Brevet FR2040367A1 — publié le 19710122

-1- 2040367 La présente invention se rapporte à des dispositifs de conservation de charges électriques comportant une cible dans laquelle les porteurs électrisés à conserver sont engendrés par absorption de lumière dans une plaquette semiconductrice. 1 II existe une grande variéfeé de dispositifs de conservation de charges photosensibles'utilisant une cible de conservation de charges. Dans ces cibles, les charges conservées sont générale -ment engendrées dans la masse d'un semi-conducteur par absorption de lumière® Les porteurs engendrés par une lumière ayant 10 une longueur d'onde relativement courte, c'est à dire par la lu-nière bleue, se développent généralement près de la surface éclairée du semiconducteur, tandis que les porteurs engendrés par une lumière ayant une longueur d'onde relativement grandet telle que là lumière rouge, se forissat généralement plus loin : 15 de la surface et plus profondémest à 1»intérieur du semiconducteur* Dans les tubes de prise de vues vidicon, la cible est géné-raleaent constituée par une mince plaquette de silicium dont l'une des grandes faces est éclairée par la lumière. La grande 20 face opposée à la surface éclairée est pourvue d'un ensemble comprenant de nombreuses diodes et-d'une structure associée à celles-ci. Un faisceau électronique balaie ou analyse la structure associée et produit des électrons qui sont conservés dans les diodes. Les lacunes engendrées dans la plaquette sèmiconduc-25 triée par la lumière absorbée diffusent à travers l'épaisseur de la cible vers les diodes.où elles sont collectées et diminuent le nombre des•électrons contenus dans celles-ci. Lorsque le faisceau d'analyse atteint les diodes, un signal vidéo est produit dans la plaquette relativement conductrice de la cible. 30 Les caractéristiques de la surface éclairée de la plaquette dé silicium sont telles que les porteurs électrisés minoritaires mobiles au sein et près de la surface de celle-ci se comportent comme s'il y avait une différence de potentiels électriques entre la surface et la masse de la plaquette. XI en résulte 35 que les lacunes engendrées près de la surface de la plaquette de silicium ont une grande vitesse de recombinaison. Elles se propagent facilement vers la surface et s'y recombinent avec les - électrons dans les nombreux centres de recombinaison généralement présents aux surfaces de silicium nues. 70 15451 XI en résulte une médiocre sensibilité de la cible à la lumière bleue. Un procédé antérieur pour diminuer la vitesse de recombi— naison et, ainsi, augmenter la sensibilité au bleu des cible» 5 à diodes en silicium, consiste â couvrir la surface éclairée - c. de celles-ci d'une mince couche transparente de bioxyde de silicium. Cette couche agit comme une couche anti-réfléchissante sur la-lumière incidente quand son épaisseur est correctement calculée. De plus, cette couche transparente forme également 10 une couche de passivation qui diminue la vitesse de recombinaison dans la masse en réduisant la concentration des centres de recontbinaison à la surface et en donnant au potentiel de surface une valeur plus positive. Ce potentiel superficiel plus élev4 améliore la sensibilité au bleu de la cible, mais seulement d&ns 15 une mesure limitée,, Or, dans .de nombreuses applications des tta— > bes vidicon, on a besoin d'une sensibilité au bleu'. qui soit du même.ordre que sa sensibilité au rouge. Le nouveau dispositif selon l'invention comporte une cibla constituée par une plaquette semiconductrice ayant une grande 20 face et une région intérieure ayant un mode de conduction particulier. Cette grande face est pourvue d'une couche de matière transparente contenant une grande concentration de charges non-mobiles dont la polarité est du signe contraire de celle de la région intérieure. La présence d'une grandé concentration de 25 charges dans cette.couche diminue effectivement la vitesse de recombinaison superficielle des porteurs minoritaires dans la région de la plaquette voisine de la grande face# L'un des effets des charges ^on-mobiles est de modifier le potentiel de surface au point d'éliminer presque entièrement la 30 recombinaison superficièlle des porteurs minoritaires de la pla-quette. A la différence des couches.de passivation transparentes antérieures, qui n'ont qu'une efficacité limitée, du fait qu* elles ne peuvent modifier le potentiel de surface que grS.ce aux propriétés inhérentes de la matière constituant la plaquette èt 35 de l'interface entre elles et cette matière, la présente invention, qui prévoit une concentration élevée de charges non-mobiles dans la couche transparente, a une action plus vaste. De plus, la concentration des charges non-mobiles excédentaires de la couche transparente peut être choisie pour produire la COPY 70 15451 r-3- 2040367 vtësse de recombinaison superficielle désirée, entre des limites relativement étendues. De cette manière', le rapport des sensibilités entre le bleu et le rouge d'une cible donnée peut être déterminé à 1'avance pour lui donner la valeur optimale ■ 5 convenant à l'application envisagée. Sans diminuer l'efficacité des charges non-mobiles contenues dans la couche transparente, l'épaisseur de celle-ci peut être.déterminée de façon à constituer une couche antiréfléchissante pour la lumière frappant la cible. . 10 La couche transparente peut être formée sur la face éclai rée de la cible en même temps qie les diodes sont produites sur la face analysée de celle-ci. Aucun traitement thermique supplémentaire, autre que ceux normalement nécessaires pour former une cible à diodés normales, n'est nécessaire pour produire la cou-15 che transparente de la présente invention. Les performances des diodes de la cible ne sont pas affectées par l'addition de la couche en question. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement a 20 titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : la fig.l est une vue en coupe longitudinale d'un tube de prise de vues vidicon perfectionné utilisant l'invention; la fig.2 est une vue en coupe partielle à plus grande 25 échelle de la cible du tube de la fig.l} la.fig.3 est un diagramme de bandes d'énergie illustrant les caractéristiques d'une cible de la technique antérieure et de la cible de la fig.2; et la fig.4 est un graphique illustrant les performances d'une 30 cible de la technique antérieure.et de la cible de la fig.2«> En- se référant à la fig.l, on voit un tube de prise de vues '10 du type vidicon qui comprend une enveloppe évacuée 12 comportant une plaque frontale transparente 14 à l'une de ses extrémités, et un canon à électrons 15 monté à l'intérieur de l'enve-35 loppe 12 pour produire un faisceau électronique 18. Une cible 20, montée sur un séparateur de céramique 22, est placée près de la surface intérieure:de la plaque frontale'14. Des môyèns magnétiques (non représentés) peuvent être disposés à l'extérieur de-l'enveloppe 12 pour concentrer le faisceau électronique 18 sur COPYj 70 15451 -4- 2040367 la cible 20 et pour l'obliger à balayer la surface de cette dernière. La cible 20, dont un fragment est représenté sur la fig.2, est une cible de silicium à photodiodes comportant une région 5 principale 24 constituée par une plaquette monocristalline de silicium élémentaire ayant deux grandes faces opposées 26 et 28# La grande face 26 est la surface éclairée, tandis que la seconde grande face 28 est la surface analysée ou balayée. Sur la face analysée 28 de la plaquette 24 est formé un en-10 semble ou un alignement de diodes de conservation de charges 30. Une couche isolante 32 de bioxyde de silicium est apposée sur la face analysée 28, entre les diodes 30, pour protéger la plaquette 24 du faisceau électronique d'analyse 18, Des couverture* de contact 34 en silicium p couvrant les surfaces p des diodes 15 30 et débordent sur la couche isolante 32 entourant ces dernières. Ces couvertures 34 améliorent le contact antre le faisceau d'analyse 18 et les diodes 30. La face éclairée 26 est couverte d'une couche transparente 36 de bioxyde de silicium (SiÛ2) contenant une grande concentra.-20 tion de porteurs électrisés positifs non-mobiles 38, L'épaisseur de la couche transparente 36 est calculée pour conférer à la cible des propriétés anti-réfléchissantes à la lumière dans le spectre visible», La cible 20 peut être fabriquée comme suit : on utilité une 25 plaquette ronde de silicium monocristallin de type n extrifcement pur d'environ 25 mm de diamètre, ayant une résistivité d'environ 160 ohms/cm, et une concentration d'impuretés n. d'environ 13 3 3.10 atomes/cm et dont les grandes faces sont orientées dans le plan du cristal, et on couvre l'une de ses grandes 30 faces d'une couche isolante 32 de bioxyde de silicium (SiOg) d'environ 1 ja d'épaisseur présentant un ensemble dense d'ouvertures discrètes qui laissent à découvert la surface de la plaquette de base 24. Ces ouvertures, qui sont rondes, ont un diamètre d'environ 7 yu et sont espacées d'environ 25 yu de centre 35 à centre. Des couvertures de contact 34 en silicium sont formées dans les ouvertures de façon à couvrir la plaquette de base 24 en débordcint sur la couche isolante 32 entourant ces ouvertures» Les couvertures 34 contiennent du bore afin de modifier le mode de conduction de la plaquette 24 à l'endroit où elles sont au 70 15451 -5- 2040367 contact de celle-ci. On amincit maintenant la plaquette de façon à réduire son pourtour à une épaisseur d'environ 125 p. et à lui donner une épaisseur relativement uniforme d'environ 15p. dans une 5 région centrale circulaire d'environ 16 mm de diamètre» Ce résultat est obtenu en décapant par voie chimique une cuvette peu profonde dans la partie centrale de la grande face opposée à celle portant les couvertures 34® La plaquette, pourvue de la couche isolante 32 et des couvertures de contact 34, est sou— 10 mise à une première cuisson à 1200*C dans une atmosphère d'oxygène pur sous une pression normale pendant environ 5 minuteso Ensuite, on ajoute du chlorure d'hydrogène de façon à obtenir une atmosphère contenant 1 % de chlorure d'hydrogène et 99 % d'oxygène» On poursuit la cuisson dans cette atmosphère à 1200°C 15 pendant 10 minutes® Ensuite,, on refroidit la plaquette progressivement à environ 700®C en l'espace de plusieurs heures, tout en la laissant dans- l'atmosphère de 1 % de chlorure d'hydrogène et de 99 % d'oxygène. Quand la plaquette atteint la température de 700*C, on remplace l'atmosphère précédente par de l'oxygène 20 pur- et•on la retire immédiatement dans 1 * atmosphère normale à la température ambiante. Quand la plaquette a atteint approximativement la température ambiante, on la place directement dans une atmosphère d'hydrogène pur à 500*C pendant H heure. Ensuite, on la retira à nouveau et on la laisse refroidir rapidement à la 25 température ambiante dans une atmosphère normales Pendant la période de cuisson à 1200°C, les ions bore des couvertures 34 diffusent dans la région de la plaquette de base . 24 qui est. au contact de celles-ci et confèrent à la plaquette de base -24 une conduction p à une profondeur d'environ 3 p. a 30 Cette diffusion entre phases solides a pour résultat de former un ensemble de jonctions p-n constituant des diodes de conservation de charges 30 dans la face analysée 28 de la cible 20. En même temps, la couche transparente de bioxyde de silicium 36, O dont l'épaisseur est d'environ 1500 A et qui contient une concen-35 tration élevée de charges positives non-mobiles 38, est formée à la surface éclairée 26 de la cible 20o Ces charges 38 sont proches de l'interface 40 entre la couche transparente 36 et la plaquette de base 24o 11 Les charges 38. ont une densité de l'ordre de 2«10 à 70 15451 —6— 2040367 11 2 4.10 charges positives/cm de la couche transparente 36, et sont présumées dues aux ions silicium de la couche transparente 36 qui ont des électrons de valence qui ne sont pas liés aux atomes environnants et qui font défaut à la région immédiatement 5 voisine. On suppose qu'en principe chacun de ces ions a un excès d'une seule charge positive 38. Ces ions, peuvent être incorporés dans la couche d'oxyde d'un cristal de silicium ayant une orientation quelconque, telle que O Oy> , par exemple, peur le même procédé que celui décrit ci-dessus pour le cas d'un cristal 10 ayant une orientation ^ 1 1 . Après que la plaquette a subi le traitement, thermique ci-dessus, le bioxyde de silicium qui s'est foraui sur les couvertures 34 est enlevé par un décapage dans une solution d'acide fluorhydrique. On amincit ensuite la coùche transparente 36 jus-15 qu'à environ 0,08 aussi par un décapage dans une solution "diacide fluorhydrique. Cette épaisseur confère à la couche transparente 36 des propriétés anti-réfléchissautes de la lumière visible, principalement dans la région vért-bleu du spectre. La solution d'acide fluorhydrique utilisée pour le décapage de la 20 surface analysée .28 et de la couche transparente 36 peut, par exemple, être une solution d'acide fluorhydrique "tamponnée" ou line solution composée de 100 grammes de fluorure d'ammonium 3' 3 (NH^F), de 150 cm d'eau et de 28 cm d'une solution liquide de fluorure d'hydrogène comprenant 48 % de fluorure d'hydrogène en 25 poids (et ayant une densité de 1,2), ( Bien que l'action des charges positives excédentaires non-mobiles 38 de la couche transparente 36 ne soit pas encore parfaitement comprise, on peut cependant imaginer la théorie suivante pour faciliter la compréhension de i'inventionî les charges 30 excédentaires 38 créent un puissant champ électrique positif près de l'interface 40. Ce champ tend à attirer les électrons de la plaquette 24 près de l'interface 40 en y formant une région d'accumulation.," Ces électrons remplissent les lacunes et les centrés de recombinaison de la région d'accumulation. En même temps, ce 35 champ tend à empêcher les lacunes d'approcher de la surface,» Lorsque les lacunes sont moins susceptibles de se recombiner à l'interface 40, il y. a une probabilité beaucoup plus grande pour qu'elles diffusent vers l'unedes diodes 30 situées de l'autre c&té de la cible 20 et qu'il en résulte, éventuellement," un l copy 70 15451 -7~ 2040367 signal. Ainsi, la sensibilité de la cible 20 est augmentée pour les courtes longueurs d'onde. La courbe en tirets du diagramme d'énergie de la fig.3 illustre, de manière classique, l'allure de la bande de valence 5 et de la bande de conduction dans la plaquette d'iine cible de la technique antérieure lorsqu'on approche de l'interface. Cette cible antérieure a une structure générale analogue à celle du mode de réalisation préféré de l'invention, mais ne comporte pas de charges mobiles excédentaires dans sa couche transparente. La 10 légère courbure vers le bas des bandes de valence et de conduction dans les cibles de la technique antérieure est principalement à attribuer à la présence de l'interface. La discontinuité à l'interface a pour résultat de créer un gradient de potentiels dans la masse de silicium voisine. La courbure vers le bas peut 15 aussi être partiellement attribuée à la présence d'une concentration relativement faible de charges positives qui peuvent être fortuitement incluses dans la couche transparente pendant les traitements normaux. D'autre part, les bandes de valence et de conduction 42 et 20 44, que montre également la fig.3, illustrent l'effet d'une grande concentration de charges non-mobiles positives sur la vitesse de recombinaison des lacunes dans la plaquette 24, près de l'interface 40 dans le mode de réalisation préféré. La courbure vers le bas de la bande de valence 42 indique que lorsqu'on 25 approche de l'interface 40, les lacunes sont repoussées par les charges excédentaires 38 de la couche transparente 36. La vitesse de recombinaison dans la région de l'interface 40 de la plaquette 24/poiftée d'environ 1 cm/sec^ à environ 10 cm/sec^ par suite de la présence des charges excédentaires 38. 30 La courbe .en tirets du graphique de la, fig.4 illustre gros sièrement l'efficacité quantique (Q.E.) d'une cible antérieure en fonction de la longueur d'onde exprimée en microns de la lumière incidente. On voit que l'efficacité quantique, qui exprime le nombre de paires électron-lacune collectées à une diode de 35 conservation par photon de la lumière incidente, décroît sensiblement dans la région des courtes longueurs d'onde. La courbe 46 de la même figure illustre., de la même façon, le rapport entre la longueur. d'onde- de la lumière incidente-, et l'efficacité quantique de la cible 20 .selon l'invention. On voit que dans le cas COPY 70 1545-1 *-8— 2040367 de la cible 20 de 1 Invention, l'efficacité quantique est nettement plus élevée et presque constante dans la région des courtes longueurs d'onde du spectre visible (de 0,45 p. à environ 0,75yU). En effet, les charges non-mobiles 38 de la couche transparente 5 36 réduisent la vitesse de recombinaison dans la région de l'in- . p terface 40 de la plaquette 24 d'environ 1 cm/sec à environ 2 10 cm/sec . Avec une vitesse de recombinaison aussi basse, les lacunes qui se forment près de l'interface 40 ont sensiblement la même chance que les lacunes formées plus profondément à l'in-10 térieur de la plaquette 24 d'atteindre les diodes de conservation 30, d'autant plus que l'épaisseur de la plaquette 24 est de l'ordre d'une longueur de diffusion des lacunes dans cette plaquette 24. XI en résulte que la réponse à la lumière bleue de la cible 20 peut être aussi bonne, sinon meilleure, que sa réponse 15 au rouge. Par ailleurs, bien que l'indice de réfraction de la couche transparente 36 ne soit pas idéal pour assurer le couplage optique entre le silicium, d'une part, et le verre ou le vide de l'autre, cet indice, ainsi que ses caractéristiques de transmission optique aux rayons infra-rouges proches et à la lumière 20 visible sont suffisamment voisins des valeurs idéales pour qu'elle puisse parfaitement servir de couche anti-réfléchissante» Dans le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus, la couche transpatente 36 est constituée par une seule couche de bioxyde de silicium, mais plusieurs couches pourraient également 25 être utilisées. Un nombre suffisant de charges doivent être incluses dans cette ou ces couches pour augmenter la sensibilité de la cible 20 de la manière décrite ci—contre. De plus, des couches ayant une autre composition pourraient être superposées à la couche transparente 36 à d'autres fins ou pour améliorer les 30 propriétés de cette dernière. C'est ainsi, par exemple, qu'une seconde couche de couplage pourrait être disposée sur la couche transparente 36 pour assurer un couplage optique plus efficace avec le vide0 La concentration élevée de charges non-mobiles 38 dont il 35 a été fait mention ici entend désigner une concentration suffisamment grande pour empêcher toute recombinaison appréciable des porteurs minoritaires à l'interface 40. Pour une cible vidi- 11 2 con, une concentration de l'ordre d'au moins 3.10 ions/cm de la couche transparente est préférable. Bien que la technique 70 .15451 -9- 2040367 pour incorporer les charges 38 ait été décrite comme consistant en une cuisson dans une atmosphère d»oxygène sec, l'invention n'est nullement limitée à ce procédé, mais entend, au contraire, inclure les charges incorporées d'une autre manière quelconque 5 assurant une concentration élevée. Ces autres modes d'incorporation des charges dans des couches isolantes peuvent consister, par exemple, en des traitements chimiques spéciaux ou en un bombardement avec des particules électrisées animées d'une grande vitesse. Bien que l'on présume à l'heure actuelle que les charges 10 38 soient dues à la présence d'ions silicium, il pourrait y avoir d'autres ions produisant les charges contenues dans la couche transparente 36» La couche transparente 36 pourrait également être formée d'autres matières isolantes que le bioxydû de silicium, comme par exemple la nitrure de .silicium ou 18 o::yde 15 d'aluminium* Au cours de la description du mode de réalisation préféré de l'invention, il a été dit que pendant la fabrication de la cible 20, le refroidissement de la plaquette de 12C0°C à 700®C est progressif et s'étend sur une période de plusieurs heures, 20 On ne sait pas exactement dans quelle mesure cette vitesse de refroidissement est critique. La fabrication du mode de réalisation préféré de l'invention a été réalisé en faisant subir à la plaquette une cuisson dans uri four classique pour le traitement par la chaleur de disppsitifs semiconducteurs. Ce refroidisse-25 ment a été effectué en ramenant simplement le réglage du thermostat du four de 1200 à 700®C et en laissant la four se refroidir naturellement à 700*C. Alors que la température du four s' abaisse aux environs de-700 à 80Q®C en 1'espace de 2 à 4 heures, on laisse normalement la plaquette dans le four toute la nuit 30 à cette température avant de la refroidir à la température ambiante. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, des couvertures de contact 34 sont prévues sur les diodes 30, mais les moyens de conservation de charges présents sur la. surface 35 analysée 28 sont en réalité sans importance pour la mise en pratique de l'invention, à condition que le fonctionnement de ces moyens de conservation de charges soit dépendant de l'arrivée près de la surface analysée 28 de porteurs électrisés formés dans la plaquette de base 24 par absorption de lumière. De plus, 7015451 -10" 2040367 la cible 20 n'a pas besoin de comporter une plaquette 24 du type n, celle-ci pouvant tout aussi bien être du type p, auquel cas la cible opèrev de façon classique, par émission secondaire» Dans un tel cas, les charges 38 incorporées dans la couche trans-5 parente 36 de la surface éclairée 26 doivent être négatives au lieu de positives, coinme c'était, le cas dans le rsode de réalisation ci-dessus» C'est, ainsi, par exemple, que les ions négatif® po(2rraient être inclus dans cette couche isolante sous la forise droxyde d'aluminium (AlgO^), qui lui aussi es% transparent à la ÎO lussière visible® En générai f le polarité des charges non-mobilas doit être le contraire de celle du. mode de conduction de la plaquette de. la cible, ' afin que leii porteurs minoritaires -de la plaquette.soient repoussés par ces charges. L»invention s'applique également aux dispositifs de détec-15 tioïi à structure solide et e-œt tubes .électroniques, puisqua la -phénomène de • la génération des porteurs élestrisés est, dans X«s deux cas, essentiellement identique» D'une manière générale, on peut faire fonctionner las sodas de réalisation de l'invention avec les tensions et l®s firéquaheaa 20 normalement utilisées pour les dispositifs de ce typa. La cibla 2Q est compatible avec les structures existantes et ne nécessita aucun traitement spécial pour fonctionner de façon satisfaisante. 70 15451 -11- 2040367 REVENDICATIONS . 1) Cible pour un dispositif de conservation de charges électriques, caractérisée en ce qu'elle comprend une plaquette semi-conductrice ayant une grande face et une région intérieure pré- 5 sentant un mode de conduction déterminé, la région voisine de ladite face ayant une certaine vitesse de recombinaison des porteurs électrisés minoritaires qui s'y trouvent, et une couche de matière transparente sur ladite grande face, cette matière contenant une concentration élevée de charges non-mobiles dont la 10 polarité est du signe contraire de celle dudit mode de conduction, la présence de cette concentration élevée de charges réduisant effectivement ladite vitesse de recombinaison superficielle» 2) Cible selon la revendication 1 dans laquelle lesdites charges non-mobiles sont constituées essentiellement par des 15 ions silicium positifs. 3) Cible selon la revendication 1 dans laquelle ladite con- 1 "1 centration élevée de charges est comprise entre 3,10 et envi- 12 2 ron 5.10 . charges/cm de ladite couche. 4) Cible selon la revendication 1, adaptée à être utilisée 20 dans un tube de prise de vue de télévision qui comprend en plus de la cible spécifiée, des moyens pour focaliser de l'énergie de rayonnement à travers ladite couche de matière transparente sur ladite région intérieure, cette énergie résultant de la formation de porteurs électrisés mobiles dans ladite région, lesdits por-25 teurs ayant tendance à" se recombiner près de ladite grande face, la concentration élevée de charges non-mobiles dans ladite matière transparente réduisant effectivement cette tendance et modifiant la sensibilité de ladite cible à ladite énergie de rayonnement. 30 5) Tube de prise de vues selon la revendication 4 dans le quel ladite concentration élevée de charges non-mobiles est com- 11 12 2 ptise entre 3.10 et 5.10 charges /cm de ladite matière transparente