Brevet FR2230085A1 — publié le 19741213

La présente invention concerne une cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment un capteur de position, créée à partir d'une face plane d'un bloc semiconducteur d'un premier type de conduction par formation d'un îlot dopé d'impuretés d'un second type de conduction opposé au premier. On sait que tout rayonnement traversant une jonction semiconductrice crée des paires électron-trou dans la zone de charge d'espace formée autour de ladite jonction et que ces paires électron-trou engendrent un courant qui, parcourant une résistance appropriée, donne naissance à une tension que l'on peut recueillir sur des électrodes de contact. Ce phénomene est utilisé dans les détecteurs de rayonnements et notamment dans les capteurs de position ou de dépointage utilisant une source lumineuse comme référence. Ces capteurs sont destinés soit au contrôle de position de satellites sur lesquels ils seront alors embarqués, soit à la comman#de ou à la programmation de machines outils par exemple. En effet, ces capteurs sont constitués d'une pluralité de jonctions semiconductrices ou cellules photosensibles qui fournissent, chacune, un courant proportionnel à la dose de rayonnements reçue. Pour être utilisables, les informations fournies par les jonctions photosensibles à partir de rayonnements incidents doivent etre identifiables, c'est-à-dire qu'il y a lieu de connaître la position de l'impact desdits rayonnements. Pour ce faire, les capteurs comportent souvent, au dessus du cristal semiconducteur portant les jonctions, un dispositif de codage sur lequel vient frapper un faisceau de rayonnements de forme particulière déterminée par le passage desdits rayonnements à travers une fente creusée dans une plaque opaque placée audessus du disposif de codage. Généralement, le dispositif de codage est constitué d'une pluralité de régions transparentes et de régions opaques aux rayonnements ayant pour but de délimiter sur les jonctions photosensibles des zones actives et des zones neutres. Ces régions transparentes et opaques constituent, le plus souvent, des bandelettes et les zones opaques sont en fait des couches métalliques déposées à la surface du cristal semiconducteur par un procédé classique de dépôt. Ainsi, chaque fois, qu'un faisceau de rayonnements atteint une zone active de jonction photosensible, il provoque l'apparition d'un train d'impulsions de courant dont la forme est donnée par le code disposé à l'emplacement de l'impact dudit faisceau. Le code étant différent en tous points des jonctions, il est possible d'identifier la position de l'impact du faisceau et de localiser la position du capteur par rapport à la source de ce faisceau : en effet, si le capteur est dans l'axe de ladite source, l'impact du faisceau doit se trouver dans le plan médian du code et dudit capteur. Toute inclinaison de celui-ci par rapport à l'axe de la source détermine une dérive du faisceau d'un côté ou de l'autre du plan médian, dérive qui peut d'ailleurs être voulue et maintenue par un ensemble de moyens mécaniques et électroniques de commande. Le principal inconvénient de ce type de capteur réside dans la difficulté de sa réalisation. En effet, le substrat semiconducteur portant les jonctions, le code et la plaque dans laquelle est creusée la fente d'entrée doivent être absolument parallèles et centrés les uns par rapport aux autres : le moindre défaut de parallélisme ou le moindre décalage entre eux rendent le capteur inutilisable puisqu'il ne peut transmettre que des informations erronées. En outre, ces opérations multiples et délicates accroissent considérablement le cout du dispositif.. Un autre inconvénient des capteurs actuels réside également dans le fait que, le code étant indépendant du substrat semiconducteur, son support, en verre ou en quartz, provoque des réflexions parasites engendrant des impulsions sur des points du capteur voisins ou éloignés de l'impact du faisceau lumineux direct. Enfin, la superposition et la fixation de plusieurs éléments physiquement hétérogènes tels que code, support de code et cellules ou jonctions photosensibles rendent l'ensemble fragile. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et s'appuie, pour ce faire, sur les connaissances acquises et les progrès réalisés dans la croissance de matériaux semiconducteurs monocristallins et sur les lois les plus simples de l'électricité. En effet, la présente invention concerne une cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment pour un capteur de position, créée à partir d'une face plane d'un bloc semiconducteur d'un premier type de conduction par formation d'un îlot dopé d'impuretés d'un second type de conduction opposé au premier, ladite face plane étant recouverte d'une couche d'adaptation optique d'épaisseur uniforme, remarquable en ce les caractéristiques dudit îlot sont variables en chaque point de sa surface. Les caractéristiques de l'îlot étant variables en chaque point, les rayonnements incidents engendrent, à travers le matériau constituant le bloc semiconducteur, un courant dont la valeur est différente suivant le lieu de leur impact, ce qui permet de localiser ce dernier. Dans ces conditions, l'îlot diffusé fait office de dispositif de codage et l'davantage de la cellule selon l'invention réside donc dans le fait de ne plus comporter de dispositif de codage spécial, cet élément étant toujours difficile à réaliser et à disposer dans un plan exactement parallèle à la face active de la cellule photosensible. Avantageusement, la variation de caractéristique de l'îlot est effectuée suivant une direction privilégiée. Dans ce cas, le résultat obtenu est beaucoup plus précis et l'intérêt en est d'autant plus important que l'on utilise fréquemment des détecteurs à fente et que, de préférence, on choisit comme direction un axe perpendiculaire à ladite fente. De préférence, la variation de la caractéristique de l'îlot diffusé est obtenue par une variation de sa surface en maintenant I'épaisseur uniforme e#t la longueur sensiblement constante, c'està-dire, en fait par une variation de sa largeur. Dans ce cas, pour une fente de guidage des rayonnements de dimensions données, la surface de ltîlot touchée par les rayonnements est différente suivant le point d'impact et, en conséquence, le nombre de paires électron-trou créées est différent. Par conséquent, le courant engendré par lesdites paires électrontrou varie suivant le point d'impact desdits rayonnements, ce qui permet donc de localiser leur position. Dans une première forme préférentielle de reaiisatiôn la variation de la largeur de l'îlot est continue. Cette forme de réalisation est plus part-cu' èremert avant a geuse dans le cas de l'utilisation de la cellule pour le cortrô de position d'un engin par rapport à une source lumineuse de référence, par exemple d'un satellite par rapport au soleil. Dans ces conditions, pour des raisons de si#liîication de la réalisation et des mesures électriques, il est avantageux de faire varier la largeur d'une manière continue et linéaire et même de donner à la surface de l'îlot la forme d'un trapèze isocèle. Dans une seconde forme préférentielle de réalisation la variation de la surface est discontinue et comporte un contour constituant des dents de dimensions différentes. Cette forme de réalisation permet de créer un courant de sortie impulsionnel dont la configuration de l'impulsion dépend de celle donnée à chacune des dents de la surface. Sîle est particulièrement avantageuse dans le cas où l'on veut réaliser un dépointage de la cellule par rapport à une référence donnée, c'est-à-dire, un décalage angulaire de ladite cellule par rapport à la référence, et maintenir constant ce dépointage. En effet, le courant étant fourni sous forme d'impulsions d'amplitude très différente pour chacune d'entre elles, ces impulsions sont facilement décelables et peuvent servir de repère à des dispositifs électroniques de commande. La présente invention concerne également un capteur de rayonnements comportant#d'une part, au moins une cellule peotc- sensible selon l'invention et, d'autre part, des moyens de guidage des rayonnements donnant à la section du faisceau qu'ils constituent la forme d'au moins un rectangle allongé dont la plus grande dimension est sensiblement perpendiculaire à la direction privilégiée de la cellule suivant laquelle s'effectue la variation des caractéristiques de l'îlot. Avantageusement, ce capteur comporte une pluralité de cellules isolées les unes des autres et juxtaposées par leurs faces laté- rales non parallèles pour constituer un anneau sensiblement régulier et des moyens de guidage donnant au faisceau la forme de rectangles concourants de même configuration et de dimensions égales. Un tel capteur permet de déterminer avec précision et simul- tanément la position de l'engin sur lequel il est fixé par rapport à plusieurs directions prédéterminées. Par conséquent, il est particulièrement utile lorsque l'on désire effectuer un "dépointage" provisoire ou permanent. Dans une forme particulière de réalisation, le capteur comprend un ensemble de cellules de configuration trapézoidale et isocèle disposées suivant deux directions perpendiculaires et le faisceau de rayonnements est constitué de deux rectangles concourants disposés également suivant ces mêmes directions perpendiculaires. De préférence, les cellules sont réalisées sur un bloc semiconducteur unique et les moyens de guidage du faisceau consistent en une fente d'entrée des rayonnements créée dans une matière opaque, notamment une plaque située dans un plan parallèle à celui de la face active du bloc semiconducteur. Un tel capteur est simple S réaliser et les renseignements qu'il fournit sont dtune précision très suffisante. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente schématiquement une vue de dessus d'une cellule photosensible selon l'invention dans sa première forme de réalisation. La figure 2 est une coupe de la même cellule suivant la ligne Il-Il. La figure 3 représente une vue de dessus d'une cellule photosensible selon l'invention dans sa seconde forme de réalisation. La figure 4 est une vue de dessus schématique d'un capteur selon l'invention dans le cas où il est formé de cellules trapé zonales disposées suivant deux directions perpendiculaires. La figure 5 illustre une coupe suivant la ligne V-V du même capteur. La figure 6 représente une vue schématique en perspective d'un capteur complet. Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Conformément aux figures 1 et 2, la cellule photosensible est constituée d'un substrat semiconducteur 1 dans lequel a été créée, à partir d'une face dite active 2, au moins une jonction J par diffusion localisée d'un îlot 3 de type de conduction opposé à celui du substrat 1. Cet îlot 3 présente une épaisseur constante mais une surface variant d'une manière continue et linéaire. Dans le cas des figures 1 et 2, cette surface présente la forme d'un trapèze isocèle dont B1 est la petite base et B2 la grande base. La face 2 est entièrement recouverte d'une couche antireflets 4 destinée à l'adaptation optique du milieu ambiant et du matériau semiconducteur 1. Sur la face 5 opposée à la face active 2 est disposée une couche métallique 6 formant la prise de contact du substrat 1, tandis qu'une plage de contact 7 est prévue sur l'îlot , les liaisons avec l'extérieur se faisant alors respectivement par les connexions 8 et 9. Le nombre de paires électron-trou engendrées, donc le courant créé dépend de l'aire A éclairée sur la surface de l'îlot 3. Cette aire dépend elle-même de la position de l'image lumineuse I par rapport aux deux bases du trapèze. Par ailleurs, l'impact de cette image sur la surface de la cellule dépend de la position de celle-ci par rapport à la source de rayonnements de référence ayant provoqué sa création. Selon un procédé connu, on collecte en 8 et 9 sous forme de tension, le courant engendré par les rayonnements. Selon un autre procédé connu, on peut polariser en inverse la jonction J et déduire la position de l'image I par rapport à B1 et à B2 par une comparaison de la courbe "intensité = f (tension)" obtenue avec la courbe "intensité = f (tension de polarisatio4" préalablement étalonnée. Pour obtenir une telle cellule, on part d'une plaquette d'un matériau semiconducteur, silicium de type P par exemple, à laquelle on donne une forme rectangulaire, après l'avoir mise à épaisseur convenable, pour en faire le substrat 1. A partir de la face 2 de ce substrat 1, on a diffusé localement à travers un masque approprie des impuretés de type de conduction opposé à celui du substrat 1, donc de type N et de phosphore par exemple. Cette diffusion engendre l'îlot 3 qui, avec le substrat 1 forme la jonction photosensible J. On dépose ensuite une couche uniforme 4 composée d'oxydes de titane et notamment de TiC et de TiO2 destinée à former la couche anti-reflets, et dont les composants ont été choisis pour la valeur d'adaptation qutils faurnissent entre le silicium et une couche de colle ou de résine non représentée sur la figure l'épaisseur de la couche est choisie en fonction de l'émission spectrale de la source lumineuse frappant la jonction photosensible. La figure 3 représente une autre forme de cellule comportant un substrat 11 d'un premier type de conduction dans lequel a été diffusé unîlot 12 d'un second type de conduction opposé au premier. Cet îlot 12 présente une épaisseur uniforme mais une surface variable ; cependant cette surface varie d'une manière discontinue de telle sorte que le courant recueilli entre les bornes 13 et 14 et transformé en une tension lisible après création d'une image lumineuse localisée, présente une forme impulsionnelle décelable facilement si les différentes formes d'impulsions ont été étalonnées auparavant. Les figures 4 et 5 représentent un capteur selon l'invention comportant quatre cellules photosensibles identiques réalisées sur un bloc semiconducteur 21 par diffusion localisée de quatre îlot 22 de type de conduction opposé à celui du substrat 21. Ces îlots 22 présentent une forme de trapèze isocèle et sont juxtaposés par leurs parois latérales non parallèles mais restent cependant isolés les uns des autres. Sur ces îlots 22 sont réalisées des plages de prises de contact 23 reliées à l'extérieur par des connexions 24. La face active est recouverte d'une couche anti-reflets 25, destinée à l'adaptation optique du milieu ambiant et du matériau semiconducteur et la face opposée à la face active est recouverte d'une couche métallique de contact 26 sur laquelle est fixée une connexion 27. La figure 6 illustre la réalisation d'un capteur complet comportant un substrat 21 sur lequel ont été diffusés quatre îlots 22 de forme trapéCoidale et isocèle. Au dessus de la couche anti-reflets représentée sur cette figure et parallèlement à la face active du substrat 21 est disposée une plaque opaque 28 comportant un évidement cruciforme 29 constituant la fente de guidage des rayonnements figurés par les flèches F et provenant de la source lumineuse S. Les rayonnements F passant par la fente cruciforme 29 créent à la surface du bloc semiconducteur une image C. Cette image, si elle éclaire un ou plusieurs îlots 22 crée, au voisinage des jonctions, des paires électron-trou qui engendrent par exemple, elles-memes un courant recueilli ensuite, sous forte de tension sur les connexions 24 et 27 correspondant aux lo 22 concernés. Ceci permet de localiser l'image C, donc la position de 7'ense- ble du capteur par rapport à la source S. Si une même tension apparaît aux bornes des quatre ilotes, (cas de la figure 6), cela signifie que le capteur est centré par rapport à la source et tout décalage entre les tensions de sortie indique une inclinaison ou un "dépointage" dudit capteur par rapport à cette source S. REVENDICATIONS 1.- Cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment pour un capteur de position, créée à partir d'une face plane d'un bloc semiconducteur d'un premier type de conduction par formation d'un îlot dopé d'impuretés d'un second type de conduction opposé au premiers ladite face plane étant recouverte d'une couche d'adaptation optique d'épaisseur uniforme, carac-^ térisé en ce que les caractéristiques dudit îlot sont variables en chaque point de sa surface. 2.- Cellule photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de caractéristiques de l'îlot est effectuée suivant une direction privilégiée. 3.- Cellule photosensible selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'îlot a une épaisseur uniforme, une longueur constante et en ce que sa largeur est variable. 4.- Cellule photosensible selon la revendication 3 caractérisée en ce que la variation de la largeur de l'îlot est continue. 5.- Cellule photosensible selon la revendication Lt caractérisée en ce que la variation de la largeur de l'îlot est continue et linéaire. 6.- Cellule photosensible selon la revendication caractérisée en ce que l'îlot a une configuration trapézoidale et isocèle. 7.- Cellule photosensible selon la revendication 3 caractérisée en ce que la variation de la largeur de l'îlot est discontinue. 8.- Cellule photosensible selon la revendication 7 caractérisée en ce que le contour de l'îlot comporte des dents de dimensions différentes. 9.- Capteur de rayonnements comportant, d'une part au moins une cellule conforme à l'une des revendications 2 à 8 et, d'autre part, des moyens de guidage des rayonnements donnant à la section du faisceau qu'ils constituent la forme d'au moins un rectangle allongé dont la plus grande dimension est sensiblement perpendiculaire à la direction privilégiée de la cellule suivant laquelle s'effectue la variation des caractéristiques de l'îlot et des moyens de mesure du courant créé par le ra-yonnemenf dans la cellule. 10.- Capteur de rayonnements selon la revendication 9 comportant une pluralité de cellules isolées les unes des autres, caractérisé en ce que lesdites cellules sont juxtaposées par leurs faces latérales non parallèles et constituent un anneau sensiblement régulier, et des moyens de guidage donnant au faisceau la forme d'une égale pluralité de rectangles concourants de même configuration et de dimensions égales. 11.- Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de cellules de configuration trapézoldale et isocèle disposées suivant deux directions perpendieulaires et en ce que le faisceau de rayonnements est constitué de deux rectangles concourants disposés également suivant ces mêmes directions perpendiculaires. 12.- Capteur selon l'une des revendications 9, 10 et 11, caractérisé en ce que les cellules sont réalisées sur un bloc semiconducteur unique. 13.- Capteur selon l'une des revendications 9, 10, 11 et 12, caractérisé en ce que les moyens de guidage du faisceau de rayonnements consistent en une fente d'entrée créée dans un corps opaque aux rayonnements considérés. 14.- Capteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit corps opaque aux rayonnements considérés est une plaque située dans un plan parallèle à celui de la face active du bloc semiconducteur.