Brevet FR2502846A1 — publié le 19821001

"Détecteur photoconducteur" La présente invention concerne un détecteur photoconducteur, c'est-à-dire un dispositif en matière semiconductrice photoconductrice ayant un contact de polarisation d'entrée et un contact de polarisation de sortie. Un tel dispositif peut également comporter un ou plusieurs contacts supplémentaires, par exemple un ou plusieurs contacts de tension, pour faciliter la détection d'un rayonnement. De nombreux détecteurs photoconducteurs utilisent maintenant le tellurure de cadmium-mercure (CMT) en tant que matière semiconductrice photoconductrice et ont des contacts métalliques en or, indium ou aluminium On pourra voir par exemple à ce titre le brevet GB 1 488 258 (brevet U.S. 3 995 159). Les détecteurs photoconducteurs ont habituellement une configuration géométrique rectiligne, c'est-à-dire que la matière semiconductrice est établie avec une forme carrée ou rectangulaire, et les contacts sont établis aux extrémités de la matière et chacun d'eux présente une frontière rectiligne orthogonale entre le métal et la matière semiconductrice.Certains détecteurs, en particulier ceux qui sont incorporés dans des réseaux intégrés, peuvent avoir des contacts qui ne sont pas en métal mais en matière semiconductrice fortement dopée, c'est-à-dire qu'on peut former un contact à la frontière entre une matière photoconductrice intrinsèque ou faiblement dopée et des régions de matière conductrice fortement dopée, constituant ce qu'on appelle des contacts "dopage faible-dopage fort". Les détecteurs infrarouges photoconducteurs en matière CMT, en partfculier ceux en matière CMT de haute pureté qui est maintenant disponible, ont la propriété de présenter une longue durée de vie des porteurs en excès (c'est-à-dire des photoporteurs). Les valeurs caractéristiques de la durée de vie dans la masse sont comprises entre 1 et 4 ps (matière CMT sensible dans la bande 8 à 14 pm) et entre 10 et 20 ps (matière CMT sensible dans la bande 3 à 5 pm). Ceci fait que les détecteurs sont par ticulièrement sensibles aux effets d'accumulation.En l'absence d'effets d'accumulation, on ferait normalement fonctionner les dispositifs dans un mode de balayage des porteurs, dans lequel la durée de vie effective des porteurs minoritaires en excès est déterminée par le temps de transit des porteurs minoritaires dans le dispositif, qui est très inférieur à la durée de vie dans la masse. La recombinaison retardée des porteurs en excès au niveau du contact, c'est-à-dire l'accumulation, conduit ainsi à une durée de vie effective accrue. (Le phénomène d'accumulation de porteurs dans les semiconducteurs a été suggéré pour la première fois par Low (Proc. Phys. Soc. Lond. B68, 310 (1955)), et la théorie a été développée par Gunn (Jnl Electronics & Control 4, 17 (1958)). L'accumulation de porteurs a deux conséquences pour les performances d'un détecteur. Premièrement, la sensibilité du détecteur est augmentée (la sensibilité est définie comme étant la tension de sortie (ou la tension équivalente) correspondant à un flux de rayonnement de 1 watt sur le détecteur, ou dans le cas de structures à trois conducteurs, comme par exemple dans le brevet GB. 1 488 258, à un flu#x de rayonnement de 1 watt par largeur de détecteur au carré). Ceci résulte du fait que le temps passé par les porteurs en excès dans le détecteur est augmenté, c'est-à-dire que le temps de balayage est allongé. Secondement, cependant, la réponse en fréquence du détecteur est dégradée. Pour le détecteur décrit dans le brevet GB. 1 488 258, cette dernière conséquence se manifeste sous la forme d'une dégradation de la résolution spatiale que procure le détecteur. L'invention est destinée à procurer une sensibilité élevée, du fait de l'accumulation, sans la pénalité de la dégradation de la réponse en fréquence ou de la résolution spatiale. On a découvert qu'il était possible de réduire notablement le temps d'accumulation des porteurs à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie, c'est-à-dire le contact vers lequel les photoporteurs sont entrainés, à condition d'augmenter le champ d'entraînement à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie. La sensibilité demeure élevée du fait que, malgré leur temps de stockage réduit, les porteurs générés par effet photoélectrique et accumulés modulent la conductivité dans une région de champ accru.Le fondement des structures de détecteur décrites ci-dessous réside dans l'utilisation de l'effet d'accumulation dans des configurations géométriques de région de contact telles que le champ électrique local soit élevé, ce qui procure l'avantage d'une sensibilité accrue, sans la pénalité d'une réponse en fréquence ou d'une résolution spatiale notablement dégradées. Selon une forme de l'invention, le détecteur est caractérisé par un contact de polarisation de sortie d'étendue importante dans la direction longitudinale. Ce contact de polarisation de sortie s'étend vers le contact de polarisation d'entrée et il a une forme qui concentre le champ électrique à proximité immédiate de lui. Le contact de polarisation de sortie est de préférence disposé par rapport aux côtés de la matière semiconductrice photoconductrice de façon à concentrer symétriquement le champ électrique. Cette disposition est employée pour minimiser l'étalement des temps de transit des photoporteurs qui arrivent sur le contact de polarisation de sortie. Si le détecteur est en matière de type n, le contact de polarisation de sortie est polarisé négativement et, inversement, si le détecteur est en matière de type p, le contact de polarisation de sortie est polarisé positivement. Selon une autre forme de l'invention, le détecteur est caractérisé par une région de contact de polarisation de sortie dans laquelle la matière du détecteur présente, à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie, une configuration qui concentre le champ électrique vers le contact de polarisation de sortie. Dans cette forme de l'invention, la matière du détecteur peut être supprimée au niveau d'une ou de plusieurs encoches s'éten dant transversalement par rapport à la longueur de cette matière. La matière du détecteur est de préférence supprimée au niveau d'une paire d'encoches opposées s'étendant de part et d'autre du détecteur. Les encoches sont de préférence aboutées au contact de polarisation de sortie. Selon une variante, la matière du détecteur peut être profilée à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie de façon à concentrer le champ électrique vers le contact de polarisation de sortie. Le détecteur peut combiner les deùx caractéristiques ci-dessus et comporter à la fois un contact de polarisation de sortie de forme particulière et une région de sortie de configuration particulière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui Va suivre de modes de réalisation, donnés à titre non limitatif . La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquèls La figure 1 est une vue en plan d'un détecteur photoconducteur qui comporte un contact de polarisation de sortie de form#e particulière La figure 2 est une vue en plan d'un autre détecteur photoconducteur, représenté en part#ie seulement, qui comporte un contact de polarisation de sortie de forme particulière et qui a une configuration géométrique de lecture différente La figure 3 est une vue en plan d'un autre détecteur photoconducteur, représenté en partie seulement, qui comporte une paire d'encoches à proximité du contact de polarisation de sortie La figure 4 est une vue en plan d'un autre détecteur photoconducteur, représenté en partie seulement, dont la région de contact de polarisation de sortie présente un profil particulier La figure 5 est une vue en plan d'un réseau de détecteurs photoconducteurs qui comporte plusieurs contacts de polarisation de sortie de forme particulière ; et La figure 6 est une vue en plan d'un détecteur photoconducteur de configuration annulaire. La figure 1 représente un détecteur photoconducteur 101 qui comprend un filament 103, en forme de bande, en tellurure de cadmium-mercure (CMT) d'environ 700 pm de longueur et 62,5 pin de largeur (w). La densité d'électrons est comprise entre 5 x 1014 et 1 x 1015 cl~3. Cette matière a la composition Cdo 2 Hg0,8 Te et elle est sensible au rayonnement infrarouge dans la bande du spectre allant de 8 à 14 pin. Aux températures cryogéniques de l'ordre de 800K, elle est caractérisée par une durée de vie des photoporteurs dans la masse comprise entre 1 et 4 gus, lorsqu'elle est incorporée dans une enveloppe froide de type F-3 à la température de l'azote liquide.La bande 103 est montée sur un substrat isolant en saphir (non représenté) et elle est découpée à la forme voulue par usinage par un faisceau d'ions d'une tranche de CMT de plus grandes dimensions. Des contacts métalliques en or 105 et 107 sont formés à chaque extrémité de la bande 103 par pulvérisation de métal, pour former un film sur la surface-de la bande 103, et ces contacts sont traités par photolithographie pour leur donner la forme voulue. A une extrémité de la bande 103, la matière est divisée en deux branches, ce qui définit un doigt de contact de tension 109. Ce doigt 109 porte un contact métallique en or 111 sur sa surface supérieure. Ce contact est également formé pendant le processus de pulvérisation/attaque photolithographique.Le canal ou l'encoche 113, entre le doigt 109 et la région d'extrémité de la bande 103 du détecteur, est -formée par usinage par faisceau d'ions et sa largeur est environ de 12 pin. A l'extrémité de la bande 103, on donne au contact métallique en or 107, c'est-à-dire au contact de polarisation de sortie, une forme qui introduit une distorsion locale du champ électrique dans la bande 103, qui est un champ qui apparaît lorsqu'on applique une polarisation aux deux contacts de polarisation 105 et 107. Comme il est représenté, le contact de polarisation de sortie 107 a une étendue importante dans la direction longitudinale et il s'étend en direction du contact de polarisation d'entrée 105, à partir de l'extrémité de la bande. Le contact 1Q7 se présente sous la forme d'un doigt de métal d'environ 50 pin de longueur et 15 Um de largeur (d), et il est centré entre les côtés de la région d'extrémité de la bande 103. Le doigt de contact 107 a un contour arrondi, sans angles vifs. Ceci produit une distorsion régulière du champ et, de plus, cette distorsion est davantage reproductible du fait que, de toute manièrefl il est difficile de former des métallisations présentant des angles vifs. Pour cette configuration géométrique de détecteur, on estime que le champ E au niveau du contact est le suivant : E #(W/d) Eo - 120 V. -1 dans le cas où Eg, c'est-à-dire le champ dans la partie principale du-dispositif, est d'environ 30 V.cm#i dans des conditions de fonctionnement caractéristiques.- Le champ est concentré dans un rapport d'environ quatre. On peut estimer la réponse en fréquence pour ce détecteur à partir de la-vitesse de recombinaison S pour le contact, soit de façon caractéristique 1000 cm.s à -1 500 cm.s . En considérant un rayon incident qui arrive sur le détecteur, l'impulsion de sortie produite par ce rayonnement doit diminuer jusqu'à une fraction de sa valeur initiale en un temps T T N 0,7 x 10 7 s (S = 1000 cm.s#1) v 1,2 x10 7 s (S = 500 cm.s#1) Ceci suppose que la seule source d'élargissement de l'impulsion est l'accumulation de porteurs (En fait, l'élargissement est dominé dans le cas présent par la diffusion thermique des porteurs.) Lorsqu'on emploie le détecteur dans un système de formation d'image à balayage (voir le brevet GB 1 488 258), cet élargissement de la réponse correspond à une limitation de la résolution spatiale. Ainsi, pour une vitesse de balayage de l'image de 130 m/s, ce qui est une valeur caractéristique, on calcule pour la résolution théorique les valeurs suivantes 8 pm pour S = 1000 cm.s et 14 pin pour S = 500 cm.s 1 Cette limite de la résolution spatiale est négligeable en comparaison de la limite caractéristique pour la diffusion thermique qui, dans le dispositif décrit, serait d'environ 50 pm. L'effet d'accumulation augmente la sensibilité (R) du détecteur. La contribution apportée par l'effet d'accumulation seul est estimée à : en désignant par "D" le coefficient de diffusion des porteurs, par "E" le champ au niveau du contact, par "N" la densité d'électrons d'équilibre et par ~s le flux de photons correspondant à 1 watt/largeur2 de rayonnement de signal (longueur d'onde de 11 pin). En prenant des valeurs caractéristiques pour la durée de vie te2 Sus et l'épaisseur du détecteur t=8 pin, et en prenant le rendement quantique t-=1, la vitesse de recombinaison S = 1000 cm.s-1, 15 -3 -1 N = 1 x 10 cm et E = 120 V.cm , on obtient :: RAcc(ll pm) ~ 1,3 x 106 V.w#i Cette sensibilité est environ 6 fois supérieure à celle qu'on obtient en utilisant un contact de sortie classique. Le détecteur 201, dont la partie d'extrémité est représentée sur la figure 2,comporte une région. de lecture modifiée à l'extrémité de la bande photoconductrice 203. Comme dans l'exemple de la figure 1, il comporte un doigt de contact allongé 207 qui constitue le contact de polarisation de sortie. Cependant, un contact de tension 211 est établi en position adjacente à ce doigt 207. Dans la région la plus proche de la pointe du doigt de contact 207, le contact de tension se conforme au contour d'une équipotentielle de tension "non perturbée" (c'est-à-dire une équipotentielle calculée pour le détecteu#r en l'absence du contact de tension). Dans ce cas, la configuration de champ à proximité du contact de polarisation de sortie 207 n'est alors relativement pas perturbée. Le détecteur 301 représenté sur la figure 3 présente une structure qui est une variante. La bande 303 a une configuration particulière à proximité du contact de polarisation de sortie 307. On a enlevé une partie de la matière semiconductrice photoconductrice par usinage par faisceau d'ions pour produire deux encoches opposées 315 et 317. La largeur de la bande de détecteur 303 est ainsi restreinte et lorsqu'on applique une polarisation aux contacts de polarisation, le champ est distordu à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie. La largeur de la partie restreinte est d'environ 10 pm. Les encoches 315 et 317 ont la même longueur et la même largeur et elles ont pour fonction de distordre le champ d'une manière symétrique.Les porteurs qui dérivent vers le contact 307 à partir d'une région de la bande 303 dans laquelle le champ est raisonnablement uniforme, par exemple à partir de la ligne X-X représentée sur la figure 3, arrivent au contact de polarisation 307 avec un étalement des instants d'arrivée. La symétrie introduite fait en sorte que cet étalement soit minimal. Les encoches 315 et 317 sont juxtaposées au contact 307. On peut cependant les écarter du contact 307, mais l'écartement doit être faible par rapport à la largeur de la partie restreinte "d", faute de quoi les performances seraient dégradées. La figure 4 représente encore une autre variante. Le détecteur 401 est profilé à l'extrémité de la bande 403. La largeur de la bande 403 change progressivement en s'approchant du contact de polarisation de sortie 407. Le profil est symétrique pour minimiser l'étalement des temps de transit des porteurs. La figure 5 représente un détecteur à réseau d'éléments discrets qui a une sensibilité et une vitesse de réponse élevées. Ce détecteur 501 comprend une tranche 503 de matière CMT ou de toute autre matière photoconductrice de type n. Une métallisation de contact de polarisation d'entrée commun 505 est formée à une extrémité de la tranche. Plusieurs contacts de polarisation de sortie 507 (trois sont représentés) sont établis à l'autre extrémité de la tranche 503. Chacun des contacts de polarisation 507 est formé sous la forme d'un doigt de métal d'environ 10 pin de largeur (d) et avec un pas d'environ 50 pm entre les axes des doigts voisins.Cette distance est de l'or- dre du double de la distance d'étalement par diffusion des porteurs, limitée par la durée de vie, dans le CMT (matière pour la bande de 8 à 14 #m). Le détecteur 501 est donc effectivement divisé en deux pistes ayant chacune environ 50 m de largeur (W). Cependant, on peut délimiter ces pistes, si on le désire, en introduisant des fentes 513 entre les contacts 507. Pour ce détecteur 501, la sensibilité due à l'accumulation est estimée à RACC # 4D/#CS R0 Ro en désignant par R0 la sensibilité, limitée par le balayage des porteurs, d'un détecteur classique R0 # (2E# pNt)-1 E# désignant l'énergie des photons et Pp la mobilité des trous. Les valeurs correspondantes sont données dans le tableau ci-dessous : Matière S(cm.s-1) 4D/(#CS) #ACC CMT 1000 3,8 0,7 Bande de 8-14 P 500 7,6 1,2 CNT 500 5,6 2,5 Bande de 250 11,2 4,4 3-5 m La figure 6 représente un autre détecteur rapide à sensibilité élevée. Ce détecteur 601 comprend une tranche 603 de matière photoconductrice. Un conducteur métallique annulaire 605 constitue un contact de polarisation d'entrée. Au centre du contact annulaire 605 se trouve un contact de polarisation de sortie consistant en un conducteur sous forme de disque 607.Le champ électrique qui est produit lorsqu'on applique une tension aux contacts 605 et 607 présente une symé-trie cylindrique et il converge dans la direction du contact de sortie 607. On peut établir une couche isolante sur le détecteur 601 pour faciliter l'accès au contact de polarisation de sortie 607. L'accès s'effectuerait alors à travers une fenêtre dans la couche isolante. On peut déterminer l'amélioration de la sensibilité en comparant la sensibilité de cette structure annulaire avec la sensibilité d'un détecteur à configuration géométrique rectiligne classique de largeur W avec W = 50 sium, et avec rl = 5 pm pour le rayon du contact de polarisation de sortie. Ceci suppose la même matière, le même dopage et la même épaisseur, et un balayage complet des porteurs. On peut employer les détecteurs décrits dans les exemples ci-dessus dans des applications de formation d'images. Comme il est classique, ils peuvent être refroidis et placés soit isolément soit en réseau, dans le plan image d'une structure optique montée dans une enveloppe. L'image focalisée par cette structure peut être statique ou animée d'un mouvement de balayage, auquel -cas cette structure comprend des miroirs tournants ou des miroirs oscillants, ou les deux,- pour communiquer a l'image un mouvement de balayage lui faisant parcourir chaque détecteur. En utilisant des détecteurs à deux contacts, on peut obtenir une information de signal en mesurant le cou rant de polarisation (à tension de polarisation constante) ou en mesurant la tension entre les contacts de polarisation (à courant de polarisation constant). On peut également utiliser des détecteurs comprenant en plus un ou plusieurs contacts de tension, et on mesure alors la tension entre les contacts de tension ou entre un contact de tension et le contact de polarisation de sortie (à courant de polarisation constant). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur photoconducteur (101; 201; 301; 401; 501; 601) destiné à détecter un rayonnement électromagnétique, consistant en une matière photoconductrice (103; 203; 303; 403; 503; 603) ayant un contact de polarisation d'entrée (105 ; 505; 605) et un contact de polarisation de sortie (107; 207; 307; 407; 507; 607); caractérisé en ce que le contact de polarisation de sortie (107; 207; 307; 407; 507; 607), la matière (103; 203; 303; 403; 503; 603) adjacente au contact de polarisation de sortie, ou les deux, ont une forme qui concentre le champ électrique de polarisation à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie (107; 207; 307; 407; 507; 607). 2. Détecteur (101; 201; 501) selon la revendication 1, en matière photoconductrice (103; 203; 503) ayant un contact de polarisation d'entrée (105; 505) et un contact de polarisation de sortie (107; 207; 507), caractérisé en ce que le contact de polarisation de sortie (107; 207; 507) a une étendue notable en direction longitudinale et il s'étend vers le contact de polarisation d'entrée (105; 505), en ayant une forme qui concentre le champ électrique à sa proximité immédiate. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contact de polarisation de sortie (107; 207; 507) est positionné par rapport aux côtés de la matière semiconductrice (103; 203; 503) de façon à concentrer symétriquement le champ électrique. 4. Détecteur (301; 401) selon la revendication 1, en matière photoconductrice (303; 403) ayant un contact de polarisation d'entrée et un contact de polarisation de sortie (307; 407) ; caractérisé en ce qu'à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie (307; 407) la matière du détecteur (303; 403) a une configuration destinée à concentrer le champ électrique vers le contact de polarisation de sortie (307; 407). 5. Détecteur (301) selon la revendication 4, ca ractérisé en ce que la matière du détecteur (303), à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie (307), est supprimée du fait de la présence d'une paire d'encoches opposées (315 et 317) qui s'étendent de part et d'autre du détecteur. 6. Détecteur (301) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les encoches (315, 317) sont juxtaposées au contact de polarisation de sortie (307). 7. Détecteur (401) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à proximité immédiate du contact de polarisation de sortie (407), la matière du détecteur (403) présente une largeur qui diminue en direction du contact (407). 8. Détecteur (601) selon la revendication 1, en matière photoconductrice (603) ayant un contact de polarisation d'entrée (605) et un contact de polarisation de sortie (607); caractérisé en ce que les contacts (605 et 607) sont concentriques et le contact de polarisation de sortie (607) se trouve à l'intérieur du contact de polarisation d'entrée (605), pour concentrer le champ électrique vers le contact de polarisation de sortie (607).