Brevet FR2526227A1 — publié le 19831104

DETECTEUR PHOTOSENSIBLE DU TYPE GRILLE-ISOLANT SEMI-CONDUCTEUR ET APPLICATION A UN DISPOSITIF PHOTOSENSIBLE La présente invention concerne un détecteur photosensible du type grille-isolant-semi-conducteur. Elle concerne également l'application de ce détecteur à un dispositif photosensible, comportant une ligne ou une matrice de détecteurs photosensibles. L'invention est utilisable quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement à détecter, qui peut donc être un rayonnement visible ou infra-rouge, par exemple. Il faut cependant signaler que l'invention est particulièrement intéressante lorsque le rayonnement à détecter est un rayonnement infra-rouge. La détection de l'infra-rouge présente des difficultés particulières. Ce rayonnement étant de grande longueur d'onde, et donc faiblement énergétique, il faut utiliser des semi-conducteurs à faible gap, c'est-à-dire dont la bande de valence et la bande de conduction sont peu éloignées. On utilise ainsi des matériaux binaires, tels que l'antimoniure d'indium, pour la détection dans l'une des fenêtres de longueurs d'ondes transmises par l'atmosphère -3 à s pm -et des matériaux ternaires, tels que le tellurure d'étain et de plomb ou le tellurure de cadmium et de mercure, plus particulièrement pour la détection dans l'autre fenêtre de longueurs d'ondes transmises - 8 à 12 mu. Ces matériaux sont surtout utilisés pour réaliser des photodiodes. La fabrication de photodiodes dans ces nouveaux matériaux entraîne des difficultés technologiques. De plus, les caractéristiques des photodiodes obtenues ne sont pas très bonnes. Contrairement à ce qui se passe avec les photodiodes de détection du visible, les photodiodes de détection de l'infra-rouge ne sont pas polarisées en inverse, et ensuite laissées flottantes de façon à mesurer l'évolution de la tension de la diode, car le bruit et le courant de fuite seraient trop importants. Les photodiodes de détection de l'infra-rouge reçoivent une tension de polarisation constante de faible valeur et qui doit être fixée très précisément.On mesure alors l'évolution du courant de la diode lorsqu'il y a éclairement.On rencontre beaucoup de problèmes pour appliquer la même tension de polarisation, à quelques dizaines de millivolts près, aux diodes d'une matrice, lorsque, par exemple, les diodes sont polarisées par la tension appliquée à la grille d'entrée d'un dispositif à transfert de charge auquel elles sont reliées, et alors que la tension de seuil de cette grille varie d'un point à l'autre du dispositif. Ces matériaux sont aussi utilisés pour réaliser des détecteurs du type grille-isolant-semi-conducteur dans lequels on crèe un puits de potentiel qui se remplit grâce aux photons incidents. Ces détecteurs ne sont pas facilement utilisables à cause de l'effet tunnel, surtout dans la fenêtre de longueurs d'ondes 8 à 12 gum.. La présente invention concerne un détecteur, qui peut notamment être utilisé pour la détection de l'infra-rouge, et qui ne présente pas les inconvénients des détecteurs connus. Parmi. les avantages du détecteur selon l'invention, on peut notamment citer : le fait qu'il ne demande pas de tension de polarisation fixée très précisément; - son insensibilité à l'effet tunnel due à son principe de fonctionnement qui sera exposé par la suite. Contrairement aux détecteurs du type grille-isolant-semi-conducteur connus, il n'y a pas de puits qui se remplit peu à peu; - son impédance de sortie élevée; - sa surface photosensible très proche de sa surface totale; - enfin, le fait qu'il comporte une grille polarisée à une tension constante et qui sert d'écran. Le détecteur photosensible du type grille-isolant-semiconducteur selon l'invention présente une ouverture dans sa grille et son isolant, et le substrat semi-conducteur comporte au niveau de cette ouverture une zone de type opposé à celui du substrat, qui est reliée à des moyens de traitement de l'information. La grille, le substrat et la zone de type opposé sont polarisés pour que le potentiel de cette zone soit supérieur à celui existant sous la grille. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivant, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma représentant, en perspective, le détecteur selon l'invention; - la figure 2, une vue en coupe du détecteur de la figure 1 ; - la figure 3, le profil de potentiel de surface correspondant à la figure 2 ; - la figure 4, un schéma en perspective montrant le détecteur selon l'invention relié à un dispositif à transfert de charge; - la figure S, le profil de potentiel de surface correspondant à la figure 4; - les figures 6, 7 et 8, trois modes de réalisation du détecteur selon l'invention;; - les figures 9, 12 et 15, trois modes de réalisation, en perspective, d'un dispositif photosensible utilisant le détecteur selon l'invention; - les figures 10, 13 et 16, des vues en coupe des dispositifs des figures 9, 12 et 15; - les figures 11, 14 et 17, le profil des potentiels de surface correspondant aux figures 10, 13 et 16. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure 1 représente le schéma, en perspective, du détecteur selon l'invention. Il s'agit d'un détecteur du type grille 1, isolant 2 et semiconducteur 3. La grille et l'isolant présentent une ouverture 4. Au niveau de cette ouverture 4, le substrat semi-conducteur comporte une zone 5 de type opposé à celui du substrat. Cette zone li est visible sur la figure 2 qui est une vue en coupe de la figure 1. Dans cette zone, il y a inversion du dopage du substrat, par exemple par implantation. Dans la description suivante, on se place dans le cas où le substrat 3 est de type P et la zone 5 de type N ou N+. Il est bien entendu que l'invention s'applique aussi lorsque le substrat est de type N. cette zone 5 est reliée par une connexion 6 à des moyens de traitement de l'information 7, qui sont représentés symboliquement par un rectangle sur la figure 1. Ces moyens 7 sont caractérisés par leur impédance d'entrée Z et par la tension de e polarisation Vp qu'ils appliquent à la zone 5. Ces moyens peuvent être constitués par un amplificateur de transimpédance ou par un dispositif à transfert de charge qui réalise le multiplexage de plusieurs détecteurs. La grille, le substrat et la zone de type opposé sont polarisés pour que le potentiel de la zone S soit supérieur à celui existant sous la grille 1. Sur les figures, le substrat est relié à la masse, la grille reçoit une tension de polarisation positive Vç et la zone de type opposé au substrat reçoit la tension de polarisation positive Vp qui met en inverse la diode constituée par cette zone et le substrat. La figure 3 représente le profil de potentiel de surface correspondant à la figure 2. Il y a un puits de potentiel dans la zone 5 de type opposé au substrat. Sur la figure 3, on a représenté en trait continu les bandes de conduction et de valence et le niveau de Fermi, en trait discontinu le quasi-niveau de Fermi des trous, en trait alterné le quasi-niveau de Fermi des électrons, et en pointillés le profil correspondant au semi-conducteur intrinsèque. La tension de polarisation de la grille VG doit être telle que le potentiel de surface sous la grille soit d'au moins % pour qu'il y ait désertion par les porteurs majoritaires, % étant le décalage du niveau de Fermi par rapport au niveau de Fermi du semi-conducteur intrinsèque. En fait, on travaille fréquemment à 2 La tension de polarisation V de la zone de type opposé au substrat 5 doit être suffisamment positive pour que le potentiel de cette zone soit supérieur à celui existant sous la grille, mais sa valeur n'a pas à être fixée très précisément. La tension Vp ne doit pas être trop élevée car si la photodiode constituée par la zone 5 et le substrat 3 est trop polarisée en inverse, cela provoque du bruit et un courant de fuite important. On va maintenant étudier le fonctionnement du détecteur selon l'invention. En l'absence d'éclairement, seuls les électrons créés thermiquement dans la zone de charge d'espace ou créés par la fuite du substrat sont attirés vers l'interface isolant-semi-conducteur et évacués par la zone 5 de type opposé au substrat, qui fait office de drain, vers les moyens de traitement de l'information 7. On peut refroidir le détecteur à 77K, température de l'azote liquide, afin d'éviter une génération thermique trop importante lorsque le détecteur est utilisé pour l'infra-rouge. Lorsqu'on éclaire le détecteur, que l'éclairage arrive en traversant le substrat ou en traversant la grille et l'isolant, les photons incidents ne sont détectés que s'ils créent une paire électron-trou dans une zone proche de l'interface isolant-semiconducteur. La profondeur de cette zone est approximativement égale soit à la profondeur de la zone de charge d'espace, plus une longueur de diffusion, soit à la profondeur d'absorption des photons. La concentration d'électrons en surface augmente, mais très légèrement > car les photoélectrons diffusent jusqu'à la zone N 5 où leur énergie est plus faible. Le potentiel de surface sous la grille varie alors de façon négligeable. Les caractéristiques du détecteur ne sont pas modifiées par les fluctuations de l'éclairement. Une fluctuation de l'éclairement crèe une fluctuation du potentiel de la zone N, dont l'amplitude dépend de l'impédance d'entrée Ze des moyens 7 de traitement de l'information, mais cette fluctuation n'a pas de répercussions sur les caractéristiques du détecteur. Le courant débité par ce détecteur est indépendant de sa tension de polarisation Vp. Le détecteur selon l'invention constitue une très bonne source de courant, d'impédance de sortie élevée. Dans le détecteur selon l'invention, la partie photodiode cons tituée par la zone N et le substrat P a essentiellement une fonction de drainage des photoélectrons vers les moyens de traitement de l'information. Cette partie photodiode a accessoirement une fonction de détection du rayonnement incident. Dans le détecteur selon l'invention, le fait que cette photodiode soit de mauvaise qualité n'est pas très gênant car son courant de fuite est proportionnel à sa surface qui est ici très réduite. Pour la détection de l'infra-rouge, le substrat 3 est constitué de l'un des matériaux dont il a déjà été question. La grille 1 peut être constituée de chrome et d'or, et l'oxyde 2 de sulfure de zinc. La figure 4 est un schéma en perspective montrant le détecteur selon l'invention relié à un dispositif à transfert de charge. Comme cela a déjà été dit, ce dispositif à transfert de charge réalise le multiplexage de plusieurs détecteurs. Ce dispositif à transfert de charge est réalisé sur un substrat semi-conducteur 8, généralement en silicium, qui est recouvert d'une couche d'oxyde 9 et qui reçoit une tension de polarisation VS. La connexion 6 du détecteur traverse la couche d'oxyde 9 et arrive jusqu'à une zone, généralement diffusée, D de type opposé au substrat 8. Cette diffusion est généralement suivie de trois grilles parallèles G1, G2, G3. La grille de contrôle G1 reçoit la tension de polarisation Vp + VT, où VT est la tension de seuil de G1. La grille G2 sert au stockage temporaire des charges et la grille G3 assure le transfert des charges vers un registre à transfert de charge R, dont le sens de transfert des charges est perpendiculaire au sens de transfert des charges de la zone D à la grille G3.Le nombre de grilles peut être différent de trois. Ces grilles assurent la polarisation de la zone 3 et le transfert vers le registre R. La figure 5 représente le profil de potentiel de surface correspondant à la figure 4. Les zones hachurées indiquent la présence de porteurs minoritaires. Le potentiel des zones 5 et D s'aligne sur le potentiel de surface Vp existant sous la grille G1. Lorsque le détecteur est éclairé, les photoélectrons créés vont vers la zone 5 et sont évacués par la connexion 6 vers la zone D, puis passent par-dessus la barrière de potentiel de la grille G1 pour être stockés sous la grille G2, et être périodiquement transférés lorsque la grille G3 le permet vers le registre R. Des flèches indiquent le parcours des photoélectrons sur la figure 5. Ainsi, le potentiel de surface sous la grille 1, et sous la zone 5 ne varie pratiquement pas. Le courant débité par le détecteur est indépendant de la tension de polarisation Vp + VT de la grille G1. Les figures 6, 7 et 8 représentent trois modes de réalisation du détecteur selon l'invention. Dans le cas de la figure 6, le rayonnement à détecter h3 devant traverser le substrat semi-conducteur 3, celui-ci est de faible épaisseur et repose sur un autre substrat 10 transparent au rayonnement à détecter. Par exemple, pour détecter l'infra-rouge on peut utiliser un substrat 3 sensible à l'infra-rouge, en tellurure de cadmium et de mercure par exemple, qui est épitaxié sur un substrat, en tellurure de cadmium par exemple, qui est transparent à l'infra-rouge. Sur la figure 7, on a ajouté une couche intermédiaire 11, qui est hachurée, entre l'isolant 2 et le substrat photosensible 3. On peut choisir une couche intermédiaire 11 à gap élevé, ce qui permet de réduire le courant d'obscurité du détecteur. On peut aussi, lorsque l'interface isolant-substrat photosensible est difficile à réaliser, choisir le matériau intermédiaire pour que les interfaces isolant-matériau intermédiaire et matériau intermédiaire-substrat semi-conducteur soient de bonne qualité. Sur la figure 8, on a ajouté une couche 12, photosensible ou non, et de type opposé au substrat 3 entre l'isolant 2 et le substrat 3. Ainsi les photoélectrons sont attirés non plus à l'interface isolantsemi-conducteur, mais à l'intérieur de la couche 12. On a alors une conduction en volume. La zone 5 de type opposé au substrat est située dans la couche 12, la zone 5 étant plus fortement dopée que cette couche. Le détecteur selon l'invention est le plus souvent utilisé dans des dispositifs photosensibles comportant plusieurs détecteurs disposés selon une ligne ou selon des lignes et des colonnes, c'est-àdire en matrice. La figure 9 est une vue en perspective d'une matrice photosensible 13 utilisant le détecteur selon l'invention. A titre d'exemple, cette matrice comporte deux lignes de quatre détecteurs D1 à D8. La figure 10 est une vue en coupe selon la première ligne de la matrice de la figure 9 et la figure 11 représente le profil du potentiel de surface pour la figure 10. Il suffit de réaliser une structure du type grille, isolant, semiconducteur et de réaliser des ouvertures à travers la grille et l'isolant pour prendre des contacts par les connexions 6 sur le substrat en des zones présentant un dopage de type opposé au substrat. Chaque prise de contact constitue un détecteur. La figure 12 diffère de la figure 9 parce que chaque détecteur est isolé de son voisin par des zones 14 de même type que le substrat mais fortement dopées, des zones P+ sur la figure. La figure 13 est une coupe à travers la première ligne de la figure 12 et la figure 14 représente le profil du potentiel de surface pour la figure 12. une barrière de potentiel, dont la hauteur peut être de l'ordre de 2 #, sépare chaque point photosensible de son voisin. Sur la figure 12, les zones 14 séparent les détecteurs pour éviter la diaphotie. Cependant, en cas de suréclairement violent, il peut y avoir débordement par-dessus la barrière de potentiel due aux zones 14. La structure de la figure 15 permet d'éviter ces débordements. Sur la figure 15, la grille 1 qui fait partie des détecteurs n'est pas continue. Une partie de la grille 1 est utilisée pour séparer les détecteurs. Cette partie, référencée 17, n'est pas en contact avec la grille 1 faisant partie des détecteurs. Des connexions 15, représentées de façon schématique sur la figure, relient entre elles les grilles de chacun des détecteurs pour permettre à une seule source de tension VG de polariser les grilles de tous les détecteurs. La grille 17 qui sépare les détecteurs est reliée par exemple à la masse. De plus, sous la grille 17, on réalise des zones de type opposé au substrat, c'est-à-dire du type N ou N+ qui sont polarisées en inverse par une source de tension VAE. La figure 16 représente une vue en coupe le long de la première ligne de la matrice 13 et la figure 17 représente le profil de potentiel de la figure 16. Les photoélectrons sont drainés vers les zones 5. En cas de suréclairement violent, le potentiel sous les détecteurs peut atteindre le faible potentiel existant sous les grilles 17. Dans ce cas, les charges en excès sont évacuées par la zone 16 et ne débordent pas dans les détecteurs voisins. Ce qui a été décrit pour l'isolement des détecteurs faisant partie d'une matrice s'applique bien entendu aux détecteurs faisant partie d'une barrette photosensible comportant une seule ligne de détecteurs. REVENDICATIONS 1. Détecteur photosensible du type grille-isolant-semiconducteur, caractérisé en ce que la grille (1) et l'isolant (2) présentent une ouverture (4) et en ce que le substrat semiconducteur (3) comporte au niveau de cette ouverture une zone (5) de type opposé à celui du substrat, qui est reliée à des moyens de traitement de l'information (7), la grille, le substrat et la zone de type opposé étant polarisés pour que le potentiel de cette zone soit supérieur à celui existant sous la grille. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement de l'information (7) comportent un dispositif à transfert de charge, ladite zone (5) de type opposé à celui du substrat étant reliée à une autre zone (D)du dispositif à transfert de charge, de type opposé à celui du substrat (8) du dispositif à transfert de charge, cette autre zone (D) étant suivie de grilles qui assurent la polarisation de ladite zone (5) et qui commandent l'accès à un registre à transfert de charge (R), dont le sens de transfert des charges est perpendiculaire à celui suivi par les charges de la zone (D) de type opposé à celui du substrat (8) du dispositif (7) vers le registre. 3. Détecteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, le rayonnement à détecter devant traverser le substrat semi-conducteur (3), celui-ci est de faible épaisseur et repose sur un autre substrat transparent au rayonnement à détecter (10). 4. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il existe une couche intermédiaire (11) entre l'isolant (2) et le substrat photosensible (3). 5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette couche intermédiaire (11) présente un gap élevé. 6. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette couche intermédiaire (11) est choisie pour que les interfaces isolant (2)-matériau intermédiaire et matériau intermédiairesubstrat semi-conducteur (3) soient de bonne qualité. 7. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il existe une couche (12) de type opposé à celui du substrat (3) entre l'isolant (2) et le substrat semi-conducteur, cette couche (12) comportant la zone (5) de type opposé à celui du substrat qui est plus fortement dopée que cette couche (12). 8. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur (3) est un matériau binaire, tel que l'antimoniure d'indium, ou un matériau ternaire, tel que le tellurure de cadmium et de mercure, qui est sensible à l'#fra-rouge. 9. Application d'un détecteur selon l'une des revendications 1 à 8 à un dispositif photosensible (13), caractérisé en ce que ce dispostif comporte plusieurs détecteurs disposés selon une ligne ou selon des lignes et des colonnes, ces détecteurs étant réalisés sur la même structure du type grille, isolant, semi-conducteur. 10. Application à un dispositif photosensible selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'isolement des détecteurs entre eux est réalisé par des zones (14) de même type que le substrat (3) mais fortement dopées. Il. Application à un dispositif photosensible, selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'isolement des détecteurs entre eux est réalisé par des grilles (17) sous lesquelles se trouvent des zones (16) de type opposé à celui du substrat (3) qui sont polarisées en inverse, ces grilles étant polarisées pour que le potentiel existant sous ces grilles soit faible.