Brevet FR2476915A1 — publié le 19810828

Détecteur solide E-dE intégré épitaxial, notamment pour téléscope. La présente invention a trait à un détecteur à l'état solide, notamment pour téléscope, qui est composé d'un détecteur dE relativement fin et d'un détecteur E épais et qui est utilisé pour l'identification de particules chargées et la mesure de l'énergie incidente de ces particules. Jusqu'à maintenant, les détecteurs E et dE utilisés dans ce but sont fabriqués individuellement. Pour identifier des particules chargées lourdes et de faible énergie, il faut un détecteur mince ayant une épaisseur inférieure à 10 pm pour constituer le détecteur dE de ce télédétecteur solide. Ce détecteur mince était fabrique à partir d'une pastille de silicium épitaxiale pardecapage (attaque) d'un substrat fortement dopé en utilisant une technique chimique de décapage préférentiel ou une technique électrochimique de décapage. Toutefois, ce procédé présente l'inconvénient que le détecteur dE subisse une dégradation de l'uniformité de son épaisseur, provoquée par les irrégularités de décapage et, par ailleurs, le procédé de décapage est lui-même difficile à mettre en oeuvre. C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est d'éliminer ces inconvénients en fournissant un nouveau type de détecteur - qui intègre les détecteurs d et E en un bloc unique, - qui soit un détecteur E-dE solide intégré épitaxial réalisé en utili sant une technique de croissance épi taxi ale de cristal combinée avec une technique de diffusion d'impuretés de façon à obtenir un détecteur dE fin sans employer un procédé hautement technique de décapage du substrat, - qui possède un détecteur dE fin dont l'épaisseur soit hautement uni forme en éliminant la cause additionnelle de non-uniformité provenant du décapage du substrat, - qui soit d'un type compact et renforcé et soit facile à manier, car fabriqué sur une pastille semi-conductrice simple, - et qui élimine une séparation des détecteurs dE et E, ce qui minimise une perte défavorable de comptage dans le détecteur E par une disper sion des particules chargées dans le détecteur dE. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus completement dans la description suivante donnée à titre d'exemples non limitatifs et en regard des dessins annexés sur lesquels - La Fig. 1 montre un détecteur solide compose de détecteurs E et dE produits individuellement afin d'illustrer le contexte de l'invention. - La Fig, 2 (a) montre un schéma d'un détecteur intégré E-dE épitaxial illustrant une première forme de réalisation conforme à l'invention, et la Fig. 2 (b) montre un graphique représentant la distribution de potentiel dans ce détecteur. - La Fig. 3 montre un schéma représentant la disposition géométrique et l'agencement d'electrodes d'un exemple de la présente invention pour confirmer l'utilité de celle-ci. - La Fig. 4 montre un schéma illustrant un profil de la résistance répartie de la pastille de silicium pour produire cet exemple de détecteur solide E-dE intégré selon l'invention. - La Fig. 5 représente des graphiques il les trant les spectres de pertes d'énergies de particules alpha de 241Am dans des détecteurs E et dE et le spectre de la somme des pertes d'énergie E et dE. Des matériaux de type P peuvent être utilisés à la place des materiaux du type N dont il est question dans cette description. Une technique d'implantation d'ions et une technique de croissance de cristal épitaxialepeuvent être utilisées au lieu de la technique de diffusion d'impuretés pour produire la couche de très faible résistivité qui est enrobée par la couche épitaxiale. En se référant à la Fig. 1 on voit un détecteur solide composé de détecteurs dE et E produits individuellement pour expliquer le contexte de l'invention et les Fig. 2 à 5 montrent la première forme de réalisation de l'invention. Sur la Fig. 1, les références 1' et 2' désignent des détecteurs dE et E placés en parallèle sur le même axe et réalisant le détecteur solide utilisé jusqu'à maintenant. Ei est l'energie des particules incidentes et hE et E sont les pertes d'énergie des particules dans les détecteurs dE et E respectivemént.Si les particules incidentes sont stoppées dans le détecteur E en consumant toute leur énergie, l'énergie de particules incidentes Ei peut étre obtenue par la relation Ei = LE + E Les particules sont également identifiées à partir des pertes d'éner-- gie hE et E en appliquant la formule d'identification de particules (E + hE) - Ea = T/a ou a est une constante propre aux particules, T est l'épaisseur du détecteur dE et a une constante sensiblement égale à 1,73 pour des ions légers. Afin d'obtenir un bon résultat dans l'identification des particules, il est nécessaire de déterminer la valeur de la constante a à partir des pertes dienergie AE et E. On voit facilement sur la formule d'identification que l'uniformité de ltepais- seur T du détecteur dE doit être très bonne pour déterminer la constante avec précision. Dans le cas de l'identification d'ions lourds, il est nécessaire d'utiliser un détecteur dE mince avec une épaisseur inférieure à 10 pm car les trajets des ions lourds sont plus courts que ceux des ions légers. Ledétecteur de silicium fin dE a été fabriqué à partir d'une pastille de silicium en attaquant par décapage le substrat fortement dope, en utilisant un procédé de décapage pré férentiel chimique ou un procédé de décapage électrochimique. Pour obtenir un détecteur dE mince avec une bonne uniformité d'épaisseur, il faut un procédé de décapage du substrat de haute technicité. Malgré cela une irrégularité additionnelle d'épaisseur provoquée par le décapage est inévitable. La Fig. 2 (a) montre la première forme de réalisation de l'invention. 1 est le détecteur dE et 2 le détecteur E du détecteur solide intégré,A1 et A2 sont les électrodes des détecteurs dE et E. N est un substrat de silicium du type N de haute pureté. B est une couche de silicium de type N++ lourdement dopée, qui est produite par diffusion d'impureté antimoine vers le substrat de silicium de type N précité et qui possède une très faible résistivité. Une couche de silicium de type N+ faiblement dopée est réalisée sur la couche précitée de silicium de type N++ de faible résistivité en utilisant la technique de croissance de cristal epitaxiale. Les électrodes A1 et A2 sont produites par évaporation d'or sous vide sur les deux côtés de la pastille de silicium formant des contacts redresseurs de barrière de surface. La couche de silicium B de très faible résisti vi té joue le rôle d'un écran électrique entre les détecteurs dE et E et est connectée à la masse dans les applications usuelles. tE et E sont les signaux de sortie apparaissant sur les électrodes A1 et A2 des détecteurs dE et E, correspo#ndant aux pertes d'énergie de particules incidentes chargées dans chaque détecteur. La Fig. 2 (b) représente la distribution de potentiel dans le détecteur solide E-dE intégré épitaxial de la présente invention. EV et V sont les voltages appliqués sur les électrodes A1 et A2 respectivement de la Fig. 2 (a). Ces voltages ont des polarités négatives et polarisent en sens inverses les détecteurs dE et E. Les trous produits par les particules incidentes chargées sont évacues vers les électrodes A1 et A2 depuis les couches d'épuisement des détecteurs dE et E par les champs de potentiel représentés sur la Fig. 2 tub). D'un autre cote, les électrons simultanément produits se dirigent vers la couche noyée de type N++ de faible résistivité qui est con nectee à la masse. Les signaux de sortie au et E dérivent de ces cou- rants de porteurs, trous et électrons. Sur la Fig. 3 on a représenté la géométrie et la configuration d'électrodes d'un exemple de l'invention. La couche de silicium de type N++ fortement dopée possède une épaisseur de 9 pm et est très fine. La couche de silicium épitaxiale de type N est polie avec une faible pente comme représenté sur la figure. Le contact ohmique avec la couche de silicium noyée de type N++ est produit par évaporation d'or sous vide sur le bord de la couche noyée apparaissant sur la surface polie. La pastille de silicium utilisée ici possède une structure complexe N+ - N++ - N. La couche de silicium de type N++ fortement dopée est produite par diffusion d'antimoine dans un substrat de silicium de type N de haute pureté. La couche de silicium de type N+ est produite sur la couche de silicium de type N++ par croissance cristalline épitaxiale. Les électrodes A1 et A2 sont produites par évaporation d'or sous vide sur les deux faces de la pastille de silicium, formant des contacts redresseurs de barrière de surface. La Fig, 4 montre le profil de la résis tance de dispersion de la pastille de silicium epitaxial ayant la struc ture complexe N+ - N++ - N selon un exemple de l'invention. Les épaisseurs des couches de silicium de type N++ et N+ sont respectivement de 9 pm et 10 pm. Dans cet exemple de l'invention, les résistivitês des couches de silicium de type N++ et N+ sont estimées à 0,015 ohm-cm et 40 ohm-cm respectivement à partir de la Fig. 4. Le substrat de silicium de type N de haute pureté possède une résisti vi té estimée à environ 8 kiloohm-cm. La Fig. 5 montre les spectres de pertes d'énergie dans les détecteurs dE et E pour des particules alpha de 241Am. Les résolutions d'énergie des détecteurs dE et E sont de 118 keV et 130 keV respectivement. Dans cette mesure les tensions de polarisation des détecteurs dE et E sont de 15 V et 180 V respectivement. Cette Figure montre également le spectre (E + dE) obtenu par sommation ana logique des signaux hE et E. La perte d'énergie de ce spectre (E + hé) est de 5,3 MeV et la résolution d'énergie de 60 keV FWHM. L'énergie des particules de 241Am est de 5,45 MeV, de sorte que la perte d'énergie dans la couche morte provoquée par la couche de silicium noyée de type N++ est supposée être de 0,25 MeV.L'épaisseur de la couche morte estimée à partir de cette valeur est inférieure à 1 pm et est beaucoup plus faible que celle de la couche noyée de silicium de type N++. Ceci provient du fait que la plupart des porteurs libres produits dans la couche noyée sont évacués dans les couches d'épuisement dE -et E par diffusion du porteur en coopération avec l'effet des champs internes dans la couche noyée. La différence de potentiel interne V entre deux points dans un semi-conducteur, où les concentrations en impuretés sont N maux et Nain' s'exprime V = - (kT/q).ln(Nmjn/Nmax) D'après cette équation, les différences de potentiel internes dans la couche noyée sont estimées à 0,21 V et 0,32 V dans les côtés des détecteurs dE et E et les champs électriques correspondants sont d'environ 700 V/cm et 530 V/cm respectivement. Comme on le voit d'après le résultat, les champs internes sont si élevés que la couche morte est confinée dans une partie étroite de la couche noyée ou la concentration possède un sommet aplati. Comme on l'a décrit en détail, le détecteur solide E-dE intégré épitaxial de la présente invention possède de nombreux avantages par rapport à ceux utilisés jusqu'à présent et composés de détecteurs dE et E fabriqués individuellement. Le premier avantage est que la fabrication de ce détecteur solide E-dE' intégré épitaxial est simple et facile, car elle élimine le procéde, de haute technicite, d'attaque (décapage) du substrat qui est nécessaire pour la fabrication du détecteur au silicium épitaxial conventionnel. Le second avantage est que l'uniformité d'épaisseur du détecteur dE ne subit pas de dégradation provoquée par le décapage et reste de très bonne qualité. Le troisième avantage est que la couche morte qui accompagne la couche de silicium noyée de type N++ de faible resistivite, qui isole électriquement le détecteur dE du détecteur E, est très fine à cause de l'effet de glissement des porteurs dû aux chans internes. Le quatrième avantage est que le détecteur solide intégré epitaxial minimise la séparation des détecteurs dE et E. Ceci est efficace pour réduire la perte de comptage du détecteur E pro voquée par la déflexion des particules incidentes dans le détecteur dE. La couche de silicium de type N++ de faible résistivité montrée sur les Fig. 3 et 4, est produite en utilisant la technique de diffusion d'impuretés. La fabrication de cette couche est également possible par utilisation d'une technique de croissance cristalline epitaxiale et une technique d'implantation d'ions. Le détecteur solide E-dE intégré épitaxial selon la présente invention peut également être produit a l'aide d'une pastille de silicium de structure complexe de type P+ - P+± P. Ce type de détecteur solide E-dE intégré épitaxial constitue la seconde forme de réalisation de l'invention. Les électrodes A1 et A2 des Fig. 2 et 3, possédant des caractéristiques de redressement sont des jonctions de barrière de surface produites par évaporation d'or sous vide sur une surface semi-conductrice mais des électrodes du type jonction p-n peuvent aussi être utilisées comme électrodes redresseuses. Le détecteur solide E-dE intégré épitaxial possédant des électrodes redresseuses du type jonction p-n constitue la troisième forme de réalisation de l'invention. Le détecteur solide E-dE intégré épitaxial de la présente invention peut aussi être réalisé en utilisant d'autres matériaux semi-conducteurs tels que les arséniures de germanium et de gallium. REVENDICATIONS 10) - Détecteur solide E-dE intégré épitaxial, notamment pour télescope, caractérisé en ce qu'il comporte une pastille semi-conductrice possédant une structure complexe du même type de conduction, produite en effectuant une croissance cristalline épitaxiale d'une couche semi-conductrice sur une couche fortement dopée, de faible resistivite, préparée sur un substrat semi-conducteur de haute pureté, et des électrodes redresseuses (A1, A2) disposées de part et d'autre de cette pastille semi-conductrice, des couches d'épuisement s'étendant depuis l'extérieur vers la couche enrobée de très faible résistivité par application de tensions de polarisations opposées sur les électrodes (A1 > A2), réalisant ainsi un détecteur dE (1) formé sur la couche semiconductrice epitaxiale et un détecteur E (2) forme sur le substrat semiconducteur de#haute purete, lesquels sont électriquement isolés par ladite couche fortement dopée de faible résistivité. 20) - Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pastille semi-conductrice est une pastille de silicium de type N possédant une structure complexe de type N+ - N++ -N produite en utilisant une croissance cristalline épitaxiale d'une couche de silicium de type N+ sur une couche de silicium de faible résis tivité fortement dopée préparée sur un substrat de silicium de haute pureté de type N. 3 ) - Détecteur selon la revendication 1* caractérisé- en ce que la pastille semi-conductrice est une pastille de silicium de type P possédant une structure complexe de type P± P++ - P produite en utilisant une croissance cristalline épitaxiale d'une couche de silicium de type P+ sur une couche de silicium de faible résistivité fortement dopée préparée sur un substrat de silicium de haute pureté de type P. 4 ) - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la couche de silicium fortement dopée est réalisée en utilisant une technique de diffusion d'impuretés. 50) - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la couche de silicium fortement dopée est réaliséeen utilisant une technique d'implantation d'ions. 6 ) - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la couche de silicium fortement dopée est réalisée en utilisant une technique de croissance cristalline épitaxiale. 70) - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les électrodes redresseuses sont des électrodes du type barrière de surface. 80) - Détecteur selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les électrodes redresseuses sont des électrodes de type jonction p-n.