence of an oxide on the electrode surfaces provides a way to control threshold voltages. Furthermore, heat transfer by radiation between the two electrodes can be improved. For example, the emissivity of silicon is around 0.2, while the emissivity of silicon dioxide ( SiO₂) is around 0.8.
Avantageusement, la première électrode et la deuxième électrode sont dopées d’un même type.Advantageously, the first electrode and the second electrode are doped with the same type.
Avantageusement, la première électrode et/ou la deuxième électrode comprend, en son sein, une couche mince isolante s’étendant parallèlement au plan et présentant une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan, comprise entre 1 nm et 10 nm.Advantageously, the first electrode and/or the second electrode includes within it a thin insulating layer extending parallel to the plane and having a thickness, measured perpendicular to the plane, of between 1 nm and 10 nm.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication d’un dispositif de protection pour composant électronique, comprenant :
- la fourniture d’une première couche semiconductrice dopée, dite « première électrode » ;
- la fourniture d’une deuxième couche semiconductrice dopée, dite « deuxième électrode » ;
- la formation d’au moins une couche isolante en contact avec la première électrode ;
- l’aménagement d’une ouverture dans ladite au moins une couche isolante pour exposer la première électrode ;
- the supply of a first doped semiconductor layer, known as the "first electrode";
- the supply of a second doped semiconductor layer, known as the "second electrode";
- the formation of at least one insulating layer in contact with the first electrode;
- the provision of an opening in said at least one insulating layer to expose the first electrode;
L’invention concerne également un système de protection pour composant électronique caractérisé en ce qu’il comprend une pluralité de couches conductrices et une pluralité de dispositifs de protection, les dispositifs de protection étant répartis de manière à former une pluralité de chaînes de protection distinctes, pour chaque chaîne de protection les dispositifs de protection de ladite chaîne de protection sont électriquement connectés en série, les couches conductrices étant connectées deux à deux par une des chaînes de protection, chaque dispositif de protection comprenant :
- une première couche semiconductrice dopée, dite « première électrode », s’étendant parallèlement à un plan ;
- une deuxième couche semiconductrice dopée, dite « deuxième électrode », s’étendant également parallèlement au plan ;
- une couche isolante séparant la première électrode de la deuxième électrode et s’étendant en contact avec la première électrode et en contact avec la deuxième électrode, une ouverture étant aménagée dans la couche isolante pour mettre en regard les première et deuxième couches semiconductrices,
- a first doped semiconductor layer, called the "first electrode", extending parallel to a plane;
- a second doped semiconductor layer, called the "second electrode", also extending parallel to the plane;
- an insulating layer separating the first electrode from the second electrode and extending into contact with both the first and second electrodes, with an opening provided in the insulating layer to bring the first and second semiconductor layers into contact,
La mise en œuvre de dispositifs de protection au sein de chaque chaîne de protection permet de sommer les tensions de seuil des dispositifs connectés en série. La limitation du courant dans la chaîne est imposée par le dispositif montrant la plus forte limitation pour une tension donnée. Autrement dit, pour une première tension, un premier dispositif de la chaîne peut limiter le courant circulant dans la chaîne tandis que pour une deuxième tension, un deuxième dispositif de la chaîne peut limiter le courant circulant dans la chaîne. La limitation du courant est maximale quelle que soit la tension appliquée aux bornes de la chaine.Implementing protection devices within each protection chain allows the threshold voltages of the series-connected devices to be summed. The current limitation in the chain is imposed by the device exhibiting the highest current limiting at a given voltage. In other words, for a first voltage, the first device in the chain can limit the current flowing through the chain, while for a second voltage, a second device in the chain can limit the current flowing through the chain. The current limitation is maximal regardless of the voltage applied across the chain.
Le système de protection présente un avantage particulier en ce qu’il forme un assemblage prédéfini de dispositifs de protection. En d’autres termes, il forme un système générique de protection permettant de choisir différentes tensions d’écrêtage et différentes limitations de courant. La sélection de différentes paires de couches conductrices, ou la connexion de ces paires de couches conductrices entre elles, permet à un utilisateur de sélectionner différents assemblages de dispositifs de protection, par exemple des chaînes de dispositifs de différentes longueurs et/ou un assemblage de chaînes en série (de manière à former une chaîne équivalente de grande longueur) et/ou un assemblage de chaînes en parallèle (de manière à réduire la tension d’écrêtage et/ou amoindrir l’effet de la limitation en courant).The protection system offers a particular advantage in that it forms a predefined assembly of protection devices. In other words, it forms a generic protection system that allows for the selection of different clipping voltages and current limits. The selection of different pairs of conductive layers, or the connection of these pairs of conductive layers together, allows a user to select different assemblies of protection devices, for example, chains of devices of different lengths and/or an assembly of chains in series (to form an equivalent chain of great length) and/or an assembly of chains in parallel (to reduce the clipping voltage and/or lessen the effect of the current limit).
De plus, la mise en œuvre de dispositifs de protection selon l’invention permet d’offrir un système de protection facilement intégrable avec un circuit électronique à base de semiconducteur.Furthermore, the implementation of protection devices according to the invention makes it possible to offer a protection system that is easily integrated with a semiconductor-based electronic circuit.
Avantageusement, lorsqu’une première chaîne de protection de la pluralité de chaînes de protection et une deuxième chaîne de protection de la pluralité de chaînes de protection connectent une même couche conductrice, lesdites première et deuxième chaînes de protection sont agencées côte à côte. Préférentiellement, toutes les chaînes de protection sont agencées côte à côte, deux à deux.Advantageously, when a first protective chain from the plurality of protective chains and a second protective chain from the plurality of protective chains connect the same conductive layer, said first and second protective chains are arranged side by side. Preferably, all the protective chains are arranged side by side, two by two.
Avantageusement :
- la couche isolante d’un premier dispositif de protection appartenant à la première chaîne de protection ; et
- la couche isolante d’un deuxième dispositif de protection appartenant à la deuxième chaîne de protection,
- the insulating layer of a first protective device belonging to the first chain of protection; and
- the insulating layer of a second protective device belonging to the second chain of protection,
Avantageusement :
- une des électrodes d’un premier dispositif de protection appartenant à la première chaîne de protection ; et
- une des électrodes d’un deuxième dispositif de protection appartenant à la deuxième chaîne de protection,
- one of the electrodes of a first protective device belonging to the first protection chain; and
- one of the electrodes of a second protective device belonging to the second protection chain,
Avantageusement, dans une même chaîne de protection, ladite chaîne de protection comprend un troisième dispositif de protection et un quatrième dispositif de protection connecté en série avec le troisième dispositif de protection :
- une des électrodes du troisième dispositif de protection; et
- une des électrodes du quatrième dispositif de protection,
- one of the electrodes of the third protective device; and
- one of the electrodes of the fourth protective device,
Avantageusement, chaque dispositif de protection est bidirectionnel. Autrement dit, les première et deuxième électrodes sont réalisées à partir d’un même matériau semiconducteur dopé. Ainsi le système est également bidirectionnel.Advantageously, each protection device is bidirectional. In other words, the first and second electrodes are made from the same doped semiconductor material. Thus, the system is also bidirectional.
Avantageusement, les chaînes de dispositifs sont électriquement connectées en série entre elles.Advantageously, the chains of devices are electrically connected in series with each other.
L’invention concerne également un circuit électronique comprenant :
- un premier composant électronique à protéger, comprenant une première borne ; et
- un système de protection selon l’invention,
- a first electronic component to be protected, comprising a first terminal; and
- a protection system according to the invention,
Avantageusement, le circuit électronique comprend un système de protection supplémentaire selon l’invention, la première borne du premier composant électronique étant connectée à une des couches conductrices du système de protection supplémentaire.Advantageously, the electronic circuit includes an additional protection system according to the invention, the first terminal of the first electronic component being connected to one of the conductive layers of the additional protection system.
Avantageusement, le premier composant électronique à protéger comprend en outre une deuxième borne, le système de protection étant connecté entre les première et deuxième bornes du premier composant électronique de sorte que :
- la première borne du premier composant électronique est connectée à la première couche conductrice du système de protection ;
- la deuxième borne du premier composant électronique est connectée à une deuxième couche conductrice de la pluralité de couches conductrices du système de protection.
- the first terminal of the first electronic component is connected to the first conductive layer of the protection system;
- the second terminal of the first electronic component is connected to a second conductive layer of the plurality of conductive layers of the protection system.
Avantageusement, le circuit électronique comprend un deuxième composant électronique à protéger, comprenant une troisième borne et une quatrième borne, le système de protection étant également connectée entre les troisième et quatrième bornes du deuxième composant électronique de sorte que :
- la troisième borne est connectée à une troisième couche conductrice de la pluralité de couches conductrices du système de protection; et
- la quatrième borne est connectée à la deuxième couche conductrice du système de protection ou connectée à une quatrième couche conductrice de la pluralité de couches conductrices du système de protection,
- the third terminal is connected to a third conductive layer of the plurality of conductive layers of the protection system; and
- the fourth terminal is connected to the second conductive layer of the protection system or connected to a fourth conductive layer of the plurality of conductive layers of the protection system,
L’invention concerne également un équipement de protection pour aéronef comprenant un système de protection pour composant électronique selon l’invention ou un circuit électronique selon l’invention.The invention also relates to aircraft protection equipment comprising a protection system for an electronic component according to the invention or an electronic circuit according to the invention.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.The invention and its various applications will be better understood upon reading the following description and examining the accompanying figures. The figures are presented for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.
La
Les
Les
Les
Les
La
La
Les
L’invention vise à assurer la protection d’un composant électronique contre des surtensions, par exemple dues à la foudre.The invention aims to provide protection for an electronic component against overvoltages, for example due to lightning.
La
L’invention concerne dans un premier temps un dispositif de protection 3 pour un composant électronique. Différents modes de réalisation dudit dispositif de protection 3 sont illustrés par les figures 2 à 16.The invention relates initially to a protection device 3 for an electronic component. Different embodiments of said protection device 3 are illustrated in Figures 2 to 16.
Un repère orthonormé {X ; Y ; Z} est représenté dans les figures 2, 3, 14 et 16. Le repère utilisé pour les figures 4 à 13 et 15 (mais non représenté sur ces figures) est celui de la
De manière commune aux modes de réalisation des figures 2 à 16, le dispositif de protection 3 comprend une première couche semiconductrice 4 s’étendant parallèlement à un plan dit « plan de couches » (parallèle au plan {X ; Y} dans les figures). La première couche semiconductrice 4 est dopée de manière à être conductrice sous l’effet d’un champ électrique. Elle est appelée « première électrode ».Common to the embodiments shown in Figures 2 to 16, the protection device 3 comprises a first semiconductor layer 4 extending parallel to a plane called the "layer plane" (parallel to the {X; Y} plane in the figures). The first semiconductor layer 4 is doped so as to be conductive under the influence of an electric field. It is called the "first electrode".
Le dispositif de protection 3 comprend en outre une deuxième couche semiconductrice 6 s’étendant parallèlement au même plan {X ; Y} que la première électrode 4. La deuxième couche semiconductrice 6 est également dopée, de manière à être conductrice sous l’effet d’un champ électrique. Elle est appelée « deuxième électrode ».The protection device 3 further comprises a second semiconductor layer 6 extending parallel to the same plane {X; Y} as the first electrode 4. The second semiconductor layer 6 is also doped, so as to be conductive under the effect of an electric field. It is called the "second electrode".
Les première et deuxième électrode 4, 6 sont superposées l’une à l’autre. Les deux électrodes 4, 6 forment les bornes du dispositif de protection 3. Une tension électrique ou une surtension électrique peut être écrêtée lorsqu’elle est appliquée entre ces deux électrodes 4, 6.The first and second electrodes 4, 6 are superimposed on each other. The two electrodes 4, 6 form the terminals of the protection device 3. An electrical voltage or overvoltage can be clipped when applied between these two electrodes 4, 6.
Le dispositif de protection 3 comprend une couche électriquement isolante 8 (dite simplement « couche isolante ») s’étendant entre les première et deuxième électrodes 4, 6. Elle isole les deux électrodes 4, 6 d’un contact électrique direct entre elles. Par exemple, la couche isolante 8 peut être réalisée à partir de : SiO2, SiN ou Al2O3. Il peut également s’agir de SixOyNz.The protective device 3 includes an electrically insulating layer 8 (simply called the "insulating layer") extending between the first and second electrodes 4, 6. It isolates the two electrodes 4, 6 from direct electrical contact between them. For example, the insulating layer 8 can be made from: SiO₂ , SiN , or Al₂O₃ . It can also be made of SiₓO₃N₂Z .
La première électrode 4 peut s’étendre contre la couche isolante 8 avec laquelle elle peut être en contact (sous-entendu en contact direct). La couche isolante 8 peut s’étendre à son tour contre la deuxième électrode 6 avec laquelle elle peut être en contact. De cette manière, les deux électrodes sont uniquement séparées l’une de l’autre par la couche isolante 8.The first electrode 4 can extend against the insulating layer 8, with which it can be in contact (i.e., in direct contact). The insulating layer 8 can in turn extend against the second electrode 6, with which it can also be in contact. In this way, the two electrodes are separated from each other only by the insulating layer 8.
Les deux électrodes 4, 6 sont séparées l’une de l’autre par une distance minimale h46. Cette distance h46 est mesurée perpendiculairement au plan {X ; Y}. Elle est mesurée entre les deux portions les plus proches des électrodes 4, 6. Dans la
Afin de bénéficier d’une circulation de courant par effet tunnel entre les deux électrodes 4, 6, la distance minimale h46 séparant les deux électrodes est inférieure à 5 µm. Il est bien entendu que cette distance h46 est toutefois non nulle (c’est-à-dire que les électrodes ne sont jamais en contact). Cette distance permet de réaliser une circulation de courant entre les deux électrodes 4, 6 par effet tunnel et/ou par effet de champ.To achieve current flow via tunneling between the two electrodes 4 and 6, the minimum distance h46 separating them is less than 5 µm. It is understood that this distance h46 is not zero (i.e., the electrodes are never in contact). This distance allows current flow between the two electrodes 4 and 6 by tunneling and/or by field effect.
La couche isolante 8 peut comprendre plusieurs sous-couches isolantes. Les sous-couches peuvent être formées de matériaux isolants différents.The insulating layer 8 may include several insulating sub-layers. The sub-layers may be made of different insulating materials.
Une ouverture 9 est aménagée dans la couche isolante 8 de manière à traverser la couche isolante 8 de part en part. L’ouverture 9 est notamment délimitée par un bord intérieur 15 de la couche isolante 8. Elle permet de mettre en regard la première électrode 4 avec la deuxième électrode 6. L’absence de matériau conducteur entre les deux électrodes 4, 6 forme une barrière de potentiel à travers laquelle les électrons peuvent passer par effet tunnel. L’absence de matériau isolant dans l’ouverture 9 permet toutefois de former une barrière de potentiel avec une hauteur limitée. Ainsi, un courant par effet tunnel (que l’on appelle également courant tunnel) s’établit de manière privilégiée à travers l’ouverture 9 plutôt qu’à travers le matériau de la couche isolante 8. La localisation du courant tunnel permet d’améliorer le contrôle du courant tunnel, notamment la tension de seuil pour amorcer la circulation dudit courant, ainsi que la reproductibilité de l’amorçage.An opening 9 is formed in the insulating layer 8 so as to allow passage through the insulating layer 8 completely. The opening 9 is delimited by an inner edge 15 of the insulating layer 8. It allows the first electrode 4 to be brought into contact with the second electrode 6. The absence of conductive material between the two electrodes 4 and 6 forms a potential barrier through which electrons can tunnel. The absence of insulating material in the opening 9, however, allows the potential barrier to be formed with a limited height. Thus, a tunneling current (also called a tunnel current) is preferentially established through the opening 9 rather than through the material of the insulating layer 8. The localization of the tunneling current allows for improved control of the tunneling current, in particular the threshold voltage for initiating its flow, as well as the reproducibility of the initiation.
L’ouverture 9 de la couche isolante peut présenter une largeur, mesurée parallèlement au plan {X ; Y}, comprise entre 10 µm et 2000 µm. L’ouverture 9 peut également présenter une longueur, mesurée parallèlement au plan {X ; Y} et perpendiculairement à sa largeur, comprise entre 10 µm et 2000 µm. Ces dimensions de l’ouverture 9 permettent de localiser le courant tunnel sur une petite portion des électrodes 4, 6, de sorte que les conditions d’établissement du courant tunnel changent peu. En d’autres termes, ces dimensions permettent de conserver des conditions d’amorçage du courant tunnel qui soient reproductibles.The opening 9 in the insulating layer can have a width, measured parallel to the {X; Y} plane, of between 10 µm and 2000 µm. The opening 9 can also have a length, measured parallel to the {X; Y} plane and perpendicular to its width, of between 10 µm and 2000 µm. These dimensions of the opening 9 allow the tunneling current to be localized to a small portion of the electrodes 4, 6, so that the conditions for the establishment of the tunneling current change very little. In other words, these dimensions allow for the maintenance of reproducible tunneling current initiation conditions.
L’ouverture 9 est avantageusement étanche. Cette étanchéité est par exemple obtenue par un scellement des électrodes 4, 6 sur la couche isolante 8. Elle garantit qu’aucune espèce pouvant avoir une influence sur l’établissement du courant tunnel ne pénètre dans l’ouverture 9.The opening 9 is advantageously sealed. This sealing is achieved, for example, by sealing the electrodes 4, 6 to the insulating layer 8. It guarantees that no species that could influence the establishment of the tunnel current enters the opening 9.
L’ouverture 9 peut être vide, c’est-à-dire présentant un gaz à une pression partielle inférieure à 50·10-1mbar (où 1 mbar est égal à 100 Pa). Le dispositif de protection 3 peut comprendre un gaz neutre dans l’ouverture 9, comprenant par exemple du diazote, de l’argon, du néon, du xénon ou un mélange de ces gaz. Une ouverture 9 vide ou avec un gaz neutre évite que le contenu de l’ouverture 9 n’évolue de sorte que la barrière de potentiel formée par l’ouverture reste constante en fonction du temps.Opening 9 can be empty, that is, containing a gas at a partial pressure less than 50 × 10⁻¹ mbar (where 1 mbar is equal to 100 Pa). The protective device 3 can contain a neutral gas within opening 9, such as nitrogen, argon, neon, xenon, or a mixture of these gases. An empty opening 9 or one containing a neutral gas prevents the contents of opening 9 from changing, so that the potential barrier formed by the opening remains constant over time.
L’invention concerne également la fabrication d’un dispositif de protection 3 tel qu’illustré par les figures 2 à 16.The invention also relates to the manufacture of a protective device 3 as illustrated by figures 2 to 16.
Dans un mode de mise en œuvre, la fabrication d’un dispositif 3 comprend dans un premier temps la fourniture de deux couches semiconductrices dopées destinées à former les première et deuxième électrodes 4, 6. Les deux couches sont par exemple réalisées à partir de deux substrats semiconducteurs différents, préférentiellement dopés. Ces couches peuvent être usinées séparément pour former des cavités ou des protubérances telles que décrites ci-après. Les substrats semiconducteurs sont par exemple en silicium dopé. Un renforcement du dopage des zones destinées à être en regard peut être réalisé avant mise en contact des couches (qui formeront les électrodes). Ce renforcement peut être réalisé par implantation.In one implementation, the fabrication of a device 3 initially involves supplying two doped semiconductor layers intended to form the first and second electrodes 4, 6. The two layers are, for example, made from two different semiconductor substrates, preferably doped. These layers can be machined separately to form cavities or protrusions as described below. The semiconductor substrates are, for example, doped silicon. The doping in the areas intended to be in contact can be reinforced before the layers (which will form the electrodes) are brought into contact. This reinforcement can be achieved by implantation.
La fabrication du dispositif comprend également la formation ou le dépôt de la couche isolante 8 sur l’une des deux couches semiconductrices précitées voire sur chacune des deux couches semiconductrices précitées. La couche isolante 8 (ou les sous-couches isolantes formées sur chaque couche semiconductrice) est par exemple réalisée par croissance d’un oxyde thermique (par exemple du SiO2thermique) ou par dépôt chimique (dit « CVD ») ou physique (dit « PECVD ») d’oxyde tel que du SiO2. La formation de la couche isolante 8 est réalisée de sorte que la distance inter-électrode soit inférieure à 5 µm. L’épaisseur de la couche isolante 8 peut alors être limitée à 5 µm.The fabrication of the device also includes the formation or deposition of the insulating layer 8 on one or even both of the aforementioned semiconductor layers. The insulating layer 8 (or the insulating sublayers formed on each semiconductor layer) is produced, for example, by the growth of a thermal oxide (e.g., thermal SiO₂ ) or by chemical (CVD) or physical (PECVD) deposition of an oxide such as SiO₂ . The formation of the insulating layer 8 is carried out so that the inter-electrode distance is less than 5 µm. The thickness of the insulating layer 8 can therefore be limited to 5 µm.
La fabrication du dispositif 3 comprend également l’aménagement de l’ouverture 9 dans la couche isolante 8 (ou dans chaque sous-couche isolante) pour libérer la couche semiconductrice sur laquelle elle repose. L’aménagement de l’ouverture 9 peut être réalisé par lithographie et gravure sèche ou gravure humide.The fabrication of device 3 also includes creating the opening 9 in the insulating layer 8 (or in each insulating sublayer) to expose the semiconductor layer on which it rests. Creating the opening 9 can be done by lithography and dry etching or wet etching.
La fabrication du dispositif 3 comprend enfin la soudure ou le collage de la couche semiconductrice restante sur la couche isolante 8 de manière à former l’empilement définissant le dispositif 3. La soudure est par exemple réalisée en employant une méthode dite de « silicon fused bondig » en anglais. Le collage peut être réalisé au moyen des forces de Van der Walls entre les couches. Afin de préparer la soudure ou le collage, l’état de surface de la couche semiconductrice à coller peut être préparé par plasma ou au moyen de solutions chimiques afin de rendre sa surface hydrophile. La couche semiconductrice est alors mis en contact avec la couche isolante 8 sous vide ou dans une atmosphère de gaz neutre. Il est préférable que le collage ou la soudure de la couche isolante 8 sur la couche semiconductrice soit réalisé de manière à garantir l’herméticité de l’ouverture 9. Lorsque la couche isolante 8 est réalisée par croissance ou dépôt d’une sous-couche isolante sur chacune des couches semiconductrices, les deux sous-couches isolantes peuvent être mises en contact l’une avec l’autre sous vide ou dans une atmosphère de gaz neutre. Il est également préférable que le collage ou la soudure des deux sous-couches isolantes entre elles soit réalisée de manière à garantir l’herméticité de l’ouverture 9. Le collage ou la soudure est préférentiellement réalisé de manière à garantir une herméticité dans le temps, par exemple pendant 20 ans. Cela garantit de bonnes performances pour le dispositif.The fabrication of device 3 finally includes soldering or bonding the remaining semiconductor layer to the insulating layer 8 to form the stack defining device 3. Soldering is, for example, performed using a method known as "silicon fused bonding." Bonding can be achieved using Van der Waals forces between the layers. To prepare for soldering or bonding, the surface of the semiconductor layer to be bonded can be prepared by plasma or chemical solutions to make its surface hydrophilic. The semiconductor layer is then brought into contact with the insulating layer 8 under vacuum or in a neutral gas atmosphere. It is preferable that the bonding or soldering of the insulating layer 8 to the semiconductor layer be carried out in such a way as to ensure the airtightness of the opening 9. When the insulating layer 8 is produced by growing or depositing an insulating sublayer on each of the semiconductor layers, the two insulating sublayers can be brought into contact with each other under vacuum or in a neutral gas atmosphere. It is also preferable that the bonding or soldering of the two insulating sublayers be carried out in such a way as to ensure the airtightness of the opening 9. The bonding or soldering is preferably carried out in such a way as to guarantee airtightness over time, for example, for 20 years. This ensures good performance for the device.
La fabrication du dispositif 3 peut être complétée d’une étape d’initialisation du dispositif 3, visant à rendre ce dernier pleinement fonctionnel. En effet, les étapes précédentes de fabrication, telles que les dépôts ou les gravures, peuvent déposer des espèces sur les surfaces en regard des électrodes 4, 6. L’étape d’initialisation permet alors de nettoyer ces surfaces et d’établir un courant tunnel entre les électrodes 4, 6, de manière reproductible lorsqu’une tension supérieure à la tension seuil est appliquée.The fabrication of device 3 can be completed with an initialization step to ensure its full functionality. Previous fabrication steps, such as deposition or etching, can deposit material on the surfaces facing electrodes 4 and 6. The initialization step cleans these surfaces and establishes a tunneling current between electrodes 4 and 6, reproducibly when a voltage higher than the threshold voltage is applied.
Pour cela, l’étape d’initialisation comprend l’application d’une tension d’initialisation sur les électrodes 4, 6 de sorte que le dispositif 3 passe de l’état bloqué à l’état passant. La tension entre les électrodes 4, 6 est par exemple augmentée graduellement jusqu’à ce que le dispositif 3 passe de l’état bloqué à l’état passant. La tension d’initialisation est atteinte lorsque le dispositif 3 passe dans l’état passant. L’état passant peut être caractérisé par un courant minimum. L’application de la tension d’initialisation entre les électrodes applique un champ électrique sur les espèces qui peuvent influencer l’établissement du courant tunnel. Le passage d’un courant va nettoyer, par exemple thermiquement, physiquement voire chimiquement, les surfaces en regard. Cette initialisation est préférentiellement réalisée au moins une fois. Elle peut être réalisée plusieurs fois pour chasser correctement les espèces gênantes. Toutefois, une seule initialisation suffit généralement à obtenir une tension de seuil stable et qui n’évolue plus dans le temps. L'initialisation n’est pas nécessairement réalisée par l’application graduelle d’une tension jusqu’à rendre le dispositif 3 passant. La tension d’initialisation peut présenter une amplitude prédéfinie telle que le dispositif 3 passe directement dans l’état passant. L’initialisation est ainsi plus rapide. La tension prédéfinie peut être déterminée à partir de dispositifs précédemment initialisés.To achieve this, the initialization step involves applying an initial voltage to electrodes 4 and 6 so that device 3 transitions from the blocked state to the conducting state. The voltage between electrodes 4 and 6 is, for example, gradually increased until device 3 transitions from the blocked state to the conducting state. The initial voltage is reached when device 3 enters the conducting state. The conducting state can be characterized by a minimum current. Applying the initial voltage between the electrodes creates an electric field on the species that can influence the establishment of the tunneling current. The passage of current will clean the adjacent surfaces, for example, thermally, physically, or even chemically. This initialization is preferably performed at least once. It can be performed several times to properly remove any unwanted species. However, a single initialization is generally sufficient to obtain a stable threshold voltage that does not change over time. Initialization is not necessarily achieved by gradually applying a voltage until device 3 turns on. The initialization voltage can have a predefined amplitude such that device 3 transitions directly to the conducting state. This makes initialization faster. The predefined voltage can be determined from previously initialized devices.
La
La première électrode 4 présente préférentiellement une épaisseur h4, mesurée perpendiculairement au plan {X ; Y} inférieure à 1 mm. Elle est par exemple comprise entre 200 µm et 800 µm. De la même manière, la deuxième électrode 6 présente préférentiellement une épaisseur h6 inférieure à 1 mm et par exemple comprise entre 200 µm et 800 µm. De la sorte, l’empilement formé par les deux électrodes 4, 6 et la couche isolante 8 présente une hauteur maximale égale à 2005 µm, c’est-à-dire une hauteur maximale sensiblement égale à 2 mm. Le dispositif de protection 3 présente donc un encombrement vertical réduit. De manière préférée, la hauteur maximale de l’empilement formé par les trois éléments peut être sensiblement comprise entre 400 µm et 1600 µm, présentant ainsi un encombrement davantage réduit.The first electrode 4 preferably has a thickness h4, measured perpendicular to the {X; Y} plane, of less than 1 mm. For example, it is between 200 µm and 800 µm. Similarly, the second electrode 6 preferably has a thickness h6 of less than 1 mm, for example, between 200 µm and 800 µm. Thus, the stack formed by the two electrodes 4, 6, and the insulating layer 8 has a maximum height of 2005 µm, that is, a maximum height approximately equal to 2 mm. The protective device 3 therefore has a reduced vertical footprint. Preferably, the maximum height of the stack formed by the three elements can be approximately between 400 µm and 1600 µm, thus resulting in an even smaller footprint.
La première électrode 4 est réalisée à partir d’un premier matériau semiconducteur dopé. Elle est préférentiellement réalisée à partir de silicium dopé. Elle pourrait également être réalisée dans un autre matériau semiconducteur dopé tel qu’un alliage dit « III-V » dopé, comprenant deux matériaux faisant partie des colonnes III et V du tableau périodique des éléments. Il s’agit par exemple d’AsGa ou d’InP. La deuxième électrode 6 est réalisée à partir d’un deuxième matériau semiconducteur dopé. De la même manière que la première électrode 4, elle est préférentiellement réalisée à partir de silicium dopé. Elle pourrait toutefois être réalisée dans un autre matériau semiconducteur dopé tel qu’un alliage III-V. Il est également possible que les première et deuxième électrodes 4, 6 soient réalisées dans des matériaux semiconducteurs différents. Utiliser le même matériau semiconducteur dopé pour les deux électrodes 4, 6 permet toutefois de simplifier la fabrication puisqu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des technologies de fabrication différentes. De plus, un même matériau semiconducteur dopé pour les deux électrodes 4, 6 implique une même tension de seuil quel que soit le sens de polarisation du circuit. Ainsi le dispositif résultant permet d’assurer un fonctionnement bidirectionnel du dispositif. Autrement dit, peu importe le sens dans lequel le dispositif 3 est connecté, il fonctionnera de la même manière, les électrodes jouant le rôle de cathode ou d’anode.The first electrode, 4, is made from a doped semiconductor material. It is preferably made from doped silicon. It could also be made from another doped semiconductor material, such as a doped III-V alloy, comprising two materials from columns III and V of the periodic table. Examples include GaAs or InP. The second electrode, 6, is made from a second doped semiconductor material. Like the first electrode, 4, it is preferably made from doped silicon. However, it could also be made from another doped semiconductor material, such as a III-V alloy. It is also possible for the first and second electrodes, 4 and 6, to be made from different semiconductor materials. However, using the same doped semiconductor material for both electrodes, 4 and 6, simplifies fabrication since it eliminates the need for different manufacturing technologies. Furthermore, the same doped semiconductor material for both electrodes 4 and 6 results in the same threshold voltage regardless of the circuit's polarity. Thus, the resulting device ensures bidirectional operation. In other words, no matter which way device 3 is connected, it will function identically, with the electrodes acting as either the cathode or the anode.
Par « même matériau dopé », on entend que les électrodes sont réalisées à partir d’un même élément ou un même alliage d’éléments (par exemple en Si ou InP) et dopées de la même façon (par exemple toutes deux de type N ou de type P et avec un même niveau de concentration).By "same doped material" we mean that the electrodes are made from the same element or the same alloy of elements (for example in Si or InP) and doped in the same way (for example both of type N or type P and with the same level of concentration).
La première électrode 4 peut être dopée d’un premier type, par exemple de type N ou de type P. La deuxième électrode 6 peut être dopée d’un deuxième type, par exemple de type N ou de type P. De manière préférée, les deux électrodes 4, 6 sont dopées dans un même type, par exemple de type N ou de type P, afin d’assurer un fonctionnement bidirectionnel au dispositif.The first electrode 4 can be doped with a first type, for example type N or type P. The second electrode 6 can be doped with a second type, for example type N or type P. Preferably, both electrodes 4, 6 are doped with the same type, for example type N or type P, in order to ensure bidirectional operation of the device.
Dans un mode de réalisation alternatif, les dopages des première et deuxième électrodes 4, 6 sont de types différents. La première électrode est par exemple dopée de type N et la deuxième électrode est par exemple dopée de type P, ou inversement. La différence de dopage entre les deux électrodes 4, 6 implique une tension de seuil différente selon la polarité de la tension appliquée entre les première et deuxième électrodes 4, 6. Le dispositif 3 présente donc un sens de polarisation préféré, par exemple le sens de polarisation lequel la tension de seuil est la plus basse. Le dispositif est dit « unidirectionnel ».In an alternative embodiment, the doping of the first and second electrodes 4, 6 are of different types. For example, the first electrode is N-doped and the second electrode is P-doped, or vice versa. The difference in doping between the two electrodes 4, 6 results in a different threshold voltage depending on the polarity of the voltage applied between the first and second electrodes 4, 6. The device 3 therefore has a preferred polarization direction, for example, the polarization direction in which the threshold voltage is lowest. The device is said to be "unidirectional".
La limitation du courant peut dépendre des dopages considérés pour les électrodes 4, 6. Dans le cas d’électrodes 4, 6 réalisées à partir d’un même matériau dopé (présentant notamment une même concentration d’impuretés dopantes et un même type de dopage) alors la limitation du courant attendue est bidirectionnelle. C’est à dire qu’elle est identique quel que soit le sens de polarisation de la tension aux bornes du dispositif 3. Autrement dit, le sens de connexion du dispositif n’a pas d’impact sur la limitation du courant.The current limitation can depend on the doping applied to electrodes 4 and 6. If electrodes 4 and 6 are made from the same doped material (specifically, having the same concentration of doping impurities and the same type of doping), then the expected current limitation is bidirectional. That is to say, it is identical regardless of the direction of the voltage across device 3. In other words, the connection direction of the device has no impact on the current limitation.
Dans le cas où les dopages des électrodes 4, 6 sont différents (type de dopage différent et/ou concentration différentes), la limitation de courant attendue peut être différente en fonction de l’électrode considérée dans le mécanisme d’émission. En effet, le dopage a un impact sur la densité et/ou la mobilité des porteurs de charges dans les électrodes. L’émission d’électrons par une électrode peut donc fortement varier si celle-ci est fortement ou, au contraire, faiblement dopée. Des dopages différents pour les électrodes 4, 6 permettent d’ajuster la limitation du courant en fonction du sens de circulation dudit courant.If electrodes 4 and 6 are doped differently (different doping types and/or concentrations), the expected current limitation may vary depending on which electrode is involved in the emission mechanism. This is because doping affects the density and/or mobility of charge carriers in the electrodes. Therefore, electron emission from an electrode can vary significantly depending on whether it is heavily or lightly doped. Different doping levels for electrodes 4 and 6 allow the current limitation to be adjusted according to the direction of current flow.
La première électrode 4 peut être dopée au moyen d’impuretés dopantes telles que le Bore ou le Gallium (par exemple pour avoir une électrode en silicium de type P) ou encore le Phosphore, l’Antimoine ou l’Arsenic (par exemple pour avoir une électrode en silicium de type N). Les impuretés dopantes de la première électrode sont avantageusement présentes avec une concentration comprise entre 1·1017at/cm3et 1·1022at/cm3. Cette concentration en impureté permet de rendre la première électrode 4 conductrice à fortement conductrice.The first electrode 4 can be doped with doping impurities such as boron or gallium (for example, to obtain a P-type silicon electrode) or phosphorus, antimony, or arsenic (for example, to obtain an N-type silicon electrode). The doping impurities of the first electrode are advantageously present at a concentration between 1 × 10¹⁷ at/ cm³ and 1 × 10²² at/ cm³ . This impurity concentration makes the first electrode 4 conductive to highly conductive.
La deuxième électrode 6 peut également être dopée au moyen d’impuretés dopantes telles que le Bore, le Gallium, le Phosphore, l’Antimoine ou encore l’Arsenic. Les impuretés dopantes peuvent être présentes avec une concentration comprise entre 1·1017at/cm3et 1·1022at/cm3. De la même manière que la première électrode 6, cette concentration en impureté permet de rendre la deuxième électrode 6 conductrice à fortement conductrice.The second electrode 6 can also be doped with doping impurities such as boron, gallium, phosphorus, antimony, or arsenic. These doping impurities can be present at concentrations ranging from 1 x 10¹⁷ at/ cm³ to 1 x 10²² at/ cm³ . Similar to the first electrode 6, this impurity concentration makes the second electrode 6 conductive to highly conductive.
Le dopage des électrodes 4, 6 permet de conduire efficacement le courant électrique. Les électrodes 4, 6, en matériau semiconducteur dopée, même à forte concentration, voire même dégénérées, présentent un intérêt par rapport à des électrodes en métal. Des électrodes en métal ne permettent pas de contrôler efficacement le courant tunnel pour une distance inter-électrode très faible. Les lignes de champ émises par une électrode en métal le sont uniquement depuis la surface de l’électrode en métal. La circulation du courant tunnel tend alors à assister thermiquement la réorganisation de la surface de l’électrode en métal voire vaporiser l’électrode métallique réduisant fortement la distance inter-électrode et la reproductibilité des tensions seuil. Ces vaporisations et réorganisations peuvent également entrainer l’apparition d’un contact direct entre les électrodes, rendant le dispositif inopérable. Les lignes de champ émises par une électrode semiconductrice dopée sont émises par un volume au voisinage de la surface de l’électrode. Cette émission des lignes de champ réduit le risque d’une réorganisation ou vaporisation de l’électrode semiconductrice. Les électrodes semiconductrices conservent alors leur intégrité. Ainsi l’amorçage et le maintien du courant tunnel est facilité et la reproduction de l’effet tunnel possible. Ainsi, le dispositif selon l’invention présente l’avantage de pouvoir être réutilisé. Les dispositifs de protection selon l’art antérieur peuvent être à usage unique et nécessiter un remplacement après chaque écrêtage d’une surtension.Doping electrodes 4 and 6 allows for efficient conduction of electric current. Electrodes 4 and 6, made of doped semiconductor material, even at high concentrations or even in degenerate forms, offer advantages over metal electrodes. Metal electrodes cannot effectively control the tunneling current at very small inter-electrode distances. The field lines emitted by a metal electrode originate solely from its surface. The tunneling current then tends to thermally assist the reorganization of the metal electrode surface, or even vaporize the metal electrode, significantly reducing the inter-electrode distance and the reproducibility of threshold voltages. These vaporizations and reorganizations can also lead to direct contact between the electrodes, rendering the device inoperable. The field lines emitted by a doped semiconductor electrode originate from a volume in the vicinity of the electrode surface. This emission of field lines reduces the risk of reorganization or vaporization of the semiconductor electrode. The semiconductor electrodes thus retain their integrity. This facilitates the initiation and maintenance of the tunneling current and makes the reproduction of the tunneling effect possible. Therefore, the device according to the invention has the advantage of being reusable. Protection devices according to the prior art may be single-use and require replacement after each surge suppression.
De plus, dans un métal les lignes de champ électriques s’organisent au niveau des surfaces externes du métal, sans pénétrer dans celui-ci (à l’inverse d’un semiconducteur, tel que discuté précédemment). De ce fait, il reste difficile d’obtenir les champs électriques recherchés pour induire une émission par effet de champ ou par effet tunnel car il faut respecter des distances submicroniques pour y parvenir. Si obtenir une telle précision est accessible dans l’industrie de la microélectronique, il est en revanche plus difficile de l’obtenir sans utilisation de moyens précis propres à cette industrie.Furthermore, in a metal, electric field lines are organized at the external surfaces of the metal, without penetrating it (unlike in a semiconductor, as discussed previously). Consequently, it remains difficult to obtain the electric fields required to induce field emission or tunneling, as submicron distances must be maintained. While achieving such precision is achievable in the microelectronics industry, it is more difficult to obtain without the use of specialized, high-precision methods specific to that industry.
Les première et deuxième électrodes 4, 6 peuvent être dopées dans un même type avec des concentrations en impuretés dopantes égales. Alternativement, elles peuvent être dopées dans un même type avec des concentrations en impuretés dopantes différentes.The first and second electrodes 4, 6 can be doped with the same type of doping impurity with equal concentrations. Alternatively, they can be doped with the same type of doping impurity with different concentrations.
Dans les modes de réalisation des figures 9 à 16, une première cavité 14 est aménagée dans la première électrode 4. Il s’agit d’une partie de surface réalisée en retrait de la surface normalement prévue pour réaliser une portance. À ce titre la première cavité 14 peut également être appelée « évidement ». Autrement formulé, la première cavité 14 est un volume libre formé dans la première électrode 4 et ne débouchant que sur une seule des faces de ladite première électrode 4. En d’autres termes, la première cavité 14 ne traverse pas de part en part la première électrode 4.In the embodiments shown in Figures 9 to 16, a first cavity 14 is formed in the first electrode 4. This cavity is a recessed area of the surface, set back from the surface normally intended to provide lift. As such, the first cavity 14 can also be called a "recess." In other words, the first cavity 14 is a free volume formed in the first electrode 4 and opening onto only one face of said first electrode 4. In other words, the first cavity 14 does not pass completely through the first electrode 4.
La première cavité 14 communique avec l’ouverture 9. Autrement formulé, la première cavité 14 est mise en regard avec la deuxième électrode 6 à travers l’ouverture 9.The first cavity 14 communicates with the opening 9. In other words, the first cavity 14 is brought into contact with the second electrode 6 through the opening 9.
La première cavité 14 dans la première électrode 4 met en retrait la surface de la première électrode 4 (pouvant être appelée « fond » de cavité) en regard avec de la deuxième électrode 6.The first cavity 14 in the first electrode 4 sets back the surface of the first electrode 4 (which can be called the "bottom" of the cavity) in relation to the second electrode 6.
La figures 9 montre par exemple que la distance h46 séparant les deux électrodes 4, 6, au niveau de l’ouverture 9 peut être plus importante que l’épaisseur h8 de couche isolante 8. Il est ainsi possible d’utiliser une couche isolante 8 très fine tout en gardant la possibilité d’ajuster la distance h46 entre les électrodes 4, 6.Figure 9 shows, for example, that the distance h46 separating the two electrodes 4, 6, at the opening 9 can be greater than the thickness h8 of the insulating layer 8. It is therefore possible to use a very thin insulating layer 8 while still being able to adjust the distance h46 between the electrodes 4, 6.
Dans le mode de réalisation des figures 10, 15 et 16, une deuxième cavité 29 (ou évidement) est aménagée dans la deuxième électrode 6. De la même manière que la première cavité 14, la deuxième cavité 29 communique avec l’ouverture 9.In the embodiment of figures 10, 15 and 16, a second cavity 29 (or recess) is provided in the second electrode 6. In the same way as the first cavity 14, the second cavity 29 communicates with the opening 9.
Les cavités 14, 29 peuvent être réalisées lors de la fabrication du dispositif 3. Elles sont par exemple réalisées avant collage ou soudure des couches semiconductrices sur la couche isolante 8. Elles peuvent être réalisées dans chaque couche semiconductrice par des gravures humides type KOH ou sèches, par exemple par plasma SF6, à travers un masque de gravure.The cavities 14, 29 can be made during the manufacture of the device 3. They are made for example before bonding or soldering the semiconductor layers onto the insulating layer 8. They can be made in each semiconductor layer by wet etching such as KOH or dry etching, for example by SF6 plasma, through an etching mask.
Le courant tunnel tend à s’établir à l’endroit où les lignes de champ électrique sont les plus concentrées. Les effets de bord que l’on peut observer au voisinage du bord de l’ouverture 9 tendent à concentrer les lignes de champ au bord de l’ouverture 9. Ainsi, sans précaution particulière, le courant tunnel peut s’établir au voisinage de la couche isolante. Toutefois cette dernière peut être détériorée par la forte intensité du courant circulant. Dès lors il convient d’éloigner le courant tunnel de la couche isolante 8 pour le localiser, de préférence, au centre de l’ouverture 9.Tunneling current tends to establish itself where the electric field lines are most concentrated. The edge effects observed near the edge of the opening 9 tend to concentrate the field lines at the edge of the opening 9. Thus, without special precautions, tunneling current can establish itself near the insulating layer. However, this layer can be damaged by the high intensity of the current flowing through it. Therefore, it is advisable to keep the tunneling current away from the insulating layer 8 and, preferably, locate it at the center of the opening 9.
Dans les modes de réalisation des figures 9 et 10, la couche isolante 8 est délimitée latéralement par un bord intérieur 15. La première électrode 4 prend préférentiellement appui sur la couche isolante 8 à distance du bord intérieur 15, en retrait par rapport au bord intérieur 15 de la couche isolante. Ainsi, la première cavité 14 débouche en partie sur la couche électriquement isolante 8 et en partie dans l’ouverture 9. Autrement dit, la couche isolante 8 forme un rétrécissement par rapport à la première cavité 14. Ce rétrécissement prend la forme d’une lèvre 16 avançant dans l’espace libre formé par la première cavité 14 et l’ouverture 9. La lèvre 16 est d’autant plus manifeste sur la
Les lignes de champ électrique au bord de la première cavité 14 sont donc contraintes de s’allonger pour contourner la lèvre 16 isolante et atteindre la deuxième électrode 6. Cet allongement des lignes de champ réduit la probabilité qu’un courant par effet tunnel s’établisse au bord de l’entrefer là où il peut être plus difficile à contrôler ou là où il pourrait induire des dommages sur la couche isolante 8.The electric field lines at the edge of the first cavity 14 are therefore forced to lengthen to bypass the insulating lip 16 and reach the second electrode 6. This lengthening of the field lines reduces the probability that a tunneling current will be established at the edge of the air gap where it may be more difficult to control or where it could induce damage to the insulating layer 8.
La lèvre isolante 16 peut s’étendre latéralement par rapport à la première cavité 14 sur une distance de 1 µm.The insulating lip 16 can extend laterally relative to the first cavity 14 over a distance of 1 µm.
Dans les modes de réalisation des figures 11 à 16, la première électrode 4 comprend une structuration. Cette structuration est destinée à améliorer la localisation du courant tunnel au centre de l’ouverture 9, là où il sera le moins influencé. La structuration de la première électrode 4 tire notamment partie de la concentration des lignes de champ électrique par effet de pointe.In the embodiments shown in Figures 11 to 16, the first electrode 4 incorporates a structure. This structure is designed to improve the localization of the tunnel current at the center of the aperture 9, where it will be least affected. The structure of the first electrode 4 takes particular advantage of the concentration of electric field lines due to the point effect.
Dans les figures 11 à 16, la première cavité 14 comprend au moins une première protubérance 17 s’étendant perpendiculairement au plan {X ; Y} et en direction de la deuxième électrode 6. En d’autres termes, il s’agit d’une portion de la première électrode 4 en saillie et s’étendant vers la deuxième électrode 6. Elle permet d’exacerber le champ électrique entre la pointe formée par la première protubérance 17 et la deuxième électrode 6. Autrement dit, chaque première protubérance 17 traverse tout ou partie de la première cavité 14 en s’allongeant vers la deuxième électrode 6. Afin d’assurer l’établissement d’un courant tunnel, chaque première protubérance 17 est alors formée de sorte qu’elle présente une distance h46 (discutée précédemment) avec la deuxième électrode 6, qui soit avantageusement inférieure à 5 µm.In Figures 11 to 16, the first cavity 14 includes at least one first protrusion 17 extending perpendicularly to the {X; Y} plane and towards the second electrode 6. In other words, it is a portion of the first electrode 4 projecting outwards towards the second electrode 6. It serves to exacerbate the electric field between the tip formed by the first protrusion 17 and the second electrode 6. In other words, each first protrusion 17 traverses all or part of the first cavity 14, extending towards the second electrode 6. In order to ensure the establishment of a tunneling current, each first protrusion 17 is then formed so that it has a distance h46 (discussed previously) with the second electrode 6, which is advantageously less than 5 µm.
Chaque première protubérance 17 est distante de la deuxième électrode 4 et préférentiellement d’au moins 0,2 µm.Each first protrusion 17 is distant from the second electrode 4 and preferably by at least 0.2 µm.
La première électrode 4 peut comprendre une seule première protubérance 17 ou une pluralité de premières protubérances 17 (telle qu’illustrées par les figures 11 à 16).The first electrode 4 may comprise a single first protrusion 17 or a plurality of first protrusions 17 (as illustrated by Figures 11 to 16).
Les figures 13 et 14 montrent un même mode de réalisation selon une première coupe dite « vue de côté » (
Dans les modes de réalisation des figures 11 à 16, chaque première protubérance 17 est distante de la couche isolante 8 et notamment du bord intérieur 15 de la couche isolante 8. Elle présente par exemple une distance d178 avec le bord intérieur 15 supérieure à 5 µm (la distance d178 est illustrée sur la
Il est avantageux que les protubérances ne soient pas trop étroites auquel cas la concentration de champ à leur apex peut induire l’émission de très fort courants qui peuvent détériorer les protubérances. Pour cela, chaque première protubérance 17 peut présenter une largeur d17, mesurée parallèlement au plan {X ; Y}, préférentiellement supérieure à 5 µm.It is advantageous for the protrusions not to be too narrow, as the field concentration at their apex can induce the emission of very strong currents that can damage the protrusions. Therefore, each first protrusion 17 can have a width d17, measured parallel to the {X; Y} plane, preferably greater than 5 µm.
Dans les modes de réalisation des figures 13 à 16, la première électrode 4 comprend une pluralité de premières protubérances 17 agencées selon un réseau carré. Afin que les émissions de courant au niveau des protubérances 17 interfèrent peu les unes avec les autres, les premières protubérances 17 sont avantageusement espacées les unes des autres d’une distance d1717 préférentiellement strictement supérieure à 5 µm.In the embodiments of Figures 13 to 16, the first electrode 4 comprises a plurality of first protrusions 17 arranged in a square lattice. In order that the current emissions at the level of the protrusions 17 interfere little with each other, the first protrusions 17 are advantageously spaced from each other by a distance d1717 preferably strictly greater than 5 µm.
Dans le mode de réalisation des figures 15 et 16, la deuxième électrode 6 comprend également une structuration destinée à favoriser la localisation du courant tunnel au centre de l’ouverture 9. La structuration de la deuxième électrode 6 peut être complémentaire de la structuration de la première électrode 4 ou remplacer intégralement celle-ci.In the embodiment of Figures 15 and 16, the second electrode 6 also includes a structure designed to promote the localization of the tunnel current at the center of the opening 9. The structure of the second electrode 6 can be complementary to the structure of the first electrode 4 or replace it entirely.
La structuration de la deuxième électrode 6 comprend au moins une deuxième protubérance 25 s’étendant perpendiculairement au plan {X ; Y} et en direction de la première électrode 4. Chaque deuxième protubérance 25 est avantageusement distante de la première électrode 4 de moins de 5 µm.The structure of the second electrode 6 includes at least one second protrusion 25 extending perpendicularly to the plane {X; Y} and in the direction of the first electrode 4. Each second protrusion 25 is advantageously located less than 5 µm away from the first electrode 4.
La formation des premières et/ou deuxièmes protubérances 17, 25 peut être réalisée par gravure de la ou des électrodes, par exemple au moyen d’un plasma, à travers un masque de gravure. L’ajustement d’une vitesse de gravure et d’un rapport d’aspect du masque de gravure (dite technique « ARDE » pour « Aspect Ratio Dependant Etching ») permet de former les protubérances de hauteur différentielle par voie sèche. Les protubérances 17, 25 peuvent également être formées par gravure par voie humide. Par exemple, la répétition de gravures humides successives avec différents masques permet de creuser les électrodes tout en conservant des protubérances.The formation of the first and/or second protrusions 17, 25 can be achieved by etching the electrode(s), for example, using a plasma, through an etching mask. Adjusting the etching speed and the aspect ratio of the etching mask (known as the "ARDE" technique for "Aspect Ratio Dependent Etching") allows for the formation of protrusions of varying heights using a dry etching method. The protrusions 17, 25 can also be formed by wet etching. For example, repeating successive wet etches with different masks allows for the removal of electrodes while preserving protrusions.
Dans les modes de réalisation des figures 12, 15 et 16, le dispositif de protection comprend au moins une couche isolante additionnelle 28 disposée sur une extrémité d’une première protubérance 17 ou disposée sur une extrémité d’une deuxième protubérance 25. Chaque protubérance présente deux extrémités : une première extrémité, dite « pied » ou « base », en contact avec la première électrode 4 ; et une deuxième extrémité, opposée à la base et dite « tête » ou encore extrémité « distale ».In the embodiments of Figures 12, 15 and 16, the protection device includes at least one additional insulating layer 28 disposed on one end of a first protrusion 17 or disposed on one end of a second protrusion 25. Each protrusion has two ends: a first end, called the "foot" or "base", in contact with the first electrode 4; and a second end, opposite the base and called the "head" or "distal" end.
En particulier chaque couche isolante additionnelle 28 s’étend contre la tête d’une première ou d’une deuxième protubérance 17, 25. Elle recouvre alors au moins une partie de la tête d’une protubérance 17, 25. Ce recouvrement forme un masquage de la tête d’une protubérance qui contraint les lignes de champ électrique à contourner la couche additionnelle 28. Ce contournement plus ou moins prononcé, selon que la couche additionnelle 28 masque une grande partie de la tête de la protubérance, permet d’exacerber plus ou moins fortement la concentration des lignes de champ électrique et ajuster ainsi les conditions d’établissement d’un courant tunnel.In particular, each additional insulating layer 28 extends against the head of a first or second protrusion 17, 25. It then covers at least part of the head of a protrusion 17, 25. This covering forms a masking of the head of a protrusion which forces the electric field lines to bypass the additional layer 28. This bypassing, more or less pronounced depending on whether the additional layer 28 masks a large part of the head of the protrusion, makes it possible to exacerbate the concentration of the electric field lines more or less strongly and thus adjust the conditions for the establishment of a tunneling current.
Dans les modes de réalisation des figures 15 et 16, chaque couche isolante additionnelle 28 s’étend depuis une protubérance jusqu’à la deuxième électrode 6. Elle peut s’étendre jusqu’à une protubérance de la deuxième électrode 6 s’il y a lieu. Les couches isolantes additionnelles 28 peuvent être plus larges que les protubérances 17 de manière à masquer complètement l’extrémité libre des protubérances 17. Les couches additionnelles peuvent par exemple présenter une largeur d28 strictement supérieure à la largeur d17 des protubérances 17. Leur largeur d28 est par exemple comprise dans la plage d17 + 1 µm à d17 + 2 µm.In the embodiments of Figures 15 and 16, each additional insulating layer 28 extends from a protrusion to the second electrode 6. It may extend to a protrusion of the second electrode 6 if necessary. The additional insulating layers 28 may be wider than the protrusions 17 so as to completely mask the free end of the protrusions 17. The additional layers may, for example, have a width d28 strictly greater than the width d17 of the protrusions 17. Their width d28 is, for example, in the range of d17 + 1 µm to d17 + 2 µm.
Les couches isolantes additionnelles 28 de la
Les couches additionnelles 28 sont préférentiellement éloignées de la couche isolante 8, par exemple d’une distance d288 supérieure ou égale à 5 µm.The additional layers 28 are preferentially kept away from the insulating layer 8, for example by a distance d288 greater than or equal to 5 µm.
Chaque couche isolante additionnelle 28 peut être obtenue par dépôt de SiO2 ou SiN et gravure partielle de cette couche.Each additional insulating layer 28 can be obtained by depositing SiO2 or SiN and partially etching this layer.
Dans les modes de réalisation des figures 13 et 14, la structuration de la première électrode 4 comprend une tranchée périphérique 23 visant à réduire l’établissement d’un courant tunnel au voisinage de la couche isolante sans pour autant recourir à une lèvre isolante 16 (même si l’utilisation d’une lèvre isolante 16 est compatible). La tranchée périphérique 23 augmente le volume de la première cavité 14, au voisinage de la couche isolante 8. La première cavité 14 est par exemple délimitée par un bord intérieur 22 qui peut être aligné avec le bord intérieur 15 délimitant l’ouverture 9. La tranchée périphérique 23 forme alors une tranchée creusée dans la première électrode 4 et longeant le bord intérieur 22 de la première cavité 14. La tranchée périphérique 23 augmente donc la distance entre les deux électrodes 4, 6, au voisinage de la couche isolante 8, de manière à réduire le risque d’établissement d’un courant tunnel à cet endroit.In the embodiments of Figures 13 and 14, the structure of the first electrode 4 includes a peripheral trench 23 designed to reduce the establishment of a tunneling current near the insulating layer without resorting to an insulating lip 16 (although the use of an insulating lip 16 is compatible). The peripheral trench 23 increases the volume of the first cavity 14, near the insulating layer 8. The first cavity 14 is, for example, delimited by an inner edge 22 which can be aligned with the inner edge 15 delimiting the opening 9. The peripheral trench 23 then forms a trench cut into the first electrode 4 and running along the inner edge 22 of the first cavity 14. The peripheral trench 23 thus increases the distance between the two electrodes 4, 6, near the insulating layer 8, so as to reduce the risk of a tunneling current establishing itself at this point.
La tranchée périphérique 23 peut présenter un fond présentant une largeur d23. Ladite largeur est par exemple mesurée depuis le bord intérieur 22 de la première cavité (ou depuis le bord intérieur 15 de la couche isolante 8). Le fond de la tranchée périphérique 23 préférentiellement distant de la deuxième électrode 6 d’une hauteur h23, mesurée perpendiculairement au plan ({X ; Y}), compris entre deux fois la largeur d23 de la tranchée périphérique 23 et de deux à dix fois la largeur d23 de la tranchée périphérique 23.The peripheral trench 23 may have a bottom with a width d23. This width is, for example, measured from the inner edge 22 of the first cavity (or from the inner edge 15 of the insulating layer 8). The bottom of the peripheral trench 23, preferably located at a distance h23 from the second electrode 6, measured perpendicular to the plane ({X; Y}), is between twice the width d23 of the peripheral trench 23 and from two to ten times the width d23 of the peripheral trench 23.
Dans le mode de réalisation de la
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 16, le dispositif de protection 3 comprend une première couche conductrice 12 et une deuxième couche conductrice 13. La première couche conductrice 12 est électriquement connectée à la première électrode 4. De manière similaire, la deuxième couche conductrice 13 est électriquement connectée à la deuxième électrode 6. Ces couches conductrices 12, 13 forment les bornes du dispositif de protection 3 sur lesquelles est appliquée la tension électrique à écrêter. Il s’agit, en d’autres termes, des contacts électriques du dispositif 3.In the embodiments shown in Figures 2 to 16, the protection device 3 comprises a first conductive layer 12 and a second conductive layer 13. The first conductive layer 12 is electrically connected to the first electrode 4. Similarly, the second conductive layer 13 is electrically connected to the second electrode 6. These conductive layers 12 and 13 form the terminals of the protection device 3, across which the electrical voltage to be clipped is applied. In other words, they are the electrical contacts of the device 3.
Les couches conductrices peuvent être réalisées en argent, en or, en aluminium, en nickel, en platine, en palladium, en tungstène ou dans un alliage de ces matériaux. Elles présentent avantageusement une épaisseur inférieure à 30 µm. Elles peuvent être formées par exemple par évaporation, pulvérisation ou encore croissance électrolytique.Conductive layers can be made of silver, gold, aluminum, nickel, platinum, palladium, tungsten, or an alloy of these materials. Advantageously, they have a thickness of less than 30 µm. They can be formed, for example, by evaporation, sputtering, or electrolytic growth.
La première couche conductrice 12 s’étend avantageusement contre la première électrode 4, en contact électrique avec celle-ci. La première électrode présente par exemple une première partie 10, dite « partie supérieure », et une deuxième partie 5, dite « partie inférieure », opposée, par rapport au plan {X ; Y}, à sa partie supérieure 10. Les termes « supérieur » et « inférieur » sont pris en référence aux figures. L’orientation de la première électrode 4 est telle que la couche isolante 8 est en contact avec la partie inférieure 5 de la première électrode 4. Une portion de la partie inférieure 5 de la première électrode 4 est donc en regard de la deuxième électrode 6 à travers l’ouverture 9 de la couche isolante 8.The first conductive layer 12 extends advantageously against the first electrode 4, in electrical contact with it. The first electrode, for example, has a first part 10, called the "upper part," and a second part 5, called the "lower part," opposite, with respect to the {X; Y} plane, its upper part 10. The terms "upper" and "lower" are used with reference to the figures. The orientation of the first electrode 4 is such that the insulating layer 8 is in contact with the lower part 5 of the first electrode 4. A portion of the lower part 5 of the first electrode 4 is therefore opposite the second electrode 6 through the opening 9 in the insulating layer 8.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 16, la première couche conductrice 12 s’étend au contact de la partie supérieure 10 de la première électrode 4. Ainsi, la première électrode 4 est prise en sandwich entre la couche isolante 8 et la première couche conductrice 12.In the embodiments of figures 2 to 16, the first conductive layer 12 extends into contact with the upper part 10 of the first electrode 4. Thus, the first electrode 4 is sandwiched between the insulating layer 8 and the first conductive layer 12.
La deuxième couche conductrice 13 s’étend avantageusement contre la deuxième électrode 6 et en contact électrique avec celle-ci. La deuxième électrode peut présenter, de manière similaire à la première électrode 4, une première partie 7, dite « partie supérieure », et une deuxième partie 11, dite « partie inférieure », opposée, par rapport au plan {X ; Y}, à sa partie supérieure 7. L’orientation de la deuxième électrode 6 est telle que la couche isolante 8 est en contact avec la partie supérieure 7 de la deuxième électrode 6.The second conductive layer 13 advantageously extends against the second electrode 6 and is in electrical contact with it. The second electrode can have, similarly to the first electrode 4, a first part 7, called the "upper part", and a second part 11, called the "lower part", opposite, with respect to the plane {X; Y}, its upper part 7. The orientation of the second electrode 6 is such that the insulating layer 8 is in contact with the upper part 7 of the second electrode 6.
Dans les modes de réalisation des figures 2, 3 et 6 à 16, la deuxième couche conductrice 13 s’étend au contact de la partie inférieure 11 de la deuxième électrode 6. Ainsi, la deuxième électrode 6 est prise en sandwich entre la couche isolante 8 et la deuxième couche conductrice 13. Plus particulièrement, dans ces figures c’est l’empilement de couches 4, 6, 8 entier qui est pris en sandwich entre les première et deuxième couches conductrices 12, 13.In the embodiments of figures 2, 3 and 6 to 16, the second conductive layer 13 extends into contact with the lower part 11 of the second electrode 6. Thus, the second electrode 6 is sandwiched between the insulating layer 8 and the second conductive layer 13. More particularly, in these figures it is the entire stack of layers 4, 6, 8 that is sandwiched between the first and second conductive layers 12, 13.
Ce mode de connexion avec les couches conductrices 12, 13 ne contraint pas l’étendue des électrodes 4, 6 ou de la couche isolante parallèlement au plan {X ; Y}.This mode of connection with the conductive layers 12, 13 does not constrain the extent of the electrodes 4, 6 or of the insulating layer parallel to the plane {X ; Y}.
La
La
Dans le mode de réalisation de la
L’épaulement 20 permet de rapprocher latéralement la deuxième couche conductrice 13 de la couche isolante 8. Cette configuration permet ainsi de réduire l’encombrement latéral du dispositif 3. Elle permet également de réduire la concentration des lignes de champ électrique au voisinage de la couche isolante 8. En effet, un fort champ électrique appliqué à travers une portion de la couche isolante 8 pourrait induire un claquage à travers ladite couche isolante 8, pouvant détériorer cette dernière.The shoulder 20 allows the second conductive layer 13 to be brought laterally closer to the insulating layer 8. This configuration thus reduces the lateral bulk of the device 3. It also reduces the concentration of electric field lines in the vicinity of the insulating layer 8. Indeed, a strong electric field applied through a portion of the insulating layer 8 could induce breakdown through said insulating layer 8, which could damage the latter.
La profondeur h20 de l’épaulement 20, mesurée perpendiculairement au plan {X ; Y} est préférentiellement supérieure à 50 µm.The depth h20 of the shoulder 20, measured perpendicular to the plane {X ; Y} is preferably greater than 50 µm.
Les modes de réalisation des figures 4 et 5 montrent que le dispositif de protection 3 peut comprendre deux deuxièmes couches conductrices 13 s’étendant de part et d’autre de la couche isolante 8 et en particulier de l’ouverture 9 de cette dernière.The embodiments in Figures 4 and 5 show that the protection device 3 can include two second conductive layers 13 extending on either side of the insulating layer 8 and in particular of the opening 9 of the latter.
Dans une variante des modes de réalisation des figures 4 et 5, les première et deuxième électrodes 12, 13 peuvent être permutées. La première couche conductrice 12 peut par exemple s’étendre contre la partie inférieure 5 de la première électrode 4. La première couche conductrice 12 peut également s’étendre contre un épaulement pratiqué dans la première électrode 4, depuis la partie inférieure 5 de ladite première électrode 4.In a variant of the embodiments shown in Figures 4 and 5, the first and second electrodes 12, 13 can be interchanged. The first conductive layer 12 can, for example, extend against the lower part 5 of the first electrode 4. The first conductive layer 12 can also extend against a shoulder formed in the first electrode 4, from the lower part 5 of said first electrode 4.
De manière commune aux modes de réalisation des figures 2 à 16, la première électrode 4 et la couche isolante 8 sont délimitées par un flanc extérieur 19, commun aux deux éléments. Ce flanc extérieur 19 est par exemple obtenu par gravure sèche au moyen d’un plasma ou humide en accord avec les matériaux à graver.Common to the embodiments shown in Figures 2 to 16, the first electrode 4 and the insulating layer 8 are delimited by an outer flank 19, common to both elements. This outer flank 19 is obtained, for example, by dry etching using a plasma or by wet etching, depending on the materials to be etched.
Dans les modes de réalisation des figures 4 et 5, ce flanc 19 permet de disposer les deuxièmes couches conductrices 13 au voisinage de la couche isolante 8.In the embodiments of figures 4 and 5, this side 19 allows the second conductive layers 13 to be placed in the vicinity of the insulating layer 8.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 3 et 6 à 16, la deuxième électrode 6 est également délimitée par le flanc extérieur 19, commun avec la première électrode 4 et la couche isolante 8. Ce flanc extérieur 19, sur toute la hauteur du dispositif 3 est par exemple obtenu par sciage au moyen d’une meule, par découpe laser ou par gravure anisotrope au moyen d’un plasma.In the embodiments of figures 2 to 3 and 6 to 16, the second electrode 6 is also delimited by the outer flank 19, common with the first electrode 4 and the insulating layer 8. This outer flank 19, over the entire height of the device 3, is obtained for example by sawing with a grinding wheel, by laser cutting or by anisotropic engraving with a plasma.
Dans ces modes de réalisation, la délimitation du dispositif 3 est réalisée de sorte qu’il présente une forme parallélépipédique. Cette délimitation pourrait être réalisée pour que le dispositif 3 présente une forme différente, telle qu’une forme circulaire.In these embodiments, the boundary of device 3 is constructed so that it has a parallelepiped shape. This boundary could be constructed so that device 3 has a different shape, such as a circular shape.
La délimitation de la couche isolante 8 est réalisée de sorte qu’une distance d8, entre le flanc extérieur 19 et l’ouverture 9, soit supérieure à 5 µm et préférentiellement supérieure ou égale à 50 µm. Ladite distance d8 est mesurée parallèlement au plan {X ; Y}. Une distance d8 suffisante permet de conserver une étanchéité adaptée de l’ouverture 9. Ainsi, la probabilité que des espèces extérieures rentrent et polluent l’espace entre les électrodes 4, 6 est minimale. La reproductibilité du courant tunnel s’en trouve améliorer.The insulating layer 8 is delimited such that a distance d8 between the outer edge 19 and the opening 9 is greater than 5 µm and preferably greater than or equal to 50 µm. This distance d8 is measured parallel to the {X; Y} plane. A sufficient distance d8 ensures adequate sealing of the opening 9. Thus, the probability of external species entering and contaminating the space between electrodes 4 and 6 is minimized. The reproducibility of the tunneling current is thereby improved.
Le dispositif 3 peut présenter une largeur extérieure (mesurant l’étendue latérale du flanc extérieure 19) comprise entre 1 mm et 10 mm. Le dispositif 3 peut présenter une longueur extérieure comprise entre 1 mm et 10 mm. Les largeur et longueur extérieures du dispositif sont préférentiellement choisies en fonction des largeur et longueur de l’ouverture 9, de sorte que la distance d8 séparant le flanc extérieur 19 soit toujours suffisamment loin de l’ouverture 9 et garantisse l’étanchéité de cette dernière.Device 3 may have an external width (measuring the lateral extent of the outer flank 19) of between 1 mm and 10 mm. Device 3 may have an external length of between 1 mm and 10 mm. The external width and length of the device are preferably chosen according to the width and length of the opening 9, so that the distance d8 separating the outer flank 19 is always sufficiently far from the opening 9 to ensure the latter is watertight.
Dans les modes de réalisation des figures 7 et 8, le dispositif 3 comprend une couche isolante complémentaire 27, s’étendant entre les deux électrodes 4, 6 et entourant au moins en partie la couche isolante 8. La couche isolante complémentaire 27 s’étend par exemple contre la partie inférieure 5 de la première électrode 4 et contre la partie supérieure 7 de la deuxième électrode 6. La couche isolante complémentaire 27 fournit un support aux première et deuxième électrodes 4, 6 qui peuvent ainsi s’étendre au-delà de la couche isolante 8. Les bords extérieurs des électrodes 4, 6 (c’est-à-dire les bords localisés au niveau du flanc extérieur 19) sont donc éloignés de la couche isolante 8. Un claquage entre les électrodes 4, 6 se produisant au niveau des bords des électrodes 4, 6 est donc distant de la couche isolante 8. L’intégrité de la couche isolante 8 est donc préservée. La couche isolante complémentaire 27 est préférentiellement mise en œuvre lorsque le dispositif 3 est délimité latéralement par un flanc extérieur 19.In the embodiments of Figures 7 and 8, the device 3 includes an additional insulating layer 27, extending between the two electrodes 4, 6 and at least partially surrounding the insulating layer 8. The additional insulating layer 27 extends, for example, against the lower part 5 of the first electrode 4 and against the upper part 7 of the second electrode 6. The additional insulating layer 27 provides support for the first and second electrodes 4, 6, which can thus extend beyond the insulating layer 8. The outer edges of the electrodes 4, 6 (i.e., the edges located at the outer flank 19) are therefore away from the insulating layer 8. A breakdown between the electrodes 4, 6 occurring at the edges of the electrodes 4, 6 is therefore distant from the insulating layer 8. The integrity of the insulating layer 8 is thus preserved. The additional insulating layer 27 is preferentially implemented when the device 3 is laterally delimited by an external side 19.
La couche isolante complémentaire 27 est formée à partir d’un matériau isolant à faible constante diélectrique (dit matériau « low-k » en anglais). Il s’agit par exemple de parylène.The additional insulating layer 27 is formed from an insulating material with a low dielectric constant (called a "low-k" material). For example, parylene.
Dans le mode de réalisation de la
Le revêtement isolant 18 est également formée à partir d’un matériau isolant à faible constante diélectrique tel que le parylène.The insulating coating 18 is also formed from an insulating material with a low dielectric constant such as parylene.
Les couches ou revêtement en matériaux à faible constante diélectrique sont par exemple formées par dépôt par voie chimique.Layers or coatings made of materials with low dielectric constant are, for example, formed by chemical deposition.
Dans le mode de réalisation de la
Le dispositif 3 peut comprendre une deuxième couche mince isolante 21 s’étendant au sein de la deuxième électrode 6 ou au contact de cette dernière.The device 3 may include a second thin insulating layer 21 extending within the second electrode 6 or in contact with it.
Les couches minces isolantes 21 peuvent être formées en même temps que les électrodes 4, 6, par exemple en utilisant un substrat de type semiconducteur sur isolant (dit « SOI ») lors de la fabrication du dispositif 3. Alternativement, ces couches mince 21 peuvent être formées par implantation ou par diffusion.The insulating thin films 21 can be formed at the same time as the electrodes 4, 6, for example by using a semiconductor-on-insulator (SOI) substrate during the fabrication of the device 3. Alternatively, these thin films 21 can be formed by implantation or diffusion.
L’invention concerne également un système 30 de protection pour un composant électronique. Différents modes de réalisation dudit système 30 sont illustrés par les figures 17, 19 à 22. Dans la
De manière commune aux modes de réalisation des figures 17 et 19 à 21, le système de protection 30 comprend au moins deux couches conductrices 12, 13, par exemple au moins une première couche conductrice 12 et au moins une deuxième couche conductrice 13. Les couches conductrices 12, 13 forment les zones de contact du système 30. Autrement dit, les premières et deuxièmes couches conductrices 12, 13 forment les anodes et les cathodes du système 30. Les couches conductrices 12, 13 sont par exemple des couches métalliques en contact ohmique avec les électrodes en silicium.Common to the embodiments of Figures 17 and 19 to 21, the protection system 30 comprises at least two conductive layers 12, 13, for example at least one first conductive layer 12 and at least one second conductive layer 13. The conductive layers 12, 13 form the contact areas of the system 30. In other words, the first and second conductive layers 12, 13 form the anodes and cathodes of the system 30. The conductive layers 12, 13 are, for example, metallic layers in ohmic contact with the silicon electrodes.
Les couches conductrices 12, 13 reprennent la même convention de nommage que les couches conductrices décrites en référence aux dispositifs 3 des figures 2 à 16.The conductive layers 12, 13 use the same naming convention as the conductive layers described with reference to devices 3 in figures 2 to 16.
Le système 30 comprend également une pluralité de dispositifs de protection 3 tels que ceux décrits précédemment. Dans les modes de réalisation des figures 17 et 19 à 21, les dispositifs de protection 3 diffèrent des modes de réalisation présentés précédemment en ce que les ouvertures 9 pratiquées dans les couches isolantes ne sont pas complètement fermées. En effet, les modes de réalisation des figures 2 à 16 montrent des dispositifs 3 pour lesquels l’atmosphère dans l’ouverture 9 (pouvant être du vide ou un gaz neutre) est maintenue grâce à un scellement étanche des électrodes 4, 6 contre la couche isolante. Dans les modes de réalisation des figures 17 et 19 à 21, le vide ou l’atmosphère de gaz neutre est maintenu grâce à une encapsulation du système qui n’est pas représenté sur les figures. Les ouvertures 9 n’ont donc pas besoin d’être fermées.The system 30 also includes a plurality of protective devices 3 such as those described previously. In the embodiments shown in Figures 17 and 19 to 21, the protective devices 3 differ from the previously presented embodiments in that the openings 9 in the insulating layers are not completely closed. Indeed, the embodiments in Figures 2 to 16 show devices 3 in which the atmosphere in the opening 9 (which may be a vacuum or an inert gas) is maintained by means of a tight seal of the electrodes 4, 6 against the insulating layer. In the embodiments of Figures 17 and 19 to 21, the vacuum or inert gas atmosphere is maintained by means of an encapsulation of the system which is not shown in the figures. The openings 9 therefore do not need to be closed.
Les dispositifs 3 des figures 17 et 19 à 22 correspondent par exemple aux dispositifs 3 des figures 2 à 16 sectionnés selon un plan perpendiculaire au plan des couches. Chaque dispositif 3 des figures 17 et 19 à 22 correspond alors un demi-dispositif 3 des figures 2 à 16.Devices 3 in Figures 17 and 19 to 22 correspond, for example, to devices 3 in Figures 2 to 16 sectioned along a plane perpendicular to the plane of the layers. Each device 3 in Figures 17 and 19 to 22 then corresponds to half of device 3 in Figures 2 to 16.
Les dispositifs de protection 3 sont répartis de manière à former une pluralité de chaînes 31 de dispositifs dites « chaînes de protection ». Chaque chaîne de protection 31 peut comprendre un seul dispositif 3 ou une pluralité de dispositifs 3. Au sein de chaque chaîne 31, les dispositifs 3 sont électriquement connectés en série. Par électriquement connecté en série, on entend une connexion entre une deuxième électrode 6 d’un premier dispositif 3 et une première électrode 4 d’un deuxième dispositif 3. De la sorte, une première électrode 4 d’un premier dispositif 3 extrémal forme une extrémité de la chaîne 31 et une deuxième électrode 6 d’un deuxième dispositif extrémal de la chaîne 31 forme une autre extrémité de la chaîne 31. Dans le cas où une chaîne ne comprend qu’un seul dispositif 3, les première et deuxième électrodes 4, 6 dudit dispositif 3 forme les extrémités de la chaîne 31.The protective devices 3 are arranged to form a plurality of chains 31 of devices, referred to as "protection chains." Each protection chain 31 may comprise a single device 3 or a plurality of devices 3. Within each chain 31, the devices 3 are electrically connected in series. Electrically connected in series means a connection between a second electrode 6 of a first device 3 and a first electrode 4 of a second device 3. Thus, a first electrode 4 of a first extremity device 3 forms one end of the chain 31, and a second electrode 6 of a second extremity device of the chain 31 forms the other end of the chain 31. In the case where a chain comprises only one device 3, the first and second electrodes 4, 6 of said device 3 form the ends of the chain 31.
Les couches conductrices 12, 13 sont connectées deux à deux à une des chaînes 31 de dispositifs. Les couches conductrices 12, 13 et les chaînes de protection 31 forment ainsi une guirlande de couches conductrices 12, 13 jointes par des chaînes de protection 31.The conductive layers 12, 13 are connected in pairs to one of the chains 31 of devices. The conductive layers 12, 13 and the protective chains 31 thus form a garland of conductive layers 12, 13 joined by protective chains 31.
Le système 30 forme ainsi un assemblage de dispositifs 3. Selon les paires de couches conductrices connectées, il est possible de connecter une ou plusieurs chaînes en série et/ou en parallèle (une connexion parallèle peut être obtenue en court-circuitant dans les chaînes, par exemple en les connectant de sorte que les extrémités des deux chaînes 31 soient connectées deux à deux). Une connexion série ajoute les tensions de seuil des dispositifs 3 formant les chaînes 31. Une connexion parallèle ajoute les courants limites des dispositifs 3 formant les chaînes 31. La tension de seuil et/ou le courant limite peuvent ainsi être adaptés à l’utilisation qui est visée. La configuration de ces associations parallèle ou série des chaînes peut se faire par l’intermédiaire d’un boîtier d’encapsulation externe de la structure 30.The system 30 thus forms an assembly of devices 3. Depending on the pairs of conductive layers connected, it is possible to connect one or more chains in series and/or in parallel (a parallel connection can be obtained by short-circuiting the chains, for example, by connecting them so that the ends of the two chains 31 are connected in pairs). A series connection adds the threshold voltages of the devices 3 forming the chains 31. A parallel connection adds the limiting currents of the devices 3 forming the chains 31. The threshold voltage and/or the limiting current can thus be adapted to the intended use. The configuration of these parallel or series combinations of the chains can be done via an external encapsulation housing for the structure 30.
La
Pour former une chaîne 31, dont les dispositifs 3 sont connectés en série, les dispositifs 3 d’une même chaîne 31 peuvent être disposés les uns sur les autres, formant un empilement de dispositifs. Dans les modes de réalisation des figures 17 et 19 à 22, les dispositifs 3 sont bidirectionnels. C’est-à-dire que la tension de seuil de chaque dispositif ne dépend pas du sens de polarisation de la tension appliquées sur ses électrodes 4, 6. Les électrodes 4, 6 des dispositifs connectés les uns aux autres présentent par exemple des dopages de même type. Les électrodes 4, 6 entre deux dispositifs sont donc mutualisées. Deux électrodes 4, 6 de deux dispositifs 3 connectés en série forment par exemple une seule et même couche. Les chaînes 31 de dispositifs peuvent ainsi présenter un encombrement réduit.To form a chain 31, whose devices 3 are connected in series, the devices 3 of the same chain 31 can be arranged one on top of the other, forming a stack of devices. In the embodiments shown in Figures 17 and 19 to 22, the devices 3 are bidirectional. That is to say, the threshold voltage of each device does not depend on the direction of the voltage applied to its electrodes 4, 6. The electrodes 4, 6 of the interconnected devices, for example, have the same type of doping. The electrodes 4, 6 between two devices are therefore shared. Two electrodes 4, 6 of two devices 3 connected in series, for example, form a single layer. The chains 31 of devices can thus have a reduced footprint.
Les dispositifs 3 de chaque chaîne 31 peuvent être empilés les uns sur les autres de manière à former des chaînes orientées perpendiculairement au plan des couches. Cet agencement permet de disposer les chaînes 31 les unes à côté des autres. Elles sont par exemple disposées côte à côte deux à deux. Elles peuvent également être agencées selon un réseau carré ou rectangulaire en étant disposées les unes à côté des autres.The devices 3 of each chain 31 can be stacked one on top of the other to form chains oriented perpendicular to the plane of the layers. This arrangement allows the chains 31 to be placed side by side. For example, they are arranged side by side in pairs. They can also be arranged in a square or rectangular grid by being placed next to each other.
Les chaînes 31 de dispositifs sont préférentiellement connectées en série entre elles. Les couches conductrices 12, 13 peuvent servir de connexions électriques entre les chaînes 31.The chains 31 of devices are preferably connected in series with each other. The conductive layers 12, 13 can serve as electrical connections between the chains 31.
Deux dispositifs 3 appartenant à des chaînes 31 différentes mais adjacentes peuvent partager des couches en commun. Ils peuvent par exemple partager une même couche pour former une électrode. Il peut s’agir d’une même première électrode 4 (par exemple tel qu’illustré sur les modes de réalisation des figures 18 à 20) ou d’une même deuxième électrode 6. Les couches pouvant être communes sont préférentiellement les couches en contact avec une des couches conductrice 12, 13.Two devices 3 belonging to different but adjacent chains 31 may share common layers. For example, they may share the same layer to form an electrode. This may be the same first electrode 4 (for example, as illustrated in the embodiments of Figures 18 to 20) or the same second electrode 6. The layers that may be shared are preferably those in contact with one of the conductive layers 12, 13.
L’utilisation d’une couche commune entre deux chaînes 31 permet de réduire davantage l’encombrement du système 30. En effet, il n’est pas nécessaire de recourir à un moyen de connexion complémentaire pour réaliser la connexion électrique des chaînes entre elles.The use of a common layer between two chains 31 makes it possible to further reduce the bulk of the system 30. Indeed, it is not necessary to use an additional means of connection to make the electrical connection of the chains together.
Deux dispositifs 3 appartenant à des chaînes différentes mais adjacentes peuvent également partager une même couche isolante. Cette couche isolante sépare les électrodes 4, 6 d’un premier dispositif 3 et s’étend jusqu’à un deuxième dispositif 3 pour séparer ses électrodes 4, 6. Ainsi, deux ouvertures 9 peuvent être pratiquées dans une même couche isolante 8.Two devices 3 belonging to different but adjacent chains can also share the same insulating layer. This insulating layer separates the electrodes 4, 6 of a first device 3 and extends to a second device 3 to separate its electrodes 4, 6. Thus, two openings 9 can be made in the same insulating layer 8.
L’invention concerne en outre un circuit électronique comprenant un système de protection 30 et un composant électronique C1 à protéger. Différents modes de réalisation dudit circuit sont illustrés par les figures 19 à 22.The invention further relates to an electronic circuit comprising a protection system 30 and an electronic component C1 to be protected. Different embodiments of said circuit are illustrated in Figures 19 to 22.
De manière commune aux modes de réalisation des figures 19 à 21, le premier composant électronique C1 comprend une première borne 32 et une deuxième borne 33. Le système de protection 30 comprend douze dispositifs 3 répartis entre six chaînes de protection 31. Le système de protection 30 comprend également sept couches conductrices 12, 13 connectées au moyen des six chaînes 31.Common to the embodiments of Figures 19 to 21, the first electronic component C1 comprises a first terminal 32 and a second terminal 33. The protection system 30 comprises twelve devices 3 distributed among six protection chains 31. The protection system 30 also comprises seven conductive layers 12, 13 connected by means of the six chains 31.
Dans ces modes de réalisation le système de protection 30 est connecté en parallèle entre les première et deuxième bornes 32, 33 du composant C1. Une première couche conductrice 12 est connectée à la première borne 32 et une deuxième couche conductrice 13 est connectée à la deuxième borne 32.In these embodiments, the protection system 30 is connected in parallel between the first and second terminals 32, 33 of component C1. A first conductive layer 12 is connected to the first terminal 32 and a second conductive layer 13 is connected to the second terminal 32.
Dans la
Dans le mode de réalisation de la
La
Dans la
Le composant électronique C1 est connecté en parallèle du système de protection 30. Les première et deuxième bornes 32, 33 du composant C1 sont respectivement connectées aux premières couches conductrices 12 et à la deuxième couche conductrice 13 du système de protection 30. Ainsi, le composant C1 est connecté en parallèle des deux chaînes de protection 31 du système de protection 30.The electronic component C1 is connected in parallel with the protection system 30. The first and second terminals 32, 33 of component C1 are respectively connected to the first conductive layers 12 and the second conductive layer 13 of the protection system 30. Thus, component C1 is connected in parallel with the two protection chains 31 of the protection system 30.
Le système de protection 30’ supplémentaire permet ainsi de limiter le courant circulant entre le potentiel VINet la masse. Il permet de la sorte de limiter le courant circulant dans le composant C1. Le système de protection 30 permet d’écrêter la tension aux bornes 32, 33 du composant C1.The additional protection system 30' thus limits the current flowing between the potential V IN and ground. It therefore limits the current flowing through component C1. The protection system 30 also limits the voltage across terminals 32 and 33 of component C1.
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