Brevet FR2129814A1 — publié le 19721103

La présente invention due aux travaux de Monsieur André PEÏRE-LAVIGNE et de Madame Monique PEYRE-LAVIGNE du Centre de Physique Atomique et Nucléaire de Toulouse, concerne un détecteur à semi-conducteur du type à barrière de surface, conçu notamment pour un fonctionnement en régime 5 d'avalanches. De tels détecteurs sont utilisables en particulier pour la spectrométrie de rayons X de faibles énergies. Ils sont essentiellement constitués, de manière classique, par un substrat de semi-conducteur dopé comportant sur une face un dépôt métallique réalisé notanment en or lorsque 10 le semi-conducteur est du silicium de type N, ou en aluminium, lorsque le semi-conducteur est du silicium de type P. Les contacts ohmiques pour le branchement du détecteur sur un circuit de polarisation de la jonction et d'exploitation des impulsions électriques produites sous l'action d'un rayonnement, sont réalisés d'une 15 part sur le dépôt métallique, notamment d'or ou d'aluminium, et d'autre part sur un dépôt conducteur réalisé sur la face opposée du substrat semiconducteur. L'ensemble est couramment appelé " diode métal-semi-conducteur ". Il est également connu, notamment pour un détecteur destiné à fonctionner en régime d'avalanches,d'améliorer les propriétés spectrométri-20 ques en prévoyant, autour du dépôt métallique ci-dessus mentionné qui constitue une électrode centrale, un autre dépôt métallique de même nature, en forme annulaire, qui constitue un anneau de garde permettant de collecter les courants de fuite et d'induire une couche d'inversion dans la zone entre l'anneau de garde et l'électrode centrale, modifiant ainsi les lignes de 25 champ à la surface du substrat semi-conducteur. La présente invention vise essentiellement à améliorer les caractéristiques de tels détecteurs, avec ou sans anneau de garde, et notamment à augmenter leur durée de vie dans un fonctionnement en régime d'avalanches en minimisant les phénomènes de claquage par effet de bord. 30 Dans ce but, l'invention propose un détecteur à semi-conducteur, du type à barrière de surface notamment pour fonctionnement en régime d'avalanches, comportant un dépôt métallique sur une face d'un substrat de semi-conducteur, qui se caractérise essentiellement en ce que ledit dépôt présente une épaisseur diminuant du centre vers les bords. 35 Selon un mode de réalisation préféré, le détecteur comporte en outre un anneau de garde autour du dépôt métallique constituant une électrode centrale, ledit anneau de garde étant également réalisé par un dépôt métallique dont l'épaisseur diminue progressivement sur chacun des bords. 71 08894 2 2129814 à L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un détecteur à semi-conducteur tel que celui qui vient d'être défini, qui se caractérise essentiellement en ce que le dépôt métallique est réalisé par vaporisation sous vide au travers d'un masque percé d'un trou limité par une 5 surface en biseau ouverte vers le substrat de semi-conducteur. Un tel masque est avantageusement réalisé en silicium avec un biseau dont l'angle est de l'ordre de 45 degrés. L'anneau de garde est éventuellement réalisé d'une manière, analogue en utilisant un masque percé d'un trou de plus grand diamètre, également 10 biseauté, et en disposant un cache sur la partie centrale du substrat semiconducteur. L'invention est illustrée ci-après par la description d'un mode de réalisation particulier choisi à titre d'exemple non limitatif. Cette description se réfère aux figures 1 à 3 dans lesquelles : 15 - la figure 1 montre en coupe un détecteur selon l'invention, - la figure 2 illustre une première étape du procédé de fabrication d'un détecteur concernant la réalisation de l'électrode centrale, -r la figure 3 illustre une autre étape de ce même procédé concernant la réalisation de l'anneau de garde. 20 La figure 1 montre un détecteur selon l'invention dans vin mode de réalisation préféré pour un fonctionnement en régime d'avalanches, le détecteur étant alors du type utilisant du silicium N pour le semi-conducteur et un dépôt d'or. Comme l'illustre la figure, le pavé 1 de silicium N constituant 25 le substrat semi-conducteur, est monté sur une lav'ite 2 à sa périphérie, par collage au moyen d'une couche 3 de résine de type N assurant une protection de surface. Sur la facp inférieure, le pavé comporte un dépôt conducteur 4 en manganèse ou en alliage or-antimoine à 0,7 % d'antimoine, sur lequel est réalisé de manière classique l'un des contacts ohmiques. 30 Sur la face supérieure, il comporte un premier dépôt métallique selon l'axe, constituant l'électrode centrale 5,et un second dépôt en forme annulaire autour de l'électrode centrale, constituant l'anneau de garde 6. Ces deux dépôts sont en or. Ils présentent comme le montre la figure, une épaisseur diminuant sur les bords des dépôts. Du fait de cette 35 diminution d'épaisseur, la résistance de fuite se trouve augmentée vers les bords des dépôts, ce qui empêche le claquage par effet de bord. Des contacts ohmiques sont prévus sur ces deux dépôts, respectivement en 7 et 8, par des couches d'or déposées sur des anneaux 9 et 10 biseautés, en verre ou en une autre substance amorphe. Les anneaux de verre 71 08894 3 2129814 sont collés sur le silicium au moyen de résines de type P en il et 12 qui chevauchent le dépôt d'or de façon à l'isoler des atmosphères extérieures. Entre les deux anneaux de verre, l'anneau de garde est protégé par line couche 13 de résine N surmontée d'une couche 14 de résine P. 5 Pour réaliser un détecteur tel que décrit ci-dessus, on part d'un pavé de silicium N tiré sivant l'axe (l.l.l.) avec une résistivité de base de 5 ohms-cm à 50 ohms.cm. Ce pavé est poli avec des pâtes diamantées de granulométries décroissantes jusqu'à moins de 2 microns pour le dernier polissage. Il est ensuite nettoyé aux ultra-sons et par divers solvants et 10 réactifs (benzène, acétone, alcool éthylique, acide nitrique, acide fluorhy-drique) puis rincé, à l'eau désioniséeet séché. Eïifin, il est attaqué chimiquement pendant vingt minutes dans 0 O -5 un bgin comprenant HF 5cm , CH^ C00H 45 cm, HNO^ fumant 55 cm. Après rinçage, le pavé obtenu présente line épaisseur de 800 microns à 1 mm. 15 Pour réaliser le dépôt métallique d'or constituant l'électrode centrale, le pavé 1 est monté dans un boîtier en graphite 15 (figure 2) et placé dans un dispositif d1évaporation sous vide, au fond d'un tube en acier inoxydable 16, sur un système de chauffage 17- Le vide est porté à 5-10 torr et le pavé est chauffé lentement 20 jusqu'à une température de l'ordre de 350°C, inférieure à celle de la formation de l'eutectique or-silicium. Un fil d'or 18 est chauffé jusqu'à vaporisation au-dessus du tube 16. Le dépôt par vaporisation sous vide est réalisé au travers d'un masque 19 placé à 4 ou 5 mm au-dessus de la surface du pavé. Ce masque est 25 réalisé en silicium et il est percé dans l'axe d'un trou 20 dont le diamètre est défini à 0,1 micron près et qui est limité par une surface en biseau d'angle égal à environ 45°, orientée vers le pavé semi-conducteur. Ce masque est protégé en surface par de l'or déposé par évaporation sous vide. Un masque semblable 21, mais non biseauté, est disposé à 30 l'extrémité supérieure du tube 16, entre le creuset et le pavé, à 5 cm environ de celui-ci. Son orifice central constitue un trou-source pour 1'évaporation de l'or. On réalise ainsi un dépôt d'or présentant une zone centrale de O 2,5 rom de diamètre où l'épaisseur est constante, de l'ordre de 300 A, et 35 sur les bords une zone périphérique de 0,5 nrode largeur où l'épaisseur du dépôt décroit progressivement jusqu'à s'annuler. Après refroidissement, le pavé semi-conducteur est soumis à une autre vaporisation sous vide d'or pour réaliser l'anneau de garde 71 08894 * 2129814 selon le montage illustré par la figure 3- Le dépôt s'effectue selon le même processus que pour l'électrode centrale, en utilisant un masque analogue 25, mais dont l'orifice central présente un diamètre plus grand. Pendant cette opération, le premier dépôt constituant l'électrode centrale 5 est caché au moyen d'un disque 22, en acier, maintenu légèrement écarté du pavé par un anneau de verre 23, mais serré contre ce dernier par l'attraction d'un aimant 24 disposé sous le boîtier 15. Cette seconde étape de vaporisation sous vide, permet de réaliser autour de l'électrode centrale, à 0,2 mm des bords de celle-ci, 10 un anneau de garde de 1 mm de largeur dont l'épaisseur décroît vers les O bords à partir de 150 A au centre. Pour terminer la réalisation du détecteur de la figure 1, le pavé est ensuite collé sur la lavite avec de la résine N sur sa périphérie. Les anneaux de verre sont alors collés successivement avec de la résine P. 15 L'ensemble est ensuite soumis à nouveau à une vaporisation sous vide d'or en" cachant le centre du détecteur pour réaliser sur l'anneau de verre 10, un dépôt permettant le contact électrique avec l'anneau de garde. Après dépôt d'une couche de résine N sur l'anneau de garde, puis d'une couche de résine P, l'ensemble est à nouveau porté dans un dispositif d'évapo-20 ration sous vide pour réaliser sur l'anneau de verre 9 un dépôt d'or constituant le contact ohmique pour l'électrode centrale. Un détecteur tel que décrit ci-dessus a pu être utilisé dans un fonctionnement en régime d'avalanches avec des coefficients de multiplication variant de là 10. La puissance de bruit est environ dix fois 25 plus faible que celle d'une diode classique obtenue par diffusion. Pour la détection des particules alpha de l'américium 241, la résolution était de 0,7 % contre 13 % pour une diode classique. 71 08894 5 2129814 REVENDICATIONS 1. Détecteur à semi-conducteùr, du type à barrière de surface, notamment pour fonctionnement en régime d'avalanches, comportant un dépôt métallique sur une face d'un substrat de semi-conducteur, qui se caractérise en ce que ledit dépôt présente une épaisseur diminuant du centre vers 5 les bords. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé par un anneau de garde autour du dépôt métallique constituant une électrode centrale, ledit anneau de garde étant également réalisé par un dépôt métallique dont l'épaisseur diminue sur chacun des bords. 10 3. Détecteur selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que le substrat est en silicium N et le dépôt métallique en or. 4. Détecteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte autour du dépôt métallique un anneau de verre collé sur le substrat par une résine dopante. 15 5» Détecteur selon la revendication 2, 3 ou 4» caractérisé en ce qu'il comporte une couche de résine de protection sur l'anneau de garde. 6. Procédé de fabrication d'un détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à Sj caractérisé en ce que le ou les dépôts métalliques 20 sont réalisés par vaporisation sous vide au travers d'un masque percé d'un trou limité par une surface en biseau ouverte vers le substrat de semiconducteur. 7« Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le masque est en silicium. 25 8* Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'angle du biseau est de l'ordre de 45 degrés.