Brevet FR2226753A1 — publié le 19741115

La présente invention concerne une cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment pour Un capteur de poi- tion, créée à partir d'une face plane active d'un bloc semiconducteur recouverte d'une couche d'adaptation optique insérée entre le semiconducteur et le milieu ambiant. La présente invention concerne également le procédé de réa- lisation de ladite cellule et le détecteur de rayonnements dans lequel elle est incluse. 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 i on peut recueillir sur des électrodes de contact. Ce phénomène est utilisé dans les détecteurs de rayonnements et notamment dans les capteurs solaires ou terrestres destinés respectivement au contrôle de position des satellites sur lesquels ils sont embarqués et à la commande ou à la programmation de machines-outils, d'appareillages de traitements thermiques ou chimiques, etc... Ces capteurs, en effet, sont constitués d'une pluralité de jonctions semiconductrices ou cellules photosensibles qui fournissent, chacune, un courant proportionnel à la dose de rayonnements reçue. Pour autre utilisables, les informations fournies par les jonctions photosensibles à partir de rayonnements incidents doivent autre identifiables, c'eà-dire qu'il y a lieu de connaetre la position de l'impact desdits rayonnements. C'est pourquoi, les capteurs comportent souvent, au-dessus du cristal semiconducteur portant les jonctions, un dispositif de codage constitué dtune pluralité de régions transparentes et de régions opaques aux rayonnements formant des bandelettes et ayant pour but de délimiter sur les jonctions photosensibles des zones actives et des zones neutres. Ainsi, chaque rois qU'un faisceau de rayonnements guidé par une fente d'entrée creusée dans une plaque située au-dessus du capteur 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 1' impact dudit faisceau.Le code étant différent en tous points des jonc tions, il est possible d'identifier la position de l'impact du faisceau et de localiser la position du capteur par rapport à la source dudit faiscéau : 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 et toute inclinaison de celui-ci par-rapport à l'axe de la source détermine une dérive du faisceau d'un conté ou de l'autre de ce plan médian, dérive qui est aussitôt décelée sous forme d'une impulsion de courant d'amplitude et de configuration connues. 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 absolument etre parallèles et centrés les uns par rapport aux autres : le moindre défaut de parallélisme ou le moindre dFcalage 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 des dispositifs. Par ailleurs, sur les capteurs actuels, le support de code, 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, ce qui rend la localisation plus difficile. Enfin, la superposition et la fixation de plusieurs éléments physiquement hétérogènes tels que code, support de code et cellules ou jonctions photosensibles rendent ltensemble fragile. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé nients et s'appuie, pour ce faire, sur les connaissances déjà acquises en ce qui concerne l'élimination des réflexions parasites. On sait, en effet, que, pour éviter les pertes de sensibilité dues à des phénomènes de réflexion, il est usuel de déposer, à la surface du substrat semiconducteur portant les cellules, une couche dite "anti-replets" dont l'indice de réfraction n est lié aux indices nl et n2 du milieu ambiant et du substrat par la relation On donne généralement à cette couche anti-reflets une épaisseur : e = t telle que la réflectance soit minimale pour la 4n 4 n longueur d'onde A du rayonnement que l'on désire recevoir. L'adaptation obtenue en tenant compte de I tindice n et de l'épaisseur de la couche anti-reflebs est appelée "adaptation optique" dansla suite de ce mémoire. La présente invention concerne donc une cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment pour un capteur de position, créée à partir d'une face plane active d'un bloc semiconducteur recouverte d'une couche d'adaptation optique insérée entre le semiconducteur et le milieu ambiant, remarquable en ce que les caractéristiques de ladite couche d'adaptation optique sont variables sur ladite face. L'adaptation optique étant différente en chaque point considéré de la couche anti-reflets, les rayonnements incidents créent, dans les cellules photosensibles, un courant différent, qui, recueilli, amplifié et transformé en une tension lisible, permet de localiser leur impact. Dans ces conditions la couche anti-reflets fait office de dispositif de codage. L'davantage de la cellule selon l'invention est 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. Par ailleurs, cette variation de l'adaptation optique de la couche anti-reflets permet de compenser certains défauts de réponse en sensibilité que peuvent présenter les cellules notamment à la périphérie de la jonction. Avantageusement, on peut faire varier les caractéristiques de l'adaptation optique d la couche optique d'une manière continue suivant une direction priviligiée. Dans ce cas, le champ d'application de la cellule photosensible est peut-tre plus restreint mais il est beaucoup plus précis Ceci est d'autant plus avantageux que l'on utilise fréquemment des détecteurs à fente et que, de préférence, on choisit comme direction un axe perpendiculaire à la fente d'entrée du détecteur. De préférence la variation de caractéristique de la couche d'adapt-ation optique est obtenue par une variation d'épaisseur de ladite couche. En fait, faire varier l'épaisseur e de la couche anti-reflets d'indice n revient à faire varier la longueur d'onde A pour laquelle l'adaptation est optimale. Ainsi, les irférents paramètres étant liés par une formule simple de la forme 4 = 4 ne, il est possible de modifier la sensibilité du capteur en tout point de sa surface. Dans une- forme préférentielle de réalisation, l'épaisseur de la couche d'adaptation optique varie d'une manière continue et linéaire. Cette forme de réalisation présente l'avantage d'être simple et rapide à mettre en oeuvre. Par ailleurs, on sait que par une analyse fine du spectre d'émission de la source lumineuse, de la sensibilité spectrale de la cellule et de sa réflectance, et en faisant intervenir simultanément ces divers paramètres, il est possible d'obtenir une variation absolument linéaire de la caractéristique de la cruche d'adaptation mais cela conduit à des calculs longs et à une réalisation difficile ; or, le fait de faire varier linéairement le profil d'épaisseur de la couche donne une courbe de réponse de sensibAlité sensiblement linéaire et compatible avec la précision demandée. De préférence, le bloc semiconducteur est en silicium d'indice 4 et la couche anti reflets d'adaptation optique, devant Aetre recouverte pour des raisons technologiques d'une couche de résine ou de colle d'indice 1,4, a un indice égal à 2,4. I1 est classique d'obte nir cette couche d'adaptation dtindice 2,4 par l'insertion d'une composition d'oxydes de titane, notamment TiO et TiC2. Cette couche conduit à une augmentation maximale de la sensibilité dans un rapport sensiblement égal à 1,3, pour un éclairement solaire par exemple La présente invention concerne également le procédé de réalisation d'une cellule selon l'invention dans laquelle on crée une couche d'adaptation optique de forme adéquate. En effet, dans un premier mode de réalisation d'une telle cellule photosensible destinée à un détecteur de rayonnements et créée à partir de la face plane active d'un bloc semiconducteur on dépose sur ladite face active et après formation de la jonction photosensible, une couche d'adaptation optique d'épaisseur uniforme égale à l'épaisseur maximale de celle-ci et, par attaque chimique, on amène progressivement l'épaisseur de la couche d'adaptation optique à sa valeur désirée. Un tel mode de réalisation est simple et donne des résultats largement suffisants pour les applications où une précision élevée n'est pas demandée. Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel, le bain d'attaque de la couche d'adaptation optique à base d'oxydes de titane est une solution d'acide fluorhydrique dont la concentration est comprise entre 0,01 ss et 1 %. De préfére-ce, pour obtenir un profil co--tisù darus e direction donnée de l'épaisseur de la couche, on plonge tout ou partie du bloc semiconducteur recouvert de ladite couche dans le bain d'attaque et l'on extrait ensuite ceux-ci du bai d'une manière progresEive et continue selon une loi permettant d'obtenir le profil voulu. Avantageusement, la vitesse de plongée du bloc et de la couche d'adaptation optique dans le bain et celle de leur extraction sont linéaires de manière à donner à l'épaisseur de de la couche un profil linéaire. Dans un second mode de réalisation de la cellule photosensible selon l'invention, après formation de la jonction photosensible, on dépose la couche d'adaptation optique sur la face active de ladite cellule par évaporation sous vide à travers un écran percé d'une fente de configuration appropriée derrière lequel passe périodiquement la- cellule. De préférence, pour obtenir un profil continu et linéaire de l'épaisseur de la couche, la forme de la fente percée dans l'écran est triangulaire. Ce procédé faisant appel à des moyens mécaniques et électriques plus complets et facilement contrtlables, conduit à une excellente précision de la variation de l'épaisseur de la couche. La présente invention concerne enfin le détecteur de rayonne ment s, notamment le capteur de position, comportant une cellule selon l'invention, lesdits rayonnements étant guidés vers ladite cellule à travers une fente d'entrée sensiblement rectangulaire creusée dans une plaque située dans un plan parallèle à celui de la face active du bloc semiconducteur portant la cellule, remarquable en ce que la fente d'entrée des rayonnements est perpendiculaire à la direction donnée à la variation de caractéristiques de la couche d'adaptation optique de la cellule. Un tel détecteur obtenu avec les matériaux et par les procédés cités précédemment présente l'avantage d'être plus simple q cieux connus jusqu a présent, puisqu'il comporte un élément de mois, à savoir le dispositif de codage dont la réalisation et la mise en place sont généralement difficiles. Par ailleurs, un tel détecteur ne fait appel qu'à des matériaux et à des moyens de mise en oeuvre connus et couramment utilisés dans la technique des semiconducteurs. La description qui va suivre en'regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de mieux comprendre la présente invention. La figure 1 représente une coupe schématique d'une cellule photosensible selon l'invention dans le cas d'une variation linéaire et continue de l'épaisseur de la couche d'adaptation optique. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement et successivement deux modes de réalisation de la couche d'adaptation optique selon l'invention. La figure 4 représente une vue schématique en perspective avec coupe longitudinale d'un détecteur de rayonnements comportant la cellule photosensible selon l'invention. I1 est à noter aune, sur les figures, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Conformément à la figure 1, la cellule photosensible est constituée d'un substrat semiconducteur 1 dans lequel a été créée, à partir d'une face dite active > au moins une jonction J par diffusion localisée d'un îlot 2 de type de conductivité opposé à celui du substrat 1. Sur la face opposée à cette face active est disposée une couche métallique 3 formant la prise de contact du substrat 1, la prise de contact de l'!lot 2 n'étant pas représentée sur la figure. A la surface de la face active du substrat 1 est formée la cruche transparente d'adaptation optique 4 faisant office de dispositif de codage et caractérisant l'invention par le fait qu'elle est plus épaisse, à son extrémité 4b qu'à son extrémité 4a. 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 d'une face dudit substrat 1 convenablement décapée, on diffuse localement 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'!lot 2 qui, avec le substrat 1 forme la jonction photosensible. Dans un premier mode de réalisation (fig. 2), on dépose une couche uniforme composée d'oxydes de titane, et notamment de TiO et de TiC2 destinée à former la couche d'adaptation 4 et dont les camposants ont été choisis pour la valeur d'adaptation (2,4) qu'ils fournissent entre le silicium 1 et une couche de colle ou de résine non représentee sur la figure mais destinée entre autres, à la fixation d'éléments du détecteur dont fait partie la cellule. L'épaisseur de la couche d'adaptation est choisie en fonction de l'émission spectrale de la source lumineuse frappant la jonction photosensible. On plonge ensuite l'ensemble substrat-couche d'oxyde lentement 5 et d'une manière sensiblement continue dans une solution/contenue dans un bac 6 et susceptible d'attaquer les oxydes de titane composant la couche anti-reflets, FH à 0,1 ffi par exemple, pour donner à ladite couche la forme définitive représentée sous la référence 4 sur la figure 1. Pour ce faire, ltensemble est fixé à l'extrémité d'un câble 7 pouvant tourner autour d'une poulie 8, et entraSné par un dispositif non représenté sur la figure 2. En choisissant convenablement les vitesses de plongée et de remontée, il est possible de donner à la couche 4 une pente dont la valeur a été prédéterminée pour donner à la sensibilité une variation continue est sensiblement linéaire entre les deux extrémités de ladite couche 4. La dernière opération consiste à réaliser les plages métalliques de prise de contact. Dans un second mode de réalisation (fig. 3), on fixe la cellule 1 sur une demi-sphère 9 disposée dans une enceinte 10 à évaporation sous vide et pouvant tourner suivant la direction D autour du creuset d'évaporation ll choisi pour centre de rotation, un écran fixe 12, percé d'au moins une fente triangulaire 13 étant interposé entre ledit creuset Il et la demi-sphère 9. Le temps de passage de la face active de la cellule devant la fente 13, donc devant la source d'évaporation, étant différent en chaque point, pour une direction donnée, on obtient une variation d'épaisseur de la cuuche évaporée 4 suivant cette direction. Conformément à la figure 4, au-dessus de la cellule photosensible constituée du substrat 4 de l'trot 2 et de la couche 4, est disposée parallèlement audit substrat une plaque opaque 5 comportant une fente 6 destinée au passage des rayonnements figurées par les flèches F et provenant de la source lumineuse S. Ainsi est constitué un détecteur de rayonnements selon l'invention ou capteur de position. Les rayonnements F, passant par la fente rectangulaire 6 d'axe longitudinal perpendiculaire à la direction de la variation d'adaptation optique de la couche 4, créent à la surface de celleci une image I. Cette image I crée, elle-mAeme, dans la zone désertée voisinant la jonction J des paires électron-trou qui encendrent elles-mêmes un courant permettant de localiser la position de ladite image I donc l'inclinaison du détecteur par rapport à la source de rayonnements S. En effet, la valeur du courant étant différente en tous points de la direction donnée de variation, la valeur de la tension est elle-meAme différente : en conséquence, il suffit d'étalonner la cellule au préalable pour connattre le point d'impact des rayonnements. - REVENDICATIONS 1.- Cellule photosensible pour détecteur de rayonnements, notamment pour capteur de position, créée à partir d'une face plane active d'un bloc semiconducteur recouverte d'une couche d'adaptation optique insérée entre le semiconducteur et le milieu ambiant, caractérisée en ce que les caractéristiques de ladite couche d'adaptation optique sot variables sur ladite surface. 2.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation des caractéristiques de ladite couche d'adaptation optique est continue suivant une direction donnée. 3.- Cellule selon la revendication 1, caractérisée e ce que la substance qui constitue ladite couche d'adaptation optique est déposée sur la totalité de la surface active et e ce que son épaisseur varie d'u point à un autre de adite surface. 4.- Cellule selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que ladite couche d'adaptation optique varie selon un profil continu dans ue direction donnée sur ladite surface. 5.- Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit profil est alinéaire. 6.- Cellule selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le bloc semiconducteur est en silicium et en ce que la couche d'adaptation optique est une composition d'oxydes de titane. 7.- Procédé de réalisation d'une cellule photosensible selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, sur la face active d'un bloc semiconducteur et aprs formation de la jonction photosensible on crée une couche d'adaptation optique de forme adéquate. 8.- Procédé de réalisation d'une cellule photosensible selon la revendication 7, caractérisé en ce que, sur la face active d'un bloc semiconducteur et après formation de la jonction photosensible, on dépose une couche d'adaptation optique d'épaisseur uniforme égale à l'épaisseur maximale -de celle-ci et en ce que, par attaque chimique, on amine progressivement l'épaisseur de la couche d'adaptation optique à sa valeur désirée. 9.- Procédé de réalisation selon la revendication 8 d'une cellule photosensible conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le bain d'attaque de ladite couche est une solution d'acide fluorhydrique dont la concentration est comprise entre 0,01 et 1 %. 10.- Procédé de réalisation selon la revendication 8d'une cellule photosensible portant une couche dont l'épaisseur varie selon un profil continu dans une direction donnée, caractérisé en ce que l'on plonge au moins une partie du bloc semiconducteur recouvert de ladite couche dans le bain d'attaque et en ce que l'on extrait ensuite celle-ci progressivement du bain selon une loi permettant d'obtenir le profil voulu. 11.- Procédé selon la revendication 10 d'obtention d'un profil linéaire, caractérisé en ce que la vitesse de plongée et d'extraction est linéaire. 12.- Procédé de réalisation d'une cellule photosensible selon la revendication 7, caractérisé en ce que, après formation de la jonction photosensible, on dépose la couche d'adaptation optique sur la face active de ladite cellule par évaporation sous vide à travers un écran percé d'au moins une fente de configuration ap propriée derrière lequel passe périodiquement la cellule. 13.- Procédé selon la revendication 12 d'une cellule conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la forme de la fente percée dans l'écran est triangulaire. 14.- Détecteur de rayonnements, notamment capteur de position, comportant une cellule selon la revendication 2, lesdits rayonnements étant guidés vers ladite cellule à travers une fente d'entrée sensiblement rectangulaire creusée dans une plaque situe dans un plan parallèle à celui de la face active du bloc semiconducteur portant la cellule, caractérisé en ce que l'axe longitudinal de la fente d'entrée des rayonnements est perpendiculaire à la direction donnée à la variation de caractéristiques de la couche d'adaptation optique de la cellule.