Brevet FR2471053A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs photodétecteurs en particulier sensibles aux rayonnements infrarouges nécessitant une grande surface de détection tout en maintenant une performance satisfaisante. Les détecteurs photovoltaiques infrarouges sont bien connus ; ils sont habituellement formés selon la technique planar à partir d'un substrat en matériau semi-conducteur présentant un premier type de conductivité et une zone présentant un second type de conductivité formant une jonction avec la région du premier type. De tels détecteurs sont usuellement formés à partir d'un alliage de trois éléments dont les différentes proportions permettent de faire varier la largeur de la bande interdite et par là la gamme de la longueur d'onde de réponse du détecteur. De tels détecteurs présentant une large surface de détection sont difficiles à fabriquer, fournissent de mauvais rendements et ont une forte capacité électrique qui limite leur uti- lisation en haute fréquence. De plus ils ne sont généralement pas "BLIP" (bacs ground limited in performance). Les détecteurs BLIP sont caracterisés par des performances de détection uniquement limitées par le courant de fond ambiant, seul générateur de bruit. Une technique classique permettant de réduire les dimenm sions des détecteurs et d'augmenter leur performances consiste à réaliser l'immersion optique de ces détecteurs afin d'augmenter la surface apparente de détection. L'immersion optique des détecteurs est habituellement obtenue par collage du détecteur contre une lentille à fort indice de réfraction à l'aide d'un produit adhésif. Cependant les médiocres qualités optiques et mécaniques du produit adhésif limitent considérablement le gain dû à l'immersion. Dans le cas de photodétecteurs infrarouges, une telle immersion ne procure aucun gain. Le but de la présente invention est de réaliser des photodétecteurs infrarouges de grande surface présentant de bonnes performances, permettant de s'approcher de celles des détecteurs "BLIP". L'objet de l'invention est de réaliser une immersion optique du photodétecteur selon une technique monolithique permettant de s'affranchir de l'adhésif. L'invention consiste à usiner le substrat après la création de la jonction selon une surface convexe centrée sur la jonction ledit usinage permettant d'augmenter la surface apparente de détection dudit dispositif semi-conducteur. Le dispositif semi-conducteur comprenant un substrat recouvert sur un côté d'une couche d'un matériau présentant un premier type de conductivité et dans cette couche sur au moins une partie, une zone d'un second type de conductivité formant une jonction PN avec la région du premier type, présente une grande surface de détection par adjonction d'une lentille ladite lentille étant usinée dans le substrat lui même selon une forme convexe centrée au voisinage de ladite jonction PN, ledit substrat étant choisi dans un matériau transparent au rayonnement que l'on souhaite détecter. Le dispositif de l'invention est formé par exemple d'un substrat en CdTe et d'une couche, dans laquelle la jonction est crée, en Hgl x Cdx Te, x entant'un nombre non nul inférieur à 1. Le dispositif de l'invention comporte un substrat formant lentille qui est usiné selon une hémisphère centrée sur la jonction PN. Le dispositif de l'invention comporte un substrat formant lentille qui est usiné selon une hyperhémisphère ladite jonction PN étant placée en l'un des points de Weierstrass conjugués du centre de l'hyperhémisphère et de son point extérieur situé sur l'axe de révolution. Le dispositif de l'invention permet d'obtenir de bonnes performances tout en maintenant une large surface de détection. D'autres avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. Les figures la et lb représentent schématiquement le procédé selon l'invention à lentille hémisphérique. La figure 2 représente schématiquement les rayons lumineux captés par la lentille hémisphérique de la figure 1. Les figures 3a et 3b représentent schématiquement le procédé de fabrication d'un photodétecteur à lentille hyperhémissphérique. La figure 4 représente les rayons lumineux captés par la lentille hyperhémisphérique des figures 3a et 3b. En se référant à la figure 1, on fait croitre par épitaxie en phase vapeur ou par tout autre moyen connu en soi, par exemple par épitaxie en phase liquide, par pulvérisation cathodique, par diffusion à l'état solide, par jet moléculaire, une couche 2 d'un composé semi-conducteur à partir d'un substrat 1 choisi dans un matériau présentant une largeur de bande interdite diminuant quand on passe du substrat 1 à ladite couche 2. La couche 2 peut être par exemple réalisée en un matériau ternaire qui présente une largeur de bande interdite plus étroite pluc atreite que cclle du substrat qui est lui même un composé binaire dont les constituants se retrouvent dans la couche 2. Cette couche 2 est d'un certain type de conductivité et on diffuse à la surface externe de cette couche 2 une impureté ou un élément--de l'alliage destiné à doper localement la zone 3 de la couche 2 afin d'obtenir un autre type de conductivité et de former une jonction PN. On usine ensuite le substrat 1 selon une hémisphère du côté opposé à la jonction. Tout procédé d'usinage connu peut convenir, il suffit que la jonction PN créée au voisinage des couches 2 et 3 soit placée au centre C de la demi sphère ainsi réalisée, ainsi que représenté sur la figure lb. On applique ensuite sur la surface (S) convexe du substrat 1 formant lentille une couche antireflet bien connue de l'homme de l'art, afin de limiter les pertes optiques par réflexion sur cette surface (S). Le photodétecteur ainsi réalisé est éclairé par la face arrière du substrat qui forme ainsi la lentille. La figure 2 illustre l'image apparente du photodétecteur de la figure lb centré en C et de rayon CB. Tout rayon lumineux (R) a une image CB' apparente dans le même plan diamétral que son image réelle CB. Le grandissement linéaire r de la lentille ainsi réalisée est i = n sachant que n est l'indice relatif du matériau formant le substrat. La surface apparente du photodétecteur de la figure lb est ainsi, selon l'invention, multiplié par n2. Un exemple de réalisation préféré de l'invention consiste, à partir d'un substrat 1 en CdTe, à réaliser par épitaxie en phase vapeur, en phase liquide, par pulvérisation cathodique, par diffusion à l'état solide, par jet moléculaire ou par tout autre moyen connu en soi, une couche 2 en Hg1 x Cdx Te dont la composition x en cadmium en surface est avantageusement choisie de l'ordre de 0,20 à 0,24. La zone 3 de type N est réalisée par la technologie planar précitée. Dans ces conditions le-photodé- tecteur présentera une réponse maximum aux rayonnements de longueurs d'ondes comprises entre 9 et 14 microns. Dans cette gamme de longueurs d'ondes, le substrat 1 en CdTe est transparent à ces rayonnements et a un indice n moyen égal à 2,67.Les pertes par réflexion peuvent être limitées à moins de 10 % par un traitement antireflet approprié sur la surface (S). On évalue alors que pour un diamètre réel égal à 0,75 mm l'adjonction du substrat formant lentille hémisphérique permet d'obtenir un gain théorique en surface de détection de 7,1. Le tableau suiyant illustre les avantages procurés par le dispositif photodétecteur de l'invention. avec lentille sans lentllle hfimispherique hémisphérique ~ apparent 2 mm 2 mm surface apparente 3,14 mm2 3,14 ~ Réel 2 mm 0,75 mm Surface réelle 3,14 2 9,442 D* cm Hzl/2/K i.loio 2.1010 pour = # Strd D* cm Hz112/w 2,5.101 5.1010 pour = 0,44 Strd C (pF) 1500 210 a Vpl = - 10 mV R (R) ) 40 300 8 Vpl = O L'épaisseur du substrat 1 dans ces exemples de réalisation est de l'ordre du millimètre ; celle de la couche 2 est de l'ordre de plusieurs dizaines de microns. La figure 3a représente un photodétecteur réalisé en technique planar de la même façon que sur la figure la. Le substrat 1 est un matériau binaire semi-conducteur. La couche 2 a été obtenue par épitaxie en phase vapeur ou tout autre moyen à partir du substrat 1 et présente un premier type de conductivité. La zone 3 d'un autre type de conductivité est obtenue par diffusion d'une impureté ou d'un élément de l'alliage dans la couche 2 localement. On usine ensuite conformément à la figure 3b le substrat 1 en hyperhémisphère, la jonction PN étant alors placée au point de Weierstrass déterminé par l'indice relatif du substrat. En effet si n est l'indice relatif de la lentille hypersphérique et si 0 est le centre de l'hyperhémisphère, les points A et A' situés sur l'axe Y Y' de révolution de la lentille hyperhémisphérique sont conjugués des points 0 et P, sachant que P est le bord extérieur de cette sphère, autre que A, situé sur cet axe de révolution Y Y'. Les points A et A' sont les points stigmatiques de l'hyperhémisphère de la figure 3b ainsi que représentés également sur la figure 4.Les points A et A' sont également aplanétiques et sont reliés par les relations CA - C CA' = n CP n CA' = n CP Ainsi la jonction PN placée en A et de dimension AB permet de capter des rayonnements comme s'ils venaient de B'. Le gran dissement linéaire est donc y = n2 et la surface apparente du photodétecteur placé en A est ainsi multipliée par n4, sachant que n est l'indice relatif du substrat 1. En contre partie le champ du détecteur est limité au demi angle i tel que sin i= n. Selon la figure 3b, le substrat 1 formant hyperhémisphère a été usiné uniquement suivant la partie opposée à la jonction PN selon une demi sphère centrée en O et les bords supérieurs de l'hyperliémisphère sont maintenus droits mais il serait également possible d'usiner la partie supérieure du substrat 1 ainsi que la couche 2 obtenue par croissance sans changer le procédé de l'invention. Dans la réalisation préférée de l'invention ou le substrat 1 est en Cd Te, la couche 2 en Hgl ÇCdxTep x étant de préféren- ce compris entre 0,20 et 0,24 en surface, le substrat 1 en CdTe est transparent et a un indice moyen égal à 2,67. Un traitement anti-reflet sur l'hyperhémisphère limite les pertes par réflexion à moins de 10 %. Le gain théorique en surface du photodétecteur à hyperhémisphère est alors égal à 50,8, avec un angle de vue peu différent de 220 soit encore 0,46 strd.Le tableau suivant résume les performances du photodétecteur avec lentille hyperhémisphèrique avec lentille sans lentille hyperhémispséri que apparent Surface apparente 3,14 mm2 3,14 ~ Réel 2 mm 0,28 - Surface réelle 3,14 mm 0,0615 cm cm Hz1/2/W 1.l0l0 x Pour = trstrd cia Hz1/2/W 2,5.1010 6,5.1010 Pour = 0,44 strd C (pF) 1500 30 Ci Vpl 10 mV R (li) 40 2000 à Vpl = 0 De tels photodétecteurs à lentille hyperhémisphérique ou hémisphérique fabriqués selon une technique monolithique facilitent considérablement l'adaptation au préamplificateur et donc leur utilisation à des fréquences élevées du fait d'une capacité électrique faible et d'une grande résistance. Les exemples de photodétecteurs ont été décrits pour un substrat 1 en CdTe et une couche 2 en Hg Cd Te mais il serait également possible d'utiliser un substrat en PbTe et une couche 2 en Pb Sn Te. Un tel procédé d'immersion optique pour photodétecteur est applicable aussi bien aux détecteurs photovoltalques qu'aux pho t#oconducteurs sans changer le procédé de fabrication. Le procédé décrit dans la présente invention consiste à usiner le substrat après création de la jonction mais il serait également possible sans changer les performances procurées par le détecteur de l'invention d'usiner le substrat avant même la création de la jonction, par exemple après la croissance de la couche 2. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant un substrat recouvert sur un côté d'une couche en un matériau également semi-conducteur et présentant un premier type de conductivité et dans cette couche, sur au moins une partie de ladite couche, une zone d'un second type de conductivité obtenue par dopage au moyen d'un agent dopant et formant une jonction PN, ledit dispositif comportant une lentille optique, procédé caractérisé en ce qu'on usine le substrat apres la création de la jonction selon une surface convexe centrée sur la jonction ledit usinage permettant d'augmenter la surface apparente de détection dudit dispositif semi-conducteur. 2 - Dispositif semi-conducteur comprenant un substrat recouvert sur un côté d'une couche en matériau semi-conducteur présentant un premier type de conductivité et dans cette couche sur au moins une partie, une zone d'un# second type de conductivité formant une jonction PN avec la région du premier type, le dit dispositif présentant une grande surface apparente de détec tion par adjonction d'une lentille, dispositif caractérisé par le fait que la lentille est usinée dans le substrat lui même selon une forme convexe centrée au voisinage de ladite jonction PN ; ledit substrat étant choisi dans un matériau transparent au rayonnement que l'on souhaite détecter. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le substrat est en CdTe, la couche dans laquelle la jonction est créeaen Hgl x Cdx Te, x étant un nombre non nul inférieur à 1. 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé par le fait que la lentille est usinée selon une hémisphère centrée sur la jonction PN. 5 - Dispositif selon la revendication 2 ou 3 caractérisé par le fait que la lentille est usinée selon une hyperhémisphere, ladite jonction PN étant placée en l'un des points de Weierstrass conjugués du centre de l'hyperhémisphère et de son point extérieur situé sur l'axe de révolution.