Brevet FR2468999A1 — publié le 19810508

L'invention concerne un détecteur de rayonnement à photodiode ; le détecteur fonctionne par conversion du rayonnement incident en charges libres porteuses du signal captées par les électrodes de la photodiode. De tels détecteurs sont connus de l'art antérieur. Leurs destinations sont très diverses suivant la nature du rayonnement qu'ils ont à détecter, rayonnement X ou#, en médecine, pour la radiologie simple, la tomographie assistée par ordinateur, la scintigraphie etc., ou flus de particules ionisantes, dans le domaine nucléaire. Dans tous les cas, un scintillateur reçoit le rayonnement incident et le transforme en un rayonnement photonique qui impressionne une photodiode appliquée contre le scintillateur ; le signal de la photodiode sert de mesure au rayonnement incident. Pour cette mesure, notamment pour des raisons de bruit, on recherche une faible capacité de la photodiode. Cette condition est bien connue de l'homme de l'art en ce domaine. Or, dans l'art antérieur, on utilisait généralement une photodiode unique d'une surface du meme ordre que le scintillateur sur lequel elle était appliquée. Cela conduisait à une capacité élevée à cause de la grande surface de la photodiode et, de façon corrélative, à des difficultés relativement à l'électronique de lecture associée, en fonctionnement, au détecteur. Pour pallier cette difficulté, on ne peut avoir recours, comme cela se pratique dans dVawsres genres de dispositifs, lorsque la photodiode est directement soumise au rayonnement incident, à une focalisation du faisceau incident, car une telle focalisation, appliquée au flux de photons entre le scintillateur et la photodiode, présenterait un rendement très insuffisant pour permettre une bonne mesure. Selon l'invention, la réduction de capacité-recherchée est obtenue par l'utilisation d'une photodiode morcelée en un réseau de photodiodes élémentaires, de petites dimensions, formées dans un meme substrat appliqué contre le scintillateur et présentant chacune, du fait de ces dimensions, une capacité réduite ; le captage par les électrodes des photodiodes des charges libres en circulation dans le substrat se fait par collection latérale. Ce réseau est réparti sur le substrat à l'intérieur du périmètre limitant le rayonnement photonique incident. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent Fig. 1 : une vue en coupe d'un détecteur de rayonnement de l'invention Fig. 2 : une vue en coupe montrant le détail de la réalisation d'une partie d'un tel détecteur Fig. 3 : une vue en plan relative au détecteur de l'invention. La figure 1 représente, vu en coupe,un détecteur de l'invention. On distingue sur cette figure, un scintillateur 1 soumis au rayonnement incident représenté par les flèches ondulées, et un substrat semi-conducteur 2, dans lequel sont formées des photodiodes, élémentaires, de petite surface 3 ; le dessin montre un certain nombre d'entre elles alignées dans le plan de coupe ; les photodiodes recoivent le flux de photons, représenté par les flèches droites, engendrés dans le scintillateur par le rayonnement incident. Les deux pièces, scintillateur et substrat, en forme de lames minces, sont appliquées l'une contre l'autre par l'une de leurs grandes faces, par l'intermédiaire, dans l'exemple, d'une couche 4 d'un matériau assurant leur couplage optique, huile, graisse, résine ... Le substrat 2 porte sur sa face inférieure, une couche de contact 5,et sur sa face supérieure, une couche d'isolement 6. Un contact 7 est représenté sur la figure avec son fil de connexion 8, qui sert au prélèvement du signal de la ligne de photodiodes. Les matériaux utilisés sont pour le scintillateur 1' iodure de césium, lOs, notamment, et préférentie#e- ment le silicium pour le substrat. Le silicium se prête en effet particulièrement bien à la réalisation d'un réseau de photodiodes ponctuelles, dans une plaquette de type n à îOJ0 > .cm par exemple, par dopage de zones de type p, par diffusion à travers un masque notamment. La capacité d'une photodiode est celle du condensateur dont les deux armatures seraient la zone dopée 3 et la partie du substrat qui lui fait face de l'autre côté de la zone de charge d'espace créée sous la zone dopée, lorsque la photodiode correspondante est polarisée en inverse, dans les conditions connues de l'art en matière d'état solide ; la zone de charge d'espace en question en constituerait le diélectrique entre les armatures. Dans la variante de la figure, les photodiodes élémentaires sont formées sur la face du substrat par laquelle celui-ci est appliqué sur le scintillateur ; dans le cadre de l'invention, elles pourraient lïeAtre sur la face opposée, moyennant les changements correspondants dans le reste de la structure, notamment pour les couches 5 et 6. Un exemple du détail dgune telle diode est representée sur la figure 2, en coupez Dans 1la substrat 2, en silicium de type n, est réalisée une zone dopée 30 de petites dimensions de type p, par tout moyen, diffusion ou implantation par exemple ; le substrat est recouvert d'une première couche 20, en un matériau électriquement isolant, de la silice par exemple, tout autour de la zone 30, et de toutes les autres zones semblables relatives aux autres diodes ; un contact 31 est prévu sur cette zone, sous la forme d'un dépôt de silicium polycristallin par exemple. Ce dépôt se prolonge jusqu'à la zone voisine comme le montre le dessin et relie électriquement toutes les zones d'une même ligne entre elles ; chacune des diodes comporte enfin un contact, fait par dépôt de mé#tal-par exemple, qui porte le repère 32. Ce dépôt est électriquement isolé des autres dépôts semblables par une-seconde couche isolante 22, en silice également. Sur la figure, la couche n(+), recouvrant le substrat de;type n sur la face inférieure, constitue le contact 5 de la figure précédente. Ainsi se trouve réalisé, à la surface du substrat 2, le réseau de photodiodes des dispositifs de l'invention, séparées les unes des autres et sur lesquelles sont prélevés les signaux correspondant au rayonnement incident. La zone de charge d'espace apparaissant en fonctionnement sous chacune d'elles est celle recouverte de croix. Sur les figures précédentes, en coupe, seule une ligne de photodiodes est visible. Comme on l'a dit, lten- semble de celles-ci est réparti en un réseau sur toute la partie de la face du substrat, ou partie utile, située à l'intérieur du périmètre auquel est limité le rayonnement photonique. La figure 3 montre en plan un exemple d'un tel réseau, à lignes et colonnes rectangulaires ; on retrouve sur la figure, avec les mêmes repères, les éléments visibles de la figure précédente ; on y voit, en outre, une bande conductrice 34 perpendiculaire aux bandes de silicium polycristallin 31, qui sert de contact commun à toutes ces bandes, pour le prélèvement du signal global du détecteur sur la borne 36 ; on notera que la présence de la couche isolante 22 de la figure précédente n'est alors pas indispensable ; c'est pourquoi elle ne figure pas dans cette vue en plan. Sur la figure 3, on a désigné par E et H les dimensions utiles du substrat 2, ctest-à-dire les dimensions du périmètre précédent, rectangulaire, dans la direction des lignes et la direction perpendiculaire, c'est-à-dire celle des colonnes ; les quantités k et h désignent les pas du réseau dans les deux directions; les zones dopées sont préférentiellement limitées à des carres de côté d. En fonctionnement , les photodiodes sont polarisées en inverse par des moyens de polarisation non représentés, comme connu de l'art. Les charges libres créées dans le substrat couplé au scintillateur par le rayonnement incident sont captées par les photodiodes. Ce captage se fait par collection latérale ; les charges libres, des trous dans le cas des exemples décrits,gagnent les zones dopées 30 (figure 2) après un trajet oblique dans le substrat, vers celles de ces zones les plus rapprochées du point d'incidence. On trouvera des précisions sur ce mode de collection dans l'article de H. Holloway dans t'Journal of Applied Physicsfl référence 49, 4264-4269 de juillet 1978. Cette collection se fait à faible capacité et à faible bruit. On doit noter qu'il y a, dans le détecteur de l'invention, un certain risque de recombinaison des porteurs libres du fait de la longueur de leur trajet vers les photodiodes élémentaires. a 2est pourquoi il est nécessaire de limiter les pas du réseau de photodiodes (cotes h et k de la figure 3), ce pas doit être choisi inférieur au libre parcours moyen L de la diffusion des charges libres vers les photodiodes.Pour des raisons technologiques, d'autre part, les photodiodes élémentaires (zones 30 de la figure 2) ne peuvent présenter des dimensions, côté d précédent, inférieures à une certaine limite, de sorte que, globalement, la réduction. de capacité recherchée ne peut dépasser une certaine valeur limite 2 théorique, en gros (d) , soit, pour X î.oe%m et d = 5 au, la valeur 400 . Cette limite serait de 10 000 pour des carrés, ou plots, de 1 Am de côtés. On voit que la réduction théorique réalisable est substantielle par rapport à l'art antérieur à photodiode unique.Ce facteur de réduction doit d'ailleurs être corrigé, pour tenir compte de la capacité apportée par les connexions elles-mêmes ; il est de ce fait inférieur aux valeurs données ci-#dessus, dans une proportion qui dépend de la réalisation de ces connexions. Pour éviter, enfin, le risque de recombinaison mentionné plus haut, il faut également que le substrat 2 présente une épaisseur limitée, de l'ordre de 10 à 20/dom pour le silicium, ce que l'on obtient facilement par épitaxée à partir d'une plaquette n(+). Quelques valeurs numériques comparatives sont données ci-dessous. Les photodiodes des détecteurs de l'art antérieur présentent couramment une surface utile de l'ordre du centimètre carré ; on a notamment K = 4 mm et R = 20 mm. Un dispositif de prise de vues, une installation de tomographie assistée par calculateur par exemple, comprend un grand nombre de modules, chacun composé de plusieurs dizaines de ces détecteurs. La capacité d'une de ces photodiodes est de quelques nanofarads, 4 à 5 couramment. Avec les photodiodes élémentaires de l'invention, cette capacité est ramenée à 150 à 300 picofarads,pour un réseau couvrant la même surface que la photodiode unique et de pas k et h de 100 Am et 125# respectivement. Au bruit dû à cette capacité il faut encore ajouté celui du circuit de lecture et, notamment, de l'amplificateur opérationnel et de la capacité d'intégration montée à ses bornes. Le bruit final sera, toutes choses égales par ailleurs, d'autant plus faible que le rapport de la première à la seconde de ces capacités sera faible. Enfin, on a décrit ci-dessus le cas de photodiodes formées par des zones dopées de type p dans un substrat de type n. Il va sans dire que l'invention couvre également le cas où ces types sont inversés et,d'une façon générale, celui de tout réseau de photodiodes quelqu'en soit le mode de réalisation. 'l'invention concerne aussi les dispositifs de prise de vues utilisant de tels réseaux de photodiodes. REVE #1) I CA T IONS 1. Détecteur de rayonnement composé d'un scintillateur exposé au dit rayonnement et d'un substrat semi-conducteur plat, appliqué, par l'une de ses faces, contre le scintillateur et préparé de façon à présenter l'effet de diode lorsqu'une polarisation lui est appliquée, et doué en outre de la propriété de photoélectricité, à savoir d'être le siège d'un mouvement de charges libres vers les électrodes de la diode polarisée en inverse lorsqu'il est atteint par des photons, le substrat en question recevant en fonctionnement les photons engendrés par le scintillateur sous l'effet du rayonnement#incident, caractérisé en ce-que l'effet de diode en question est assuré par un réseau de diodes élémentaires séparées, formées sur l'une des faces du substrat, dans sa partie située en regard du scintillateur. 2. Détecteur de rayonnement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face sur laquelle sont formées les diodes élémentaires est celle appliquée contre le scintillateur. 3. Détecteur de rayonnement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est fait de silicium de type A et les diodes élémentaires formées par des zones dopées de type p. 4. Détecteur de rayonnement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes élémentaires sont disposées à la croisée de lignes et de colonnes rectangulaires. 5. Dispositif de prise de vues comprenant au moins un détecteur suivant l'une des revendications 1, 2, 3, ou 4.