Brevet FR2535899A1 — publié le 19840511

La présente invention concerne un élément de transfert de charges en infrarouge monolithique utilisa- ble dans un imageur de rayons infrarouges. Pour un élément de transfert de charges opérant à des longueurs d'onde de rayons infrarouges dans un in- tervalle de 3 à 5 pm, on n'a actuellement mis au point qu'un seul élément de type monolithique, c'est-à-dire l'élément de transfert de charges en infrarouge monolithi- que dit du type Schottky au silicium. D'autre part, pour un intervalle de longueurs d'on- de de 8 à 14 pm, qui est très important commercialement, le tellurure de cadmium au mercure (Hg 1 _x Cdx Te: x 0,2) et le tellurure d'étain au plomb (Pb 1 -x Snx Te: x 0,2) ont été considérés comme des matériaux importants car ces matériaux sont très sensibles aux infrarouges dans l'inter- valle de longueurs d'onde de 8 à 14 m Cependant, ces ma- tériaux ne sont généralement pas stables comparés au sili- cium et à l'arséniure de gallium, qui ont été largement utilisés dans l'industrie des semiconducteurs En particu- lier, le tellurure de cadmium au mercure est thermiquement instable et mécaniquement très peu résistant et le tellu- rure d'étain au plomb a une constante diélectrique très élevée Par conséquent, il a été difficile de produire un dispositif de transfert de charges à partir de ces maté- riaux, et un dispositif fabriqué à partir de chaque maté- riau présente des caractéristiques de transfert médiocres. Pour cette raison, on n'a pas utilisé ces matériaux pour fabriquer des éléments de transfert de charges en infra- rouge monolithiques, leur utilisation étant limitée à la fabrication des éléments de détection de rayons infrarou- ges non monolithiques. On-a proposé comme approche de réalisation d'un élément de transfert de charges utilisant l'un des ces ma- tériaux, une combinaison hybride d'un élément de détection infrarouge de tellurure de cadmium au mercure et d'un élé- ment de transfert de charges fabriqué à partir de silicium. Cependant, dans cette combinaison hybride, il est néces- saire de connecter électriquement ces éléments Les tech- niques pour réaliser ces connexions sont très compliquées, et peuvent donner lieu à une capacité parasite et/ou une inductance parasite élevées qui affectent défavorablement les caractéristiques de l'élément résultant. L'invention a été réalisée au vue de l'état de la technique mentionné plus haut et un but de celle-ci est de four- nir un élément de transfert de charges en infrarouge monoli- thique qui peut être facilement fabriqué et qui a des ca- ractéristiques améliorées. Ce but et d'autres buts sont atteints selon la présente invention par une intégration monolithique d'un élément de détection infrarouge et d'un élément de tranfert de charges en formant sur une première couche semiconductrice dans laquelle est formé l'élément de trans- fert de charges une seconde couche semiconductrice d'un ma- tériau différent de celui de la première couche semicon- ductrice L'élément de détection infrarouge est formé dans la seconde couche semiconductrice. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la descrip- tion suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation préféré d'un élément de transfert de charges en infrarouge monolithique construit selon la présente invention; et Figure 2 est une vue en plan de l'élément de la Figure 1. Les Figures 1 et 2 représentent,respectivement en coupe transversale et en plan, un exemple de réalisation d'un élément de transfert de charges en infrarouge mono- lithique qui comprend une section de transfert de charges et une partie de détection de rayons infrarouges Ces der- nières sont constituées respectivement d'arséniure de gal- lium et de tellurure de cadmium au mercure Plus spécifi- quement, on forme une couche 2 d'arséniure de gallium de type N sur un substrat d'arséniure de gallium semi-iso- lant 1 On forme une région 3 d'arséniure de gallium de type p ou d'arséniure de gallium semi-isolant dans la cou- che 2 d'arséniure de gallium de type n Une seule grille de transfert allongée 4 et un ensemble de grilles de trans- fert de charges 5 sont formées sur la surface de la couche 2 comme on l'a représenté, et cellesci sont recouvertes d'une couche isolante 6 Sur la couche isolante 6, on for- me une partie de lignes de signaux 7 o La partie de lignes de signaux 7 comprend une première à une quatrième ligne de signal 7 a à 7 d Un ensemble de trous de contact 8 sont formés dans la couche isolante 6 à travers lesquels les lignes de signaux 7 a à 7 d sont connectées aux grilles de transfert de charges 5. Un ensemble de couches 9 de tellurure de cadmium de type N sont également formées sur la couche 2 d'arsé- niure de gallium de type n une couche 10 de tellurure de cadmium au mercure de type n, une couche 11 de tellurure de cadmium de type p et une électrode 12 en contact ohmi- que avec la couche 11 de tellurure de cadmium au mercure de type p étant formées sur les couches 9, dans l'ordre établi, pour constituer des parties de détection infrarou- ge. Le dispositif de transfert de charges en infrarou- ge monolithique décrit ci-dessus peut être fabriqué comme suit: La couche 2 de Ga As de type N et la région 3 d'ar- séniure de gallium de type p sont formées sur le substrat 1 d'arséniure de gallium semi-isolant en implantant de fa- çon sélective, par exemple, respectivement des atomes de Si et des atomes de béryllium La grille de transfert 4 et les grilles de transfert de charges 5 sont formées sur celles-ci par dép 6 t en phase vapeur d'aluminium, ou par des techniques photolithographiques, pour former des bar- rières de Schottky La couche isolante 6 constituée, par exemple, de nitrure de silicium (Si 3 N 4) est ensuite formée sur celles-ci par dép&t en phase vapeur chimique de plasma (CVD), par exemple, et la couche 6 est ensuite convena- blement tracée par des techniques photolithographiques. La partie de lignes de signaux 7, qui est cons- tituée d'aluminium, est ensuite formée sur celle-ci par dépôt en phase vapeur sous vide ou par photolithographie de manière à ce qu'elle soit en contact électrique avec les grilles de transfert de charges 5 par l'intermédiaire des trous de contact 8 Ainsi est formée la partie de transfert de charges en arséniure de gallium. On peut former la partie de détection de rayons infrarouges comme on va le décrire maintenant: La couche 9 de tellurure de cadmium de type n, la couche 10 de tellurure de cadmium au mercure de type n, et la couche Il de tellurure de cadmium au mercure de type p sont formées de façon sélective dans l'ordre établi sur la couche 2 d'arséniure de gallium de type n, par exemple, par croissance épitaxiale de faisceau molé- culaire associée à la photolithographie Les électrodes 12 sont ensuite formées sur la couche il de tellurure de cadmium au mercure de type p par évaporation en phase vapeur d'or suivie d'un traitement photolithographique. De la manière décrite, la partie de détection infrarouge, constituée de la couche 9 de tellurure de cadmium de type n, et de la couche 1 l de tellurure de cadmium au mercure de type p, est formée sur la couche 2 d'arséniure de gal- lium de type N qui, avec le substrat l d'arséniure de gallium semi-isolant, constitue l'élément de transfert de charges On ob- tient ainsi un dispositif monolithique intégré incluant un élément de transfert de charges en infrarouge et un élément de détection infrarouge. Dans cet élément monolithique décrit ci-dessus, puisque les bandes interdites du substrat 1 d'arséniure de gallium semi-isolant, de la couche 2 d'arséniure de gallium de type N et de la couche 9 de tellurure de cad- mium de type N sont plus grandes que celles de la couche de tellurure de cadmium au mercure de type N et de la couche Il de tellurure de cadmium au mercure de type p, il est possible de recevoir des rayons infrarouges à par- tir d'une image détectée du côté du substrat 1 d'arséniure de gallium semi-isolant comme on l'a représenté par une flèche 20 Dans ce cas, des charges électriques sont accu- mulées entre la couche 10 de tellurure de cadmium au mer- cure de type N et la couche 11 de tellurure de cadmium au mercure de type p Quand la grille de transfert 4 est ou- verte, les charges accumulées sont transférées jusqu'à la couche 2 d'arséniure de gallium de type N au-dessous des grilles de transfert de charges 5 Par l'application d'un signal sur la partie de lignes de signaux 7, les charges sont transférées jusqu'à une borne de sortie En appli- quant les charges ainsi transférées à un circuit extérieur (non représenté), on peut obtenir un signal électrique correspondant à la grandeur des rayons infrarouges inci- dents. Le but de prévoir les régions 1 ou 3 d'arséniure de gal- lium semi-isolant Pu de type p est de fournir une sépara- tion entre des éléments voisins et de transférer les char- ges jusqu'aux parties de la couche 2 d'arséniure de gal- lium de type N au-dessous des grilles voulues de l'ensem- ble de grilles de transfert de charges 5 C'est ainsi que les régions 1 ou 3 fonctionnent comme des barrières. Selon l'exemple de réalisation de l'invention dé- crit plus haut, puisque l'élément de détection de rayons infrarouges est formé sur la couche 2 d'arséniure de gal- lium de type N avec laquelle l'élément de transfert de charges est formé, par croissance épitaxiale de la couche de tellurure de cadmium au mercure en utilisant une crois- sance épitaxiale de faisceau moléculaire, on peut facile- ment fabriquer une combinaison intégrée monolithiquement d'un élément de détection de rayons infrarouges et d'un élément de transfert de charges En outre, puisque l'élé- ment de détection infrarouge est constitué de tellurure de cadmium au mercure, qui est très sensible aux rayons infrarouges, la sensibilité de détection de l'élément monolithique aux rayons infrarouges est beaucoup améliorée tandis qu'on obtient un rendement de transfert élevé avec l'élément de transfert de charges en arséniure de gallium. En outre, puisqu'il n'est pas nécessaire d'avoir une con- nexion électrique entre les éléments, qui était une-exi- gence dans le dispositif hybride classique, les effets de capacité parasite et d'inductance parasite sont négligea- bles, et ainsi les caractéristiques importantes de l'élé- ment monolithique sont beaucoup améliorées. On doit noter que, bien qu'on utilise un substrat. d'arséniure de gallium dans l'exemple de réalisation dé- crit, il est possible d'utiliser d'autres matériaux tels que du silicium pour le substrat pourvu que l'élément de transfert de charges puisse être formé en utilisant ce matériau En outre, il est possible de former l'élément de détection infrarouge avec des matériaux autres que du tellurure de-cadmium au mercure tels que du tellurure d'é- tain au plomb, qui a une grande sensibilité aux infrarou- ges. On peut remplacer la couche 9 de tellurure de cad- mium de type N formée entre la couche 2 d'arséniure de gallium de type N et la couche 10 de tellurure de cadmium au mercure par une couche d'antimoniure d'indium, ou on peut ne pas la prévoir dans certains cas En outre, on peut remplacer les couches d'aluminium utilisées pour for- mer la-grille de transfert 4 et les grilles de transfert de charges 5 par d'autres matériaux tels que du platine, ou on peut former les grilles comme des grilles MIS ou mé- tal-isolant-semiconducteur En outre, on peut inverser les types de conductivité des matériaux constituant les diffé- rentes parties des éléments respectifs De plus, il est possible de recevoir les rayons infrarouges du côté des électrodes 12 Dans ce cas, les électrodes doivent être optiquement transparentes. Comme on l'a mentionné plus haut, selon la présen- te invention, on peut facilement fabriquer un élément de transfert de charges en infrarouge monolithique en formant l'élément de transfert de charges sur un élément de détec- tion infrarouge Puisque les caractéristiques importantes de l'élément monolithique sont beaucoup amélioré 9,il est approprié pour une utilisation comme imageur de rayons infrarouges. REVENDICATIONS 1 Elément de transfert de charges en infrarouge monolithique caractérisé en ce qu'il comprend: un élément de transfert de charges ( 1,2) formé sur un substrat se- miconducteur ( 1) et *une couche semiconductrice ( 2) for- mée sur le substrat, et un élément de détection de rayons infrarouges ( 9, 10,11) formé sur la couche semiconductrice, ledit élément de détection de rayons infrarouges étant constitué d'un matériau semiconducteur différent de celui qui constitue la couche semiconductrice ( 2). 2 Elément de transfert de charges en infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice ( 2) est constituée d'un matériau choisi dans le groupe composé d'arséniure de gallium et de sili- cium, et en ce que l'élément de détection de rayons infra- rouges est constitué d'un matériau choisi dans legroupe composé de tellurure de cadmium au mercure et de tellure d'étain au plomb. 3 Elément de transfert de charges en infrarouge monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur ( 1) est constitué d'arsé- niure de gallium, en ce que la couche semiconductrice ( 2) est constituée d'arséniure de gallium d'un premier type de conductivité, et en ce que l'élément de détection de rayons infrarouges comprend une première couche ( 9) formée sur la couche semiconductrice ( 2), la première couche é- tant constituée de tellurure de cadmium dudit premier ty- pe de conductivité, une deuxième couche (îo) formée sur la première couche, la deuxième couche étant constituée de tellurure de cadmium au mercure du premier type de con- ductivité, et une troisième couche ( 11) formée sur la deux- ième couche, la troisième couche étant constituée de tel- lurure de cadmium au mercure d'un second type de conduc- tivité. 4 Elément de transfert de charge en infrarouge monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur ( 1) est constitué d'arsé- -t 535899 niure de gallium et la couche semiconductrice ( 2) d'arsé- niure de gallium d'un premier type de conductivité, et en ce que l'élément de détection de rayons infrarouges com- prend une première couche ( 9) formée sur la couche semi- conductrice, la première couche étant constituée d'anti- moniure d'indium dudit premier type de conductivité, une deuxième couche ( 10) formée sur la première couche, la deuxième couche étant constituée de tellurure de cadmium au mercure du premier type de conductivité, et une troi- sième couche ( 11) formée sur la deuxième couche, la troi- sième couche étant constituée de tellurure de cadmium au mercure d'un second type de conductivité - Elément de transfert de charges en infrarouge monolithique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur ( 1) est constitué d'arsé- niure de gallium et la couche semiconductrice ( 2) d'arsé- niure de gallium d'un premier type de conductivité, et en ce que l'élément de détection de rayons infrarouges com- prend une première couche ( 9) formée sur la couche semi- conductrice, la première couche étant constitué de tellu- rure de cadmium au mercure du premier type de conductivité, et une deuxième couche ( 10) formée sur la première couche, la deuxième couche étant constituée de tellurure de cad- mium au mercure d'un second type de conductivité. 6 Elément de transfert de charges en infrarouge monolithique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une région 3 servant de barrière pour empêcher un transfert de charges produit sur la cou- che semiconductrice ( 2), l'élément de détection de rayons infrarouges étant entouré par ladite région servant de barrière.