Brevet FR2533074A1 — publié le 19840316

COMPOSANTS ET RESEAUX EN SILICIUM POUR LA DETECTION DE LUMIERE INFRAROUGE La présente invention concerne un composant cpt o-électrique en silicium pour la détection de lumière dans la région de longueurs d'ondes comprises entre 8 et 12 M Nm avec une jonction de Schottky de silicium dopé dans le type P et d'un métal avec un travail donné de sortie des électrons. Les détecteurs en semi-conducteurs au silicium jouent un rôle très important pour-la photo-détection de la lumière dans les régions visibles et d'infrarouge proche Les détecteurs au silicium se présentent par exemple sous la forme de photodiodes PN, de photo-éléments PIN, d'éléments à barrière de Schottk y ou d'éléments MOS. Ces composants au silicium ont un rendement quantique, élevé dans les régions visibles et infrarouges proches. Un autre avantage de l'utilisation du silicium réside dans le fait que, grâce à la technologie hautement développée de cette matière, il est possible de fabriquer des rangées unidimensionnelles et des réseaux bidimensionnels qui contiennent un grand nombre de détecteurs de sensibilité - uniforme, par exemple 256 x 256 avec des dimensions de x 25 hum De plus, la sélection et le traitement des signaux des éléments détecteurs individuels peuvent se faire avec des composants qui sont également intégrés sur la même pastille de silicium que celle qui contient les éléments détecteurs O Cette disposition a atteint un haut niveau de développement car des tubes Vidicon à semi- conducteurs, à base de silicium ont déjà été fabriqués. La détection et la prise de vues en lumière avec des longueurs d'ondes audessus de 1 "m prétente un grand-intérêt, notamment dans la région spectrale de 3 à 5 Hum et de 8 à 12 om A cet effet, sont utilisés par- ticulièrement des semi-conducteurs avec une petite discon- tinuité d'énergie adaptée à cette région spectrale Ces semi-conducteurs sont par exemple l'antimoniure d'indium (In Sb) et le tellurure de cadmium-mercure (Cd Hg Te). Bien que la croissance cristalline de ces matières et la fabrication de composants à partir d'elles soient nette- ment plus difficiles qu'avec le silicium, des réseaux avec un nombre relativement réduit d'éléments détecteurs ont néanmoins été déjà réalisés. Il est en outre possible avec des éléments détec- teurs au silicium, d'un autre type que celui décrit ci- dessus, d'atteindre une sensibilité des détecteurs en infrarouge de 3 à 5 Mom Ces détecteurs mettent à profit l'effet dit photo-émission interne, au moyen d'une bar- rière de Schottky Si l'on applique sur la surface frontale de silicium préparé de façon appropriée des contacts de métal avec un travail approprié de sortie des électrons, il se forme à la surface limite, des barrières métal-silicium qui conviennent pour la détec- tion d'infrarouges dans la région de 3 à 5 "m Des métaux nobles, notamment le palladium et le platine s'avèrent convenir à cet effet Avec le platine et le silicium dopé dans le type P, des barrières de 0,27 e V sont obte- nues ("Evaluation of a Schottky IR CCD Staring Mosaic Focal Plane, par B Capone dans SPIE, 156 Modern Utiliza- tion of Infrared Technology IV ( 1978)" 1 ou aussi "Platinum Silicide Schottky-Barrier IR-CCD Image Sensors par M. Kimata dans Japanese Journal of Applied Physics 21, 231 ( 1982)") Il est vrai que ces éléments détecteurs n'ont qu'un faible rendement quantique comparativement avec des détecteurs à semi-conducteurs intrinsèques mais ils peuvent être fabriqués avec une très grande uniformité et ils conviennent donc pour la fabrication des plus grands réseaux avec de nombreux éléments détecteurs Pour la sélection des signaux individuels des détecteurs, il est possible d'intégrer également dans le silicium des structures qui conviennent, par exemple, des composants dits CCD (composants à couplage de charge). Un objet de l'invention est donc la fabrication 3 2533074 de détecteurs ou de réseaux de détecteurs du type décrit à barrière de Schottky, pour de grandes longueurs d'ondes, comme l'infrarouge thermique, de préférence de 8 à 12 gm. A cet effet, la formation de barrières de 0,10 à 0,15 e V est nécessaire Mais il' n'est pas possible par l'applica- tion d'un métal sur du silicium d'atteindre la hauteur de barrière souhaitée en raison du travail de sortie des électrons, conditionné physiquement, du métal et du sili- cium. Selon l'invention, grâce à l'introduction ou l'application d'une couche dopée extrêmement mince avec une forte concentration contrôlée de dopage dans un semi-conducteur par ailleurs faiblement dopé, immédia- tement à la surface limite entre un métal et le semi-conduc- teur, un champ électrique E est produit et ainsi, la barrière souhaitée est obtenue tout en conservant les bonnes caractéristiques de barrière de la jonction (faible courant de barrière). Il est bien entendu connu depuis les travaux de Schottky (voir par exemple "Fundaments of Semiconductor Devices, par E S Yang, Mc Graw Hill Book Company, 1978, S 133 ") que par l'application d'un champ électrique E à un contact métal-semi-conducteur, il se produit un abaissement de la barrière existante, correspondant à à O = (q = charge élémentaire ú = constante diélectrique absolue; = constante diélectrique relative du silicium). Mais une intensité suffisante du champ E n'est pas atteinte à la surface limite métal-semi-conducteur lorsque le semi- conducteur est très fortement dopé (par exemple plus de 1017 atomes de dopant par cm 3) Cependant, un dopage aussi élevé conduit à ce que, à la jonction métal- semi-conducteur, il circule un courant de barrière telle- ment élevé que la disposition ne convient absolument pas pour l'utilisation comme détecteur. Grâce à la mince couche dopée, et selon l'équa- tion ci-dessus, le champ E suffisamment élevé pour la barrière à O est produit à la surface limite; le faible dopage du reste du volume du semiconducteur conduit à de bonnes propriétés de barrière. Dans le cas d'utilisation de platine et de silicium, une barrière 6 = 0, 10 à 0,15 e V est produite, convenant pour la détection de la lumière infrarouge dans la région de 8 à 12 Dm, si du silicium dopé de type P ( 10 à 50 cm) est utilisé et si le platine sert de métal de barrière. Avant l'application du platine par vaporisation ou pul- vérisation dans une région superficielle définie, une mince couche de 50 à 200 A, de préférence A est formée dans le silicium de type P à la surface limite avec le métal, par implantation d'un élément trivalent, de préférence du bore, fortement dopé dans le type P avec une concentration de dopage de 5 10 i 8 à 5 10 w. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: La figure unique est une coupe d'un composant opto-électrique selon l'invention. La figure est donc une coupe d'un composant opto- électrique pour la région d'infrarouge lointain La lumière d'infrarouge à détecter est reçue par l'arrière de la couche de silicium et traverse le silicium jusqu'à la jonction métal-silicium Les porteurs de charge produits par la lumière dans le métal 2, avec une énergie supérieure à la hauteur de barrière ao peuvent franchir cette dernière et arriver dans la zone de charge d'espace 4 dans le silicium Des conducteurs électriques 5 et 6 permettent de prélever et de détecter les porteurs de charge ainsi libérés. En utilisant les composants décrits ci-dessus, il est possible de réaliser une disposition dans laquelle un réseau comporte des éléments détecteurs alternés du type ci-dessus pour la détection du rayonnement infrarouge entre 8 et 12 Dm et en plus des éléments à barrière de Schottky sont sensibles aux rayonnements infrarouges de 3 à 5 hum De cette manière, des images peuvent être obtenues, en parallèle ou en série dans des régions différentes des infrarouges Il est en outre possible de combiner des -5 détecteurs à infrarouges dans l'une des deux régions précitées avec par exemple des types intrinsèques NP qui sont sensibles dans les régions visibles et infrarouges proches, dans la même-pastille de silicium ou même les trois types différents de détecteurs. REVENDICATIONS 1 Composant opto-électrique en silicium pour la détection de la lumière dans une région de longueurs d'ondes entre 8 et 12 Nm avec une jonction Schottky en silicium dopé dans le type P et un métal avec un travail donné de sortie des électrons, composant caractérisé en ce qu'il comporte, à la surface limite du silicium ( 1) et du métal ( 2), une couche ( 3) en silicium P avec une concentration de dopage de 5 1018 a 5109 et une épais- seur de couche (d) de 50 à 200 ngstrom. 2 Composant opto-électrique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que du platine est utilisé comme métal et que par recuit, la couche de platine ( 2) appliquée sur le silicium ( 1, 3) forme à une température entre 350 et 500 C, du Pt Si 2 qui pénètre partiellement dans la couche de silicium ( 3) de type P+ fortement dopé. 3 Composant opto-électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des paires disposées côte à côte de composants selon la revendication 1 ou 2 et d'éléments détecteurs connus qui sont sensibles dans une autre région infrarouge ( 3-5 im) ou dans la région du spectre visible, ou les deux.