Brevet FR2443745A1 — publié le 19800704

L'invention concerne un localisateur d'impacts de parti- cules ionisantes à l'état solide ; elle concerne aussi les tubes électroniques dans lesquels est incorporé un tel localisateur, pour l'obtention, sur leur face de sortie, d'une image correspondant à une image incidente reçue à l'entrée du tube. Les localisateurs à ltétat solide auxquels se rapporte l'invention comportent un substrat semi-conducteur plat exposé par 1 t une de ses faces au flux des particules incidentes, et préparé de façon à présenter l'effet de diode lorsqu'une tension continue est appliquée entre cette face et une face opposée a' celle-c#. En fonctionnement, la tension est appliquée de façon à polariser la diode en inverse, et à créer dans l'épaisseur du substrat une zone de charge d'espace , c'est-à-dire une zone dans laquelle règne un champ électrique; ce champ a une direction sensiblement perpendiculaire aux faces du substrat et s'étend pratiquement dans toute son épaisseur. Une particule, ou un groupe de particules ionisantes, frappant le substrat libère dans celui-ci des paires électron-trou qui se déplacent dans ce champ ; un courant correspondant prend naissance dans le substrat et atteint ses faces recouvertes d'électrodes conductrices du courant électrique par lesquelles il est capté , l'intensité de ce courant est en raison direc c e du nombre de paires électron-trou créées et de l'énergie du flux de particules incidentes. A titre d'exemple, l'énergie nécessaire pour créer une paire électron trou est de 3,5 eV dans le silicium. Le courant recueilli par ces électrodes permet donc de déterminer l'énergie des particules incidentes. Le-meme dispositif est utilisé pour en localiser l'impact.A cette fin, dans l'art antérieur, les électrodes sont choisies de maniere à présenter une résistance notable aux courants circulant dans leur épaisseur. Des contacts appliqués en certains points de ces électrodes, en général à leur périphérie, recueillent chacun une part du courant qui les parcourt ; cette part dépend de la position du point d'impact par rapport à chacun de ces contacts. On conçoit alors que, d'après la valeur du courant recueilli par chacun d'eux, on puisse déterminer la place de l'impact sur l'électrode. Cette localisation par électrodes résistives relève d'une technique bien connue, largement développée ces der nières années dans deux directions principales, celle des dispositifs à une seule électrode résistive, et celle des dispositifs dans lesquels les deux faces opposées du substrat, aussi bien la face qui reçoit le flux incident que l'autre, sont recouvertes, toutes les deux, d'une électrode résistive ; dans ce dernier cas, on a notamment développé des électrodes à deux contacts chacune, les deux contacts d~ re consistant en deux bandes parallèles entre elles bordant l'électrode, et ceux de l'autre en deux autres bandes, parallèles aussi entre elles, mais perpendiculaires aux précédentes ; chaque paire de bandes fournissait l'une des coordonnées cartésiennes de l'impact ; on formait notamment, à cette fin, pour chaque paire, le rapport AA+B des signaux A et B recueillis par chacune des bandes d'une même paire . De façon plus générale, la position de l'impact était déterminée par le calcul, à partir des signaux recueillis sur les contacts. Pour plus de précisions sur cet art antérieur, on consultera, en ce qui concerne les dispositifs à une seule électrode résistive,l1artiçle de Michael LAMPTON et al. paru dans "Review of Sci.Instrum., vol. 45 No.9 , september 1974 et intitulé "The Ranicon : A resistive anode image converter" ainsi que celui de H.J. WALTRING paru dans "IEE Transactions on Electron Devices, August 1975, pages 581-590 et intitulé "Single and Dual Axis lateral Photodetectors of rectangular Sape" ,ou est décrite une disposition à quatre contacts occupant les milieux de l'électrode résistive rectangulaire ; en ce qui concerne les dispositifs à deux électrodes résistives, on se reportera à la réalisation décrite par Walter H.BERNINGER dans la demande de brevet français portant le No. 74-37681 au nom de General Electric Company. Incorporés à un tube à image, dont ils occupent la place de l'écran de sortie, ces localisateurs permettent l'obtention point par point de l'image correspondant à une image formée sur l'écran d'entrée du tube par un rayonnement ou un flux de particules incident ; les particules frappant le localisateur sont alors les électrons émis par la photocathode de l'écran d'entrée soumis au rayonnement ou au flux en question, rayonnement visible ou invisible, X ou y notamment, ou flux de particules de natures diverses, neutrons par exemple dans les applicatios de neutrographie.L'écran d'entrée en question présente une structure appropriée à chaque cas, incorporant notamment un scintillateur , pour la transmission des photons incidents, avec conversion en photons visibles, à une photo-cathode,dans les applications radiologiques par exemple. Les dispositifs localisateurs d'impacts ionisants à électrodes résistives de l'art antérieur auquel il est fait référence ci-dessus présentent certains inconvénients. Qu'ils soient d'un type ou de l'autre, c'est-à-dire à une seule électrode résistive ou a' deux électrodes résistives, la capacité répartie de la diode fait que le retard mis par les signaux des porteurs libres créés dans le substrat par le flux ionisant, c'est-à-dire les paires électron-trou , pour atteindre les contacts,dépend de la position de l'impact sur le substrat. Le traitement de ces signaux doit donc tenir compte à la fois de leur partage entre les contacts et des temps inégaux, ou retard différentiel, mis à les atteindre. Dans le cas des dispositifs à deux électrodes résistives, une autre difficulté s'ajoute à la précédente : il est nécessaire, lors de la réalisation, de contrôler a' la fois la résistance des deux couches. On mesurera cette difficulté en se rappelant que ces électrodes sont généralement réalisées par implantation ionique sur les deux faces-du substrat de deux matériaux différents, le bore et le phosphore, par exemple, dans le cas d'un substrat de silicium, suivi d'un recuit sur ensemble ainsi obtenu.Cette technologie est d'une mise en oeuvre délicate, car la température du recuit en question est très critique du fait que le traitement a lieu simultanément sur les deux couches implantées : le résultat est finalement aléatoire et ne correspond pas toujours aux bonnes caractéristiques de résistance pour l'une et l'autre électrodes à la fois. Pour éviter ces difficultés, l'invention prévoit de remplacer les électrodes résistives des dispositifs locali3ateurs à deux électrodes par des électrodes conductrices, chacune divisée en deux parties par une ligne isolante, dans les conditions qui vont etre décrites ci-dessous. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent - figure 1 : une vue d'un dispositif localisateur d'impacts ionisantsà semi-conducteur de l'art antérieur - figures 2 et 3 : des vues montrant un exemple du dispositif localisateur d'impacts ionisants à l'état solide de l'invention, en coupe et en plan ; - figure 4 : une autre vue se rapportant à l'exemple précédent ; - figure 5 : une coupe schématique d'un tube à image utilisant un localisateur de l'invention. La figure 1 montre un localisateur à semi-conducteur de l'art antérieur. Ce localisateur comprend un substrat 1 en un matériau de type n, comme le silicium, présentant une résistivité de 2000 ohms x cm ; ce substrat a la forme d'un parallélépipède plat à section carrée de 20 x 20 mm et d'une centaine de micromètres d'épaisseur. Sur l'une de ses faces, celle sur laquelle se fait l'impact du flux incident (flèche), est implantée une couche 10 d'un matériau de résistivité de type opposé, c'est-à-dire de type p, le bore par exemple, 14 à une dose de 1014 atomes par centimètre carré. Cette couche, qui est pratiquement transparente au flux des particules incidentes, est l'une des deux couches résistives du dispositif; sa résistance peut etre, pour fixer les idées, de l'ordre de 30 OOO~o1xms au carré.Sur la face opposée du substrat 1, est implantée une autre couche résistive 20 d'un matériau présentant une résistivité du meme type n que le substrat, du phosphore par exemple ; elle constitue la seconde couche résistive du dispositif, dont la résistivité est sensiblement du meme ordre que celle de la première. Chacune des couches résistives porte deux contacts, il et 12 pour la premier, 21 et 22 pour la seconde, réalisés sous forme de deux bandes. En fonctionnement, une différence de potentiel est établie entre les deux couches résistives, de façon à porter la couche 10 à un potentiel v11 inférieur à celui V2 de la couche 20,dans l'exemple choisi. De cette façon, est créée dans le substrat semi-conducteur une zone de champ s'étendant pratiquement sur la totalité de son épaisseur, par exemple avec une différence de potentiel (V2-V1) de l'ordre de 100 volts, pour un substrat d'une centaine de microns d'épaisseur, comme indiqué. Dans cette zone règne un champ électrique sensiblement perpendiculaire aux deux faces opposées ayant subi les implantations.C'est dans ces conditions que les paires électron-trou créées par les particules ionisantes, des photo-électrons dans le cas où ce localisateur est utilisé dans un tube a' image, se déplacent le long du champ électrique vers les couches résistives 10 et 20 et sont recueillies par les paires de contactsîî et 12 et 21 et 22, en se partageant en quatre signaux Q1, Q2, Q3 Q4 suivant la position du point d'impact I des particules. Les signaux de l'une des paires sont utilisés à la détermination de l'une des coordonnées cartésiennes de l'impact, et les signaux de l'autre paire à celle de l'autre coordonnée. Le détail du prélèvement des signaux Q1 à 04I qui relève de l'art, n'a pas été représenté. On a décrit ci-dessus,dans l'essentiel,une disposition connue de l'art antérieur pour localiser un impact ionisant. Le localisateur d'impacts de particules ionisantes de l'invention comprend également deux couches ou électrodes conductrices de l'électricité recouvrant les faces opposées parallèles d'un substrat plat semi-conducteur. Mais contrairement à l'art antérieur, où ces électrodes ont une résistance notable, celles du dispositif de l'invention ont une résistance pratiquement nulle,qui fait qu'il n'existe aucune chute de potentiel appréciable entre deux points quelconques de chacune d'elles. Afin de permettre néanmoins la localisation de l'impact, chacune d'elles est divisée en deux parties, ou demi-couches, couvrant à elles deux tout le champ de l'impact, séparées l'une de l'autre par une ligne isolante ; chacune des parties d'une couche possède un contact qui sert à la connexion de la demi-couche. Les deux couches ont des structures identiques et des orientations différentes ; elles sont orientées perpendiculairement l'une à l'autre, par exemple ; comme dans l'art antérieur, l'une des faces est utilisée a la détermination de 1.'une des coordonnées et l'autre a' celle de la seconde coordonnée cartésienne de l'impact. Le dispositif de l'invention se présente donc schématiquement,en coupe, de façon généralement semblable à celle des localisateurs de l'art antérieur, sous la forme d'une plaquette à deux faces implantées. Une telle coupe est représentée sur la figure 2, où le substrat semi-conducteur porte le repère 1 comme sur la figure précédente et où, comme sur celle-ci et sur la suivante , pour la clarté, les proportions des différents éléments, leurs épaisseurs notamment, n'ont pas été respectées. La figure 3 est la représentation en plan du dispositif de la figure 2, vu du dessus. Les couches implantées portent les repères 30 et 40 et leurs contacts les repères 31 et 32 et 41, 42 (ce dernier étant seul visible) ; la ligne isolante est désignée par les repères 33-34-35 sur une face et 43-44-45 sur l'autre ; les endroits où elles apparaissent sur la vue en coupe ont été laissés en blanc, tandis qu'en plan celle visible est couverte de hachures croisées, ainsi que ses extrémités 34 et 35. La ligne 33 et ses extrémités 34 et 35 séparent la couche 30 en deux demi-couches,d'égale surface, dans l'exemple, 361 38 sur le dessin de la face supérieure ; il en est de même pour la couche 40 et la ligne 43 et ses extrémités 44 et 45. Dans l'exemple les lignes isolantes sont des lignes brisées régulières formées de segments rectilignes, et sont orientées perpendiculairement l'une à l'autre . Ces segments délimitent des triangles tous égaux et symétriques deux å deux par rapport au milieu de leur côté commun. La ligne droite joignant les sommets homologues des triangles d'une même zone est perpendiculaire à la direction OX de localisation et le côté de chaque triangle porté par cette droite a pour longueur ce que l'on désignera par la période du système. Cette période est toujours choisie sensiblement plus petite que le diamètre minimal de l'impact circulaire (cercle sans repère) des particules ionisantes à localiser. Cet impact a toujours certaines de ses portions dans l'une des parties 36 de la couche 30 et ses autres portions dans l'autre partie 38. Son diamètre est de l'ordre de quelques centaines de micromètres, ce qui entraine que,pour des plaquettes de semiconducteur de la taille de celles actuelles pratiquées - 50 mm de diamètre -,les triangles sont très effilés et leur nombre très grand . ~ En d'autres termes, le réseau de ces triangles est extremement serré,sans rapport avec le réseau des quelques triangles, en petit nombre, de la figure 3. C'est ce que l'on a représenté,en essayant de se rapprocher un peu plus de la réalité, sur la figure 4, où la surface susceptible de recevoir des impacts, ou champ utile, est supposée limitée à un rectangle,et où l'impact est représenté par un cercle couvert de hachures en traits interrompus.Pour un champ de 25 mm de long, les triangles devraient encore etre beaucoup plus aplatis que sur le dessin , car leur base ne dépasse pas 100 micromètres. On a affecté les mêmes repères que sur la figure 3 aux éléments correspondants de la figure 4. Dans les les conditions ci-dessus, on note que le rapport A7B a A A et B étant les signaux recueillis sur les contacts 31 et 32, est pratiquement linéaire en fonction de l'abscisse X. Un exemple non limitatif de réalisation consiste en un substrat de silicium de haute résistivité, 10 k Q cm, de type n ayant la forme d'un disque de 50 mm de diamètre poli sur ses deux faces et d'épaisseur 0,7 mm ; ce disque est oxydé sur toute sa surface par les procédés connus dans l'art du traitement du silicium semi-conducteur. Par photogravure, habituelle dans cet art, la silice est dissoute sauf sur une ligne brisée d'épaisseur 10 /um et de période 100/um,à l'intérieur d'un champ de 25 mm de coté. Une face subit une implantation de phosphore de 1015 atomes par centimètre carré, de manière à constituer, après un recu#t,de part et d'autre de la ligne brisée de silice, deux demi-couches de type n fortement conductrices. De. même sur l'autre face, deux demi-couches de type P, par implantation de bore, forment une seconde électrode fortement conductrice; Une cuisson d'une-heure à 8000 C donne aux couches implantées leurs propriétés définitives. Ce recuit est beaucoup moins critique que dans le cas de couches résistives. Les implantations sont faites sous 100 kilovolts. Les intacts métalliques sont réalisés par évaporation sous vide. Ces contacts sont disposés en dehors du champ utile des demi-couches, sur la figure ; ils pourraient aussi recouvrir toGt I. recouvrir tout ou partie des demi-couches, à condition d'être faits en un matériau transparent aux particules incidentes. La ligne brisée isolante de silice peut être remplacée par un sillon fait par photogravure après les implantations, sur une profondeur supérieure à celle des couches implantées. Le meme dispositif serait réalisable avec un substrat de type p au lieu de n. En fonctionnement, le dispositif est polarisé en inverse comme ceux de l'art antérieur, dans les conditions qui ont été indiquées On a décrit ci-dessus l'exemple d'une ligne de partage des couches conductrices des localisateurs de l'invention ayant la forme d'une ligne brisée régulière faite de segments rectilignes. Sont également comprises dans l'invention toutes les autres dispositions prévoyant la division des électrodes en deux parties isolées l'une de l'autre. Enfin, la figure 5 montre un tube à image comportant un localisateur de particules ionisantes de l'invention. Sur la figure 5, on a représenté schématiquement un tube à image, de révolution autour de l'axe A, comportant un localisateur d'impacts ionisants de 11 invention. L'enveloppe à vide du tube porte le repère 200. A gauche, à l'intérieur de cette enveloppe, est disposé l'écran d'entrée comprenant trois éléments, à savoir, à gauche le scintillateur 202, à droite la photocathode 204,et un support commun à l'un et à l'autre, 206, dont les épaisseurs sont figurées sans rapport avec leur valeur réelle ; de meme on n'a donné aucune indication sur la suspension de l'écran dans l'enveloppe, car ces questions, connues de la technique, sont en dehors de la portée de l'invention. L'écran d'entrée est exposé au rayonnement incident de l'objet à observer, un organe du corps humain par exemple, représenté par la flèche venant de la gauche. A l'autre extrémité est placé le localisateur 100, à l'intérieur de l'enveloppe, munie de passages 208 reliés aux quatre contacts du localisateur. Entre les deux, le pinceau d'électrons émis par la photo-cathode sous l'effet du rayonnement incident, allant d'un point de l'écran d'entrée à l'autre extrémité du tube, a été schématisé par les lignes en traits interrompus. Le localisateur d'impacts ionisants de l'invention a les memes applications que ceux de l'art antérieur, applications médicales radiologiques notamment. REVENDICATIONS 1. Localisateur d'impacts de particules ionisantes à l'état solide comprenant un substrat semi-conducteur plat, à deux faces parallèles,exposé par l'une de ces faces aux particules ionisantes incidentes, et des moyens associés au substrat produisant dans celui-ci l'effet de diode, et polarisant cette dernière en inverse, ces moyens consistant en deux couches implantées sur ces faces, l'une de conductibilité de meme type que le substrat et l'autre de conductibilité de type opposé, et en une source de tension appliquant une différence de potentiel entre les deux couches, par laquelle est créé, dans le substrat semi-conducteur, un champ électrique s'étendant transversalement à ses faces, caractérisé en ce que les couches implantées sont des électrodes sans résistance et en ce qu'elles sont divisées chacune en deux parties, électriquement isolées l'une de l'autre, par une ligne les traversant suivant un parcours tel que, dans toutes ses positions, l'impact des particules ionisantes sur la face exposée à celles-ci ou sa projection dans la direction du champ électrique sur la face opposée, ait certaines de ses portions dans l'une des-parties et les autres dans l'autre, chacune de ces parties étant munie d'2wn contact sur lequel est prélevé le signal des charges libres créées dans le substrat par l'impact des particules ionisantes et se déplaçant vers ces parties sous l'effet du-champ électrique. 2. Localisateur d'impact de particules ionisantes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne en question consiste, sur l'une des couches, en une ligne brisée régulière faite de segments de droite délimitant des saillants et des rentrants en forme de triangles tous égaux,dont la base est petite par rapport aux dimensions de l'impact et, sur l'autre couche, en une ligne brisée égale, orientée perpendiculairement à la première. 3. Localisateur d'impacts de particules ionisantes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cette ligne consiste en un sillon creusé dans les couches implantées jusqu'à une certaine profondeur dans le substrat. 4. Tube à image comprenant un écran d'entrée soumis à un flux incident et composé d'un ensemble comprenant un scintillateur et une photocathode, lequel ensemble fournit, en réponse audit flux incident, un flux d'électrons émanant, en fonctionnement, de la photocathode, des moyens étant associés au tube pour focaliser le pinceau d'électrons émis par chaque point de la photocathode vers un second écran, dit écran de sortie du tube, caractérisé en ce que ledit écran de sortie comporte un localisateur suivant l'une des revenGications 1, 2 ou 3.