Brevet FR2160731A1 — publié le 19730706

La présente invention concerne les photodiodes et, plus particulièrement, les photodiodes réceptrices des télémètres à laser. Un télémètre comprend très schématiquement un générateur laser déclenche émettant une impulsion lumineuse en direction d'une cible, un organe récepteur comprenant principalement une lentille convergente au foyer de laquelle est disposé un élément photosensible délivrant un signal électrique lorsqu'il est illuminé par un écho lumineux, c'est-à-dire la partie de la lumière de l'impulsion lumineuse qui s'est réfléchie sur la cible ; de plus, le télémètre comprend un dispositif électronique qui détermine en fonction, premièrement du temps compris entre le départ de l'impulsion émise par le générateur laser et l'arrivée de l'écho sur l'élément photosensible, deuxièmement de la vitesse de propagation de la lumière, la distance séparant la cible du télémètre. Pour améliorer la réception et la sensibilité sélective du télémètre, l'organe récepteur comprend, entre l'objectif et l'élément photosensible, un diaphragme de champ qui permet ainsi d'éliminer tous les échos lumineux parasites, c'est-àdire les réflexions lumineuses sur d'autres objets, que la cible, qui ont été illuminés par la même impulsion d'illumination. Ces échos lumineux proviennent principalement du fait que les faisceaux lasers divergent et que, si la cible se trouve à une distance relativement grande de l'émetteur laser, les dimensions de la tâche au niveau de la cible sont souvent plus grandes que celles de la cible et, par conséquent, le faisceau lumineux illumine tous les objets qui se trouvent aux alentours de la cible et ce sont ces objets qui donnent naissance à ces réflexions parasites ou échos parasites. Une des solutions retenue pour réaliser un diaphragme de champ a consisté à utiliser la couronne métallique de prise de contact sur la zone photosensible d'une photodiode. En effet, on sait qu'une photodiode est constituée d'un corps semi-conducteur comprenant au moins deux zones de dopage différentes, par exemple P et N, une des deux zones étant constituée par une couche superficielle du corps semi-conducteur et réalisée de façon que l'autre zone entoure la première sauf en surface du corps semiconducteur, et que la frontière entre ces deux zones constituée par la partie de la jonction affleurant en surface présente une forme sensiblement circulaire. La photodiode comprend aussi une couche isolante qui est déposée le long de cette frontière et qui recouvre une partie des deux zones de part et d'autre de celle-ci.Cette couche isolante a plusieurs buts - premièrement de protéger la partie de la jonction en surface du corps semiconducteur pour empecher, notamment, les court-circuits entre les deux zones - deuxièmement de servir de support à une pièce métallique dont une partie débordant de cette couche isolante et venant en contact avec la zone de dopage entourée par la frontière circulaire, permet de constituer, d'une part, l'une des deux électrodes de la photodiode et, d'autre part, le diaphragme de champ de l'organe récepteur du télémètre en limitant la surface photosensible de la diode, en donnant à la bordure intérieure de cette pièce métallique, une forme circulaire. De telles diodes sont parfaitement adaptées pour constituer les éléments photosensibles des organes récepteurs des télémètres. En effet, elles présentent une très bonne sensibilité avec un bruit de fond très faible. Malgré tout, une partie de ce bruit de fond est due à un effet photoélectrique au niveau de la partie de la couche isolante non recouverte par la pièce métallique qui peut recevoir de la lumière des échos lumineux qui donnent naissance à un signal constituant la plus grande partie du bruit de fond. Pour éliminer cet effet parasite, il existe plusieurs solutions ; la première, d'augmenter la surface de la pièce métallique de prise de contact pour qu'elle recouvre et cache entièrement à la lumière la couche isolante mais, dans ce cas, les risques de court-circuit entre les deux zones, augmentent considérablement ainsi d'ailleurs que la capacité parasite. La présente invention a pour but de réaliser une photodiode dans laquelle tous ces inconvénients sont éliminés de façon très simple. La présente invention a pour objet une photodiode réceptrice pour faisceaux lumineux comprenant un corps semiconducteur comportant une première zone d'un premier type de dopage et une seconde zone d'un second type de dopage différent dudit premier dopage, les deux zones affleurant en surface dudit corps semiconducteur; une couche isolante électrique disposée sur au moins une partie dudit élément semiconducteur, le long de la frontière séparant en surface dudit corps semiconducteur les deux zones de différents dopages de façon à recouvrir, au moins partiellement, les surfaces des deux dites zones de part et d'autre de cette dite frontière, le bord de ladite couche délimitant sur l'une des dites zones une surface photosensible pour recevoir ledit faisceau lumineux et des moyens pour prendre un contact électrique respectivement sur la première et la deuxième zones, caractérisée par le fait que ladite couche isolante est constituée par une couche réfléchissante pour la longueur d'onde de la lumière dudit faisceau lumineux tombant sur ladite surface photosensible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante, donnée en regard du dessin annexé à titre illustratif mais nullement limitatif dans lequel - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une photodiode selon l'invention ; - la figure 2 un deuxième mode de réalisation d'une photodiode selon l'invention. Dans les deux figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. La figure 1 représente un mode de réalisation d'une photodiode constituée d'un corps semiconducteur 1 comprenant au moins deux zones 2 et 3 de dopage différent, par exemple la zone 2 de dopage du type N et la zone 3 du type P. La zone 3 est réalisée dans une partie superficielle du corps semiconducteur 1 pour être entourée par la zone 2 de façon que la frontière délimitée par la partie 5 de la jonction 4 qui affleure en surface du corps semiconducteur 1 et séparant la surface de la zone 2 de la zone 3, soit sensiblement de forme circulaire et entoure complètement la surface de la zone 3 affleurant à la surface du corps semiconducteur. Sur cette frontière est disposée une couche isolante ou équivalente 6 qui recouvre partiellement de part et d'autre de celle-ci les surfaces des deux zones. Sur cette couche 6 est disposée une pièce métallique 7 dont la partie 8 déborde de la couche 6 pour venir en contact avec la surface de la zone 3 et constituer, par cette prise de contact électrique avec cette zone, une des deux électrodes de la photodiode. Comme la frontière 5 est une courbe fermée, la pièce métallique disposée tout le long du bord 9 de la couche 6 délimite sur la surface de la zone 3 une fenêtre constituant la surface photosensible de réception 10 de la photodiode qui doit recevoir les impulsions lumineuses 11. Ainsi, il est possible, en donnant à la bordure 6 de la pièce 7, une forme circulaire et un diamètre déterminé, de limiter la surface photosensible de réception de la photodiode, et constituer ainsi par exemple le diaphragme de champ lorsque cette diode est la diode réceptrice de l'organe récepteur d'un télémètre. Bien entendu, sur la zone 2 est disposée une deuxième prise de contact électrique 15 constituant la deuxième électrode de la photodiode. La pièce métallique 7 doit recouvrir le moins possible la couche isolante 6 pour diminuer premièrement le risque de court-circuit avec la zone de dopage 2, et deuxièmement la valeur de la capacité parasite formée entre la pièce 7 et la zone 2 qui sont séparées par la couche isolante 6. On constate qu'avec une structure de photodiode telle que décrite ci-dessus, lorsqu'elle reçoit une impulsion lumineuse 11, la partie de cette impulsion lumineuse qui tombe sur la couche diélectrique 6 non recouverte par# la pièce 7 traverse cette couche et atteint la zone de dopage 2 pour donner naissance, par effet photoélectrique, à un courant électrique qui se superpose au courant donné par la photodiode lorsqu'elle reçoit une impulsion lumineuse sur sa surface photosensible réceptrice 10. Pour éliminer cet effet parasite, on donne à la couche isolante 6 une épaisseur optique égale à un multiplex impair du quart de la longueur d'onde de la lumière qu'elle doit capter pour qu'elle constitue ainsi une couche réfléchissante pour cette longueur d'onde. Ainsi, si n est l'indice optique de la couche diélectrique, X la longueur d'onde de la lumière que la photodiode est destinée à capter c'est-à-dire dans un télémètre laser, la lumière émise par le laser, l'épaisseur réelle E de la couche isolante est alors donnée par la formule nE = (2k + 11 X , k étant un nombre entier, l'épaisseur optique étant définie T par la quantité nE. Il est en plus préférable quand il est possible que l'indice optique de cette cuche 6 soit supérieur à celui du corps 1. Dans un exemple pratique de réalisation d'une photodiode, le corps semiconducteur est constitué par un bloc de silicium comprenant deux zones de dopage P et N. La couche isolante recouvrant partiellement ces deux zones, est constituée par exemple par une couche d'oxyde de silicium Si 02 et la pièce métallique est constituée par une couronne d'aluminium. La couche d'oxyde de silicium peut être réalisée par oxydation thermique à partir du bloc de silicium et son épaisseur est déterminée par expérimentation plutôt que par calcul, par exemple, suivant la même technique que celles employées pour la formation des couches multidiélectriques de miroirs réfléchissants, c'est-à-dire de façon très schématique ; en éclairant la couche en formation avec un faisceau de lumière monochromatique de même longueur d'onde que celle que la photodiode est destinée à capter, et en étudiant la lumière transmise ou réfléchie par cette couche en formation.La formation de la couche est arrêtée lorsque la quantité de lumière réfléchissante est maximale ou lorsque la quantité de lumière transmise est minimale. Dans l'exemple décrit ci-dessus et illustré sur la figure 1, la couche isolante 6 est constituée d'une couche unique d'un seul corps, par exemple de l'oxyde de silicium. Pour améliorer, outre la durée de vie et la fiabilité de la diode semiconductrice mais surtout, la réflexion de la lumière incidente sur le corps semiconducteur en dehors de la zone photosensible. on réalise cette couche isolante par empilement d'un nombre impair de couches, ces couches présentant alternativement un indice optique élevé et faible, la couche en contact du corps semiconducteur étant de préférence réalisée dans un matériau à fort indice optique, chaque couche de cet empilement ayant une épaisseur optique égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde de la lumière tombant sur la photodiode. Un tel mode de réalisation est illustré sur la figure 2 dans laquelle la couche isolante 6 recouvrant partiellement la surface des deux zones 2 et 3, est constituée d'un empilement de trois couches 12, 13 et 14. La première des trois couches, la couche 12 en contact direct avec le corps semiconducteur est constituée par une couche d'indice relativement élevé, comme par exemple de l'oxyde de silicium, cette couche pouvant être réalisée comme précédemment par oxydation thermique à partir du silicium.La deuxième couche 13 disposée sur la première couche 12 est constituée d'une couche d'indice optique de préférence faible et pouvant jouer, en outre, le rôle d'une couche protectrice passivante comme par exemple du nitrure de silicium Si3N4; cette couche peut être déposée par exemple par pulvérisation cathodique. Enfin, la troisième couche 14, étant elle une couche en même matériau que la couche 12, c'est-à-dire dans ce cas en oxyde de silicium, peut être déposée sur la couche 13 par pulvérisation cathodique. Pour réaliser cet empilement de couches et déterminer l'épaisseur de chacune de celles-ci, on procédera comme précédemment par eexpérimentation plutôt que par calcul. Comme précédemment, la couche isolante 6 délimite en surface de la zone 3 la fenêtre optique 10 permettant au faisceau lumineux incident sur la photodiode de pénétrer jusqu'à la zone de dopage 3. Les bords de cette couche 6 servent aussi de support à la pièce métallique 7 dont la partie intérieure 6 vient prendre contact avec la surface de la zone 3 pour délimiter la surface photosensible et constituer le diaphragme de champ lorsque la diode constitue l'élément photosensible de l'organe récepteur d'un télémètre, cette pièce 7 constituant aussi une des électrodes de la photodiode. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'invention, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Photodiode réceptrice pour faisceaux lumineux comprenant un corps semiconducteur comportant une première zone d'un premier type de dopage et une seconde zone d'un second type de dopage différent dudit premier dopage, les deux zones affleurant en surface dudit corps semiconducteur, une couche isolante électrique disposée sur au moins une partie dudit élément semiconducteur, le long de la frontière séparant en surface dudit corps semiconducteur les deux zones de différents dopages de façon à recouvrir au moins partiellement, les surfaces des deux dites zones de part et d'autre de cette dite frontière, le bord de ladite couche délimitant sur l'une des dites zones une surface photosensible pour recevoir ledit faisceau lumineux et des moyens pour prendre un contact électrique respectivement sur la première et la deuxième zones, caractérisée par le fait que ladite couche isolante est constituée par une couche réfléchissante pour la longueur d'onde de la lumière dudit faisceau lumineux tombant sur ladite surface photosensible. 2/ Photodiode selon la revendication la caractérisée par le fait que l'indice optique de ladite couche isolante est supérieur à l'indice optique du corps semiconducteur. 3/ Photodiode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite couche isolante présente une épaisseur optique égale à un multiple impair du quart de ladite longueur d'onde. 4/ Photodiode selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite couche isolante est constituée par un empilement de couches présentant alternativement un indice optique élevé et un indice optique faible. 5/ Photodiode selon la revendication 4 caractérisée par le fait que ledit empilement comporte un nombre impair de couches. 6/ Photodiode selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la couche dudit empilement en contact avec ledit corps semiconducteur présente un indice optique élevé. 7/ Photodiode selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les couches dudit empilement ont une épaisseur optique respectivement égale à un multiple impair du quart de ladite longueur d'onde.