Brevet FR2483627A1 — publié le 19811204

La présente invention se rapporte à un détecteur à iemrni-conducteur a couche d'arrêt, destiné notamment à 8tr;- utilisé dans la technique des radiations électroni- ques pour déceler la présence d'électrons et qui présente une structure semi-conductrice comportant une couche d'arrêt constituée soit par une jonction pn, soit par une jonction métal/semi-conducteur, et par une matière de base semi-conductrice de valeur ohmique élevée. Les détecteurs à semi-conducteur sont utilisés dans la technique des radiations électroniques en tant que dis- positifs pour déceler dans une plage d'énergie 450 keV la présence d'électrons dispersés. Afin de pouvoir obtenir un rapport signal/bruit avan- tageux du signal enregistré pour des courants de faisceau électronique habituels dans la technique des radiations électroniques, il est nécessaire que le détecteur présente une surface détectrice sensible aux radiations qui est re- lativement grande (environ i cm2) (voir, par exemple, Ortec technical Date "Silicon Surface-Barrier and Ion- implanted Detectors for charged particles"). La couche morte des détecteurs doit, en outre, être petite en raison de la faible profondeur de pénétration de la radiation. Des dispositifs connus pour déceler des électrons de faible énergie utilisenten tant que matière de base du silicium d'une résistance spécifique E 5 k Ohm. La fen&- tre d'impact pour les radiations électroniques de ces dis- positifs présente des couches mortes de faible épaisseur et de ce fait ces dispositifs permettent d'obtenir une grande sensibilité de détection (voir, par exemple, Conférence US RMA Chicago 1975). En raison de leur faible résistance de base, la zone de charge d'espace de ces dispositifs présente une capacité C relativement élevée. Etant donné que la courbe de réponse de ces disposi- tifs détecteurs à semi-conducteur est déterminée par le circuit RC, que la résistance de charge R ne doit pas être inférieure à une valeur déterminée en raison du rapport signal/bruit:et que, pour les mêmes raisons, la surface détectrice des détecteurs doit être relativement grandeces dispositifs connus ne convenant que pour de faibles fré- quences limites supérieures (voir, par exemple, Electron and Ion beam Science and Techn. 1978). Il est connu que la capacité de la zone de charge d'espace diminue avec l'augmentation de la résistance de la matière de base et qu'il est ainsi possible de réali- ser des détecteurs à valeur ohmiqve élevée pour des fré- quences limites plus élevées. Cependant, ces détecteurs présentent, en raison de leur structure, des couches mor- tes d'une plus grande épaisseur au niveau de la fenêtre d'impact. De ce fait la limite de détection pour des élec- trons se trouve déplacée en direction d'énergies plus élevées et l'absorption préalable à l'intérieur de la cou- che morte entraine pour les électrons à énergie élevée une sensibilité de détection qui est nettement inférieure à celle des dispositifs de plus faible résistance spécifique. Il en résulte également un autre effet défavorable qui consiste en une augmentation- du courant traversant la struc- ture semi-conductrice et en une augmentation du bruit pro- pre (voir, par exemple, Nucl. Instr. and Methods, volume 12). Pour ces raisons les détecteurs à valeur ohmique éle- vée ne conviennent pas à l'utilisation dans la technique des radiations électroniques pour la plage d'énergie men- tionnée au début. La capacité de la zone de charge d'espace dépend non seulement de la grandeur de la structure mais également de la tension de blocage appliquée au dispositif; cependant dans la technique des radiations électroniques au moins l'ordre de grandeur de cette tension est prédéterminée. Une tension de blocage appliquée au dispositif augmente de plus le courant passant par la structure semi-conductrice et -de ce fait également le bruit propre. Dans la plupart des dis- positifs connus on renonce pour ces raisons à appliquer une tension de blocage, ou celle-ci est maintenue 10 V (voir, par exemple, Thornton: Scanning electron microscopy, 248362? Loicndres 1974 page 191 ou Conférence US RAM Chicago 1975). Il est connu que le courant passant par la structu- re peut être diminué au moyen d'une diode de protection entourant la surface détectrice du détecteur (voir, par exemple, Nuel. Instr. and Methods, vol. 159). La présente invention vise à augmenter la précision et la sensibilité de détection et à améliorer l'utilisation universelle du détecteur notamment pour des fréquences plus élevées. La présente invention a donc pour objet de créer, de façon simple, un détecteur à semi-conducteur destiné à être utilisé dans la technique des radiations électroni- ques et qui, en plus d'une grande sensibilité de détection, présente, pour une tension constante, une fréquence limite plus élevée et un meilleur rapport signal/bruit du signal de détection par rapport aux dispositifs électroniques montés à la suite. - Ces problèmes ci-dessus sont résolus suivant l'in- vention par un détecteur à semi-conducteur à couche d'arrêt pour le décèlement d'électrons, notamment destiné à l'uti- lisation dans la technique des radiations électroniques et qui présente une structure semi-conductrice comportant'une couche d'arrêt constituée soit par une jonction pn soit par une jonction métal/semi-condUcteur, et une matière de base semi-conductrice, ce détecteur étant caractérisé en ce que la matière de base semi-conductrice présente une valeur ohmique élevée et comporte, en contact avec la couche d'ar- rêt, une mince couche présentant une concentration de do- page plus élevée, en-ce que l'épaisseur de la couche est inférieure ou égale à la pénétration-maximale dans la matière -de base semi-conductrice des électrons du faisceau arrivant sur le détecteur, et en ce que l'étendue superfi- cielle de la couche est inférieure ou égale à-l'étendue de la couche d'arrêt se trouvant au-dessus. Dans le cas de - jonctions pn,il est avantageux que la concentration de dopage et l'épaisseur de la couche correspondent à un decalage de la jonction pn par rapport à la surface. Il est 248362? également avantageux d'encastrer plusieurs segments de détecteur, sensibles aux radiations et séparés électrique- ment les uns des autres, dans une diode de protection superficielle distincte. Lors de la réalisation du détecteur suivant l'in- ventionon utilise intentionnellement, pour réduire la capacité, une matière de base à valeur ohmique élevée, ce qui augmente normalement l'épaisseur de la couche morte et entraine une réduction de l'efficacité. La matière de - base à valeur ohmique élevée est dopée suivant l'invention de façon qu'une mince. couche'à faible valeur ohmiqueet présentant l'étendue et la position indiquées ci-dessus, est créée en tant que couche d'arrêt à ia surface de la matière de base. Le détecteur ayant la structure semi- conductrice suivant l'invention ne présente plus l'effet défavorable de l'augmentation de l'épaisseur de la couche morte et de la-diminution de l'efficacité. 'e ce fait, on peut réaliser un dg"étecteur à semi-conducteur dont la sen- sibilité de détection est très élevée même pour la plage d'énergies utilisée dans la technique des radiations élec- troniques et qui permet, de plus, d'obtenir une fréquence limite élevée et un bon rapport signal/bruit pour les dis- positifs électroniques à commander et qui sont montés en aval. L'influence exercée-par les surfaces sur le courant et sur le bruit dueaux segments de détection est réduite grâce à l'encastrement de plusieurs segments de détection, indépendants les uns des autres, dans une diode de protec- tion commune. De ce fait le rapport signal/bruit est encore amélioré ce qui est-particulièrement important notamment lors d'une fréquence limite élevée. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, -à titre d'exemple non limitatif,au dessin annexé. La figure unique représente, en coupe, un détecteur à couche d'arrêt suivant l'invention. L.(;).Äct.r -t couche d'arrêt représenté comporte unr s-i,-:,,nducte:ur de base 1 d'un type de conduction A par xeip e lu.t,type n) et de résistance spécifique très élevee (3 = 10 k Ohm.ra). Le semi-conducteur de base i est réalisé a partir d'un disque en silicium-n selon l'un des procéd;s l coutus (par Lainlage, polissage par décapage et [i.mpIauitationl ou dopage de phosphore). Une couche semi- coitiuctrice 5, du type de conduction A et présentant une faibtle r'ôsistance spécifique, est prévue sur la face infé- iO rieure dlu seni--conducteur de base 1. La couche semi-con- ductrice 5 est crece sur la face arrière du semi-conduc- ecur de base 1 par un dopage avec du phosphore sous une 14 -2 énergie d'environ.15 keV et sous une dose de 1.10 cm et la couche obtenue est revêtue d'une couche métallique 8. Une couche,,constituée par un semiconducteur d'un type de conduction B (par exemple du type p) et présentant une faibler résistance spécifique, est incorporée dans la surface du semi-conducteur de base 1. Sur la face inférieure de la couche semi-conductrice 3, entre cette dernière et le semi-conducteur de base l, est disposée une couche semi- conductrice 2 qui est du type de conduction A et présente une faible résistance spécifique. La structure à la surface du semi-conducteur de base 1 est réalisée en créant la couche semi-conductrice 2 par un dopage du semi-conducteur de base 1 dans la zone superficielle au moyen d'une énergie -2 de dopage de lO0 keV et d'une dose de 5,10 cm. Après le processus de régénération connu, la surface du semi- conducteur de base 1. est dopée de bore sous une énergie de keV et sous une dose de 5.1014 cm, et sous un angle de 7 par rapport à la normale du disque, afin de créer une jonction pn. Une couche semi-conductrice 4 du type de conduc- tion B et constituant une diode de protection est, de plus, réalisée à la surface du semi-conducteur de base 1 de la même manière que la couche semi-conductrice 3. Afin de: réaliser les contacts, la-couche semiconductrice 3 est recouverte d'une couche métallique 6 et la couche semi- 248362? conductrice 4 d'une couche métallique 7. Lorsque le détecteur à couche d'arrêt,représenté en coupe, comporte plusieurs jonctions pn (segments sensibles aux radiations) celles-ci sont toutes entourées par la couche semi- conductrice 4 constituant une diode de protection. aO - 248362? RLVENDICATIONS 1 - Détecteur à semi-conducteur à couche d'arrêt, destine notamment à être utilisé dans la technique des radiations électroniques pour déceler la présence d'élec- trons, it qui présente une structure semi-conductrice comportant une couche d'arrêt constituée soit par une jonction pn soit par une jonction métal/semi-conducteur, et par une matière de base semi-conductrice, caractérisé en ce que la matière de base semi-conductrice présente une valeur ohmique élevée et comporte, en contact avec la couche d'arrêt, une mince couche présentant une concentra- tion de dopage plus élevée, en ce que l'épaisseur de la couche est inférieure ou égale à la pénétration maximale dans la matière de base semi-conductrice des électrons du faisceau arrivant sur le détecteur, et en ce que l'éten- due superficielle de la couche est inférieure ou égale à l'étendue de la couche d'arrêt se trouvant au-dessus. 2 - Détecteur à semi-conducteur à couche d'arrêt suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas de jonction pn la concentration de dopage et l'épais- seur de la couche dépendent du décalage de la jonction pn par rapport à la surface. 3 - Détecteur à semi-conducteur à couche d'arrêt suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs segments de détection, sensibles aux radiations et séparés électriquement les uns des autres, sont incorporés dans une diode distincte de protection superficielle.