Brevet FR2050239A1 — publié le 19710402

La présente invention concerne un dispositif pour la détection de rayonnements ionisants comprenant un scin tillateur et une photodiode à jonction détectrice formée dans un corps semi-conducteur. On sait que les détecteurs semi-conducteurs de particules ionisantes comportent soit deux régions de types de conduction opposés formant une jonction PN, soit deux régions de types de conduction opposés séparées par une région dite intrinsèque formant ainsi une structure NIP. Dans ces deux cas, les rayonnements frappant les détecteum créent à l'intérieur de ces derniers des paires électron-trou qui engendrent elles-memes un courant que l'on peut enregistrer à l'aide d'un appareillage approprié. Toutefois, ces détecteurs ne peuvent pas être utilisés dans toutes les applications : par exemple, en raison du matériau choisi, leur survie n'est possible que dans des conditions de températures limitées d'une manière précise, ce qui exclut notamment leur emploi à la température ambiante. De plus, l'efficacité de tels détecteurs est liée à la quantité de particules absorbées par le matériau semiconducteur, ce qui conduit, en particulier dans le cas des détecteurs de structure NIP, à réaliser des dispositifs de dimensions importantes. On connaft également des dispositifs photosensibles de faibles dimensions utilisables à la température ambiante, mais ces dispositifs, appelés couramment photodiodes, ont une efficacité trop faible lorsqu'il s'agit de détecter des rayonnement d'énergie relativement élevée et sont surtout sensibles aux photons. Pour remédier à cet inconvénient, on associe donc lesdites photodiodes à des scintillateurs qui ont la propriété d'émettre des photons sous l'influence de rayonnements ionisants. On connaît, par exemple, des dispositifs formés d'une photodiode à jonction ou à barrière de surface sur la face active de laquelle on fixe un scintillateur dont la nature du matériau est choisie en fonction du rayonnement que l'on désire capter. Généralement, le scintillateur est collé directement sur la face active de la photodiode ; cependant, dans certaines applications, on intercale entre ladite face et le scintillateur, un guide de lumière. Dans l'un et l'autre cas, la collecte par la photodiode des photons émis par le scintillateur reste faible; en effet, seuls les photons traversant la face du scintillateur disposée sur la photodiode spnt absorbés par celle-ci et créent des paires électronstrous, tandis que les photons émis par les autres faces sont perdus. La présente invention a pour but de réaliser un tel dispositif dans lequel l'efficacité de détection est rendue optimale. Selon l'invention, le dispositif pour la détection de rayonnements ionisants comprenant un scintillateur et une photodiode à jonction détectrice formée dans un corps semiconducteur, est caractérisée en ce que ledit corps comporte un puits débouchant dans la face de la photodiode dirigée vers les rayonnements incidents et enveloppé par la jonction détectrice, le scintillateur étant logé dans ledit puits. Un tel dispositif de détection de rayonnements ionisants est utilisable dans une large gamme de températures et, notamment, à la température ambiante et il a un rendement nettement supérieur à celui des détecteurs déjà connus. Dans une première forme de réalisation de l'invention, la jonction détectrice est obtenue par création d'une couche d'inversion. Les avantages d'un tel dispositif résident? d'une part, dans la simplicité de la réalisation, d'autre part, dans le fait que l'épaisseur de la couche superficielle recouvrant la jonction étant très faible, les photons parviennent en plus grand nombre sur ladite jonction sans risque d'absorption préalable. Dans une deuxième forme de réalisation de l'invention, la jonctionest-obtenue par diffusion. En raison des progrès réalisés dans la technique de diffusion, il est possible de réaliser, d'une manière reproductible, des diffusions d'une profondeur choisie à l'avance. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure unique montre en coupe schématique un dispositif de détection conforme à l'invention. Il est à noter que les dimensions de ce dispositif sont considérablement exagérées et non proportionnées sur la figure afin de la rendre plus claire. Le dispositif de détection montré par cette figure comporte un corps ou substrat 1 semi-conducteur, par exemple en silicium de type N, dans une face 2 duquel est ménagé un évidement 3 de dimensions et de forme appropriées au scintillateur que l'on désire y insérer. Cet évidement est creusé dans le substrat 1, par exemple à l'aide d'un rodoir associé à un abrasif plus dur que le matériau constituant ce substrat (généralement du carbure de bore) en suspension dans un liquide lubrifiant. Selon une première forme de mise en oeuvre de l'invention, on décape ensuite chimiquement les parois et le fond de 11 évidement 3. Àu contact de l'air ou sous un flux d'oxygène, on crée une couche d'inversion 4, donc de type P dans l'exemple choisi, qui forme avec le substrat 1 une jonction J. Sur la partie de la face 2 du substrat 1 maintenue dans le type de conduction d'origine, donc N, on colle à l'aide d'une laque de mEme type de conduction, un anneau isolant 5 en "Pyrex" entourant l'évidement 3, puis, entre le flanc de cet anneau 5 et la couche d'inversion 4, on forme un congé 6 à l'aide d'une laque de meAme type de conduction que ladite couche d'inversion 4. On recouvre alors les parois latérales et le fond de l'évidement 3 ainsi que la surface extérieure de l'anneau 5 et du congé 6 d'une pellicule d'or 7 qui a pour but, d'une part de renforcer la couche d'inversion 4, d'autre part de former une plage de contact pour la connexion devant assurer la liaison électrique entre ladite couche 4 et l'extérieur. Sur les surfaces apparentes du substrat 1, autres que la face 2, on dépose une couche d'aluminium 8 formant la deuxième plage de contact nécessaire à la polarisation du détecteur ainsi constitué. On colle alors un scintillateur 9 dans l'évidement 3 prévu à cet effet. Dans la deuxième forme de mise en oeuvre de l'inven tion, la couche 4 est obtenue, après décapage des parois et du fond de l'évidement 3, par diffusion d'un dépôt d'impuretés de type de conduction opposé à celui du substrat 1, par exemple du bore dans l'exemple choisi. La suite des opérations est alors identique à celle décrite dans la première forme de mise en oeuvre. Lors du fonctionnement, le détecteur formé par le substrat 1 et la couche 4 est polarisé en inverse : les rayonnements, figurés par les flèches F, tombant sur le scintillateur 9 créent des photons qui sont interceptés par le détecteur dans lequel ils créent des paires électron-trou, ellesmêmes transformées en courant au niveau de la zone désertée formée de part et d'autre de la Jonction J par la polarisation inverse. Dans un tel dispositif, tous les photons créés dans le scintillateur sont détectés et bransformés en courant puisque ce scintillateur est complètement enveloppé par la Jonction J, ce qui augmente donc la sensibilité et l'efficacité de l'ensemble qui présente l'avantage complémentaire de pouvoir fonctionner dans une large gamme de températures et notamment à la température ambiante. REVEl{DICATIONS 1.- Dispositif pour la détection de rayonnements ionisants comprenant un scintillateur et une photodiode à jonction détectrice formée dans un corps semi-conducteur, caractérisé en ce que ledit corps semi-condur eur comporte un puits débouchant dans la face de la photodiode dirigée vers les rayonnements incidents et enveloppé par la Jonction détectrice, le scintillateur étant logé dans ledit puits. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction détectrice est obtenue par création, dans le corps semi-conducteur d'un type de conduction-déter miné, d'une couche dtinversion épousant la forme dudit puits. 3.- Dispositif selon la revendication 1,caractérisé en ce que la jonction détectrice est obtenue par diffusion, à travers le puits, dans le corps semi-conducteur de-type de conduction donné, d'impuretés de type de conduction opposé. -4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1-a paroi du puits est recouverue d'une couche métallique conductrice. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un anneau isolant est disposé sur la face ducorps dans laquelle débouche le puits de façon- à entou-rer ce dernier, ladite couche métallique recouvrant également ledit anneau en étant isolée de ladite face.