Brevet FR2544131A1 — publié le 19841012

La présente invention concerne un détecteur photo- voltaique en immersion optique sensible aux rayonnements infrarouge, comprenant un substrat transparent aux rayon- nements infrarouge, sur un côté du substrat une plaquette en matériau semiconducteur d'un premier type de conduc- tivité, dans cette plaquette, du côté opposé au substrat, au moins une zone d'un deuxième type de conductivité for- mant, avec le matériau du premier type, une jonction PN, le substrat du côté opposé à la plaquette étant usiné en forme de lentille. Un tel détecteur est déjà connu, notamment par la demande de brevet français 79 29470 au nom de la demande- resse. On réalise même aujourd'hui detels détecteurs avec un substrat en Cd Te et une plaquette en Hg 1 Cd X Te, qui est un alliage de-Cd Te, matériau à large bande interdi- te, et de Hg Te, matériau semi-métal, et dont la longueur d'onde de détection dépend de la valeur de x La détecti- vité de ces détecteurs, définie par le rapport signal sur bruit, et qui est représentative de leurs performances,dans est limit 6 e certains cas 7 que par leur bruit thermique ou leur bruit capacitif, sans être influencée par le fond ambiant et ses fluctuations Ces photodétecteurs infrarouge non limités par le fond ambiant sont dits non BLIP (background limited infrared photodetectors) On les utilise notamment la dans le domaine militaire pour la désignation d'objectifs o t&le'me Augmenter le niveau du signal tout en maintenant constant celui du bruit, revient à augmenter la détectivité. C'est ce que l'immersion optique permet d'obtenir, en aug- mentant la surface apparente du détecteur proprement dit. Cette surface apparente peut être multipliée par n, N représentant l'indice de la lentille, si le détecteur est placé au centre d'une lentille hémisphérique, ou par N,si le détecteur est placé au premier point de Weierstrass d'une lentille hyperhémisphérique, s' étendant au-delà du centre de la sphère correspondante. Quaitlt à la détectivité elle-même, elle est multipliée par N en cas d'immersion hémisphérique et par N 2 en cas d'im- mersion hyperhémisphériquc, si elle n'est limitée que par le bruit thermique, et par N 2 en cas d'immersion hémisphéri- que et par N en cas d'immersion hyperhémisphérique, si elle n'est limitée que par le bruit capacitif. En définitive, l'immersion optique permet de réali- ser des détecteur fonctionnant à température intermédiaire ou à fréquence électrique élevée, avec des performances supé- 1 Conditions. rieures a celles des détecteurs non immergés, dans les mêmes/ Deux procédés sont actuellement connus pour réaliser ces détecteurs immergés. Dans un premier procédé, on colle purement et simple- ment sur une lentille un détecteur réalisé par ailleurs. Dans le deuxième procédé,on procède à l'interdiffu- sion d-'une plaquette du matériau du premier type de conducti- vité évoqué plus haut et du substrat de la lentille, après avoir aminci la plaquette en question, dans laquelle le dé- tecteur est ensuite réalisé, et avant d'usiner le substrat en forme de lentille Il faut noter ici qu'avec un tel pro- cédé, on ne peut réaliser qu'un détecteur à éclairage par la face arrière. Le premier procédé, à la colle, débouche sur des inconvénients La colle, qui constitue un milieu intermédiai- re d'indice de réfraction faible, limite, par réflexion to- tale, l'angle de vue du détecteur En outre, il n'est pas facile de choisir une colle satisfaisant simultanément aux exigences d'indice, comme on vient de le souligner, de transmission des rayonnements infrarouge, des coefficients de dilatation thermique, de solidité mécanique, de taux de dégazage, etc. Le deuxième procédé, par interdiffusion, pose égale- ment un problème, même s'il présente l'avantage d'éliminer le "saut d'indice" provoqué, dans le premier cas, par la 254413 i colle En effet, l'interdiffusion nécessite un traitement à des températures élevées, généralement de l'ordre de 6000 C, qui rend difficile la réalisation d'une mosaïque de diodes toutes aussi satisfaisantes les unes que les autres. La présente invention vise donc à proposer un détec- teur du type mentionné ci-dessus mais ne présentant pas les inconvénients de ceux réalisés par les procédés connus jus- qu'à aujourd'hui. A cet effet, le détecteur de l'invention, du type mentionné ci-dessus, est caractérisé par le fait qu'il com- prend, intercalé entre le substrat et la plaquette, un agent transparent' aux rayonnements infrarouges et constituant un solvant du substrat et de la plaquette. Ainsi le substrat'et la plaquette sont réunis, non plus par de la colle, mais par un solvant de liaison, ou de soudure, transparent aux rayonnements infrarouge, ce qui élimine les inconvénients de la colle. Dans une forme de réalisation préférée du détecteur de l'invention, l'agent de liaison est un agent à point de -20 fusion relativement bas, avantageusement au plus égal à 5000 C environ, inférieur aux températures d'interdiffusion du substrat et de la plaquette, évoquées ci-dessus, ce qui élimine donc les inconvénients du procédé d'interdiffusion. De façon avantageuse, l'agent de luaison est le tel- lure, qui présente les caractéristiques optimales pour la "soudure", sur quelques microns de profondeur, d'un substrat en Cd Te et d'une plaquette en Hg 1 x Cd; Te bon solvant de Cd Te et Hg Te; point de fusion de 4490 C, ni trop haut, car infé- rieur à la-température d'interdiffusion de 6000 C, ni trop bas, contrairement-à celui de 220 C du sé- lénium, une température de traitement de l'ordre de 3000 C étant quand même nécessaire après liaison; transparence aux rayonnements infrarouge, notam- ment pour une longueur d'onde de 10,6 ïm; angle de îve important, la faible épaisseur de la couche d A tellure permettant aux rayons obliques de pesser par ondes évanescentes; bonne constitution, contrairement au cadmium qui est pulvérulent; bonne mouillabilité, contrairement au sélénium. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante du détecteur de l'invention et de son pro- cédé de réalisation, en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une ampoule pour la liaison du substrat et de la plaquette du détecteur de l'invention, et la figure 2 représente une vue schématique en pers pective du détecteur immergé de l'invention. Pour réaliser le détecteur de l'invention, on prend un substrat 1 classique en l'occurrence en Cd Te, transparent aux rayonnements infrarouge-, d'une part, et une plaquette 2 non moins classique en matériau semiconducteur, en l'occur- rence du Hg x 1 Cdx Te, d'autre part On notera que, de pré- férence, la valeur de x est comprise entre 0,20 et 1. On polit très soigneu- sement les surfaces du substrat 1 et de la plaquette 2 à sou- der l'une contre l'autre pour obtenir des états de surface aussi parfaits que possible à des fins de propreté. On dépose ensuite sur chacune de ces surfaces, par pulvérisation cathodique, un mince film de tellure d'environ un micron d'épaisseur. On introduit le substrat 1 et la plaquette 2 dans une ampoule 3 en quartz, en les plaquant l'une contre l'autre, avec les deux films de tellure 10, 11 en contact l'un avec l'autre, entre un piston en quartz 4, en butée contre un ergot de maintien rétractable 5, et une plaque d'appui 6, poussée vers le piston 4 par un ressort en molybdène 7 lui-même en 2544131 appui contre le fond 8 de l'ampoule et maintenant l'ensemble sous pression mécanique. De préférence, on introduit dans l'ampoule une peti- te quantité de mercure dépendant de l'espace libre restant dans l'ampoule pour que lors de la liaison du substrat et de la plaquette dont il sera question ci-après il règle à 500 o C une pression de mercure de 1 atmosphère A cet égard, il faut noter qu'on pourrait également procéder sans pres- sion de mercure à température encore plus basse Mais la dé gradation du matériau Hg Cd Te, par échappement de Hg, serait la même qu'en présence d'une pression de Hg à température élevée. On pompe sous vide secondaire (environ 1,3310-3 millibars) l'air contenu dans l'ampoule, pendant quelques heures, et on scelle l'ampoule 3 sur le piston 4. L'ampoule 3, contenant l'ensemble 1, 10, 2, 11 à sou der, est alors introduite dans un four à 5000 C On l'y laisse environ une heure, c'est-à-dire suffisamment pour que l'en- semble soit mis en chauffe mais pas trop non plus pour que l'absorption ultérieure des rayonnements, lors de l'éclairage par la face arrière, dont il sera question ci-après, ne soit pas trop grande, puis, après l'avoir retirée, on refroi- dit l'ampoule et son contenu, on l'ouvre et on retire le substrat et la plaquette. Pendant le traitement thermique à 5000 C, le tellure a dissous le substrat et la plaquette, provoquant sur une petite profondeur d'environ 5 à 10 pim la liaison, ou la soudu- re, du substrat et de la plaquette A titre comparatif, dans le cas de l'interdiffusion classique, le gradient de compo- sition s'étend sur une épaisseur beaucoup plus grande de 30 m environ. On amincit ensuite la plaquette 2 en Hg 1 x Cdx Te pa- rallèlement au plan de liaison, jusqu'à une épaisseur d'en- viron 20 à 30 Pm On diffuse,de façon classique, une zone 12 du type de conductivité (p ou n) opposé à celui (n ou p) du 6 2544133 matériau de départ de la plaquette, pour réaliser une jonction à éclairage par la face arrière. Enfin, on usine le substrat 1, du côté opposé à la pla- quette 2, en forme de lentille hémisphérique, comme dans le cas de la figure 2, ou de lentille hyperhémisphérique, bien connues maintenant de l'homme de métier, et on applique sur la surface convexe 9 de la lentille en Cd Te une couche anti- reflet, également bien connue, pour limiter les pertes opti- ques par réflexion sur cette surface On termine, toujours de façon classique, le détecteur en formant le contact mé- tallique 13 de la zone 12 et le contact métallique 14 du matériau du type de conductivité opposé. Ainsi, on a réalisé, à basse température,une liaison ayant permis d'obtenir un détecteur immergé dont l'angle de vue, ou "field of view" (FOV), n'est pas limité par les réflexions des rayonnements incidents sur un milieu intermé- diaire d'indice faible. On notera que le traitement à basse température per- met, sur un même substrat, de réaliser une mosaïque de dio- des toutes aussi satisfaisantes les unes que les autres, bien qu'il n'en soit représenté qu'une seule sur le substrat de la figure 2 La faculté, d'être reproduit en une grande quantité à partir d'un même substrat, est uo caractèrdstique très intéressante du détecteur décrit ci-dessus. Dans le cas de la lentille hémisphérique-en Cd Te de la figure 2, d'indice n= 2,7 la surface sensible appa- rente est multiplée par un facteur d'environ 7 C'est très ou en télémétrie intéressant par exemple pour des désignations d'objectifs/. Dans le cas d'un détecteur fonctionnant en détectivi- té thermique, c'est-à-dire d'un détecteur dont les perfor- mances ne sont limitées que par son bruit thermique, on peut donc, pour une surface sensible apparente déterminée, di- minuer la surface réelle en la divisant par un facteur 7, et donc diviser le bruit thermique et par conséquent multi plier la détectivité par un facteur 2,7. Dans le cas d'un détecteur fonctionnant en détecti- vité bande large il s'agit de la bande de fréquences de la modulation -, c'est-à-dire d'un détecteur dont les per formances ne sont limitées que par son bruit capacitif, on peut donc, pour une surface sensible apparente déterminée, diminuer la surface réelle en la divisant par un facteur 7, et donc diviser le bruit capacitif et multiplier la détec- tivité par le même facteur 7. 254413 1 Revendications 1 Détecteur photovoltaïque en immersion optique, sensible aux rayonnements infrarouge, comprenant un subs- trat transparent aux rayonnements infrarouge ( 1), sur un côté du substrat, une plaquette ( 2) en matériau semicon- ducteur d'un premier-type de conductivité, dans cette pla- quette, du côté opposé au substrat, au moins une zone ( 12) d'un deuxième type de conductivité formant, avec le maté- riau du premier type, une jonction PN, le substrat ( 1), du côté opposé à la plaquette ( 2), étant usiné en forme de lentille ( 9), caractérisé par le fait qu'il comprend, inter- calé entre le substrat ( 1) et la plaquette ( 2), un agent ( 10, 11) transparent aux rayonnements infrarouge et consti- tuant un solvant du substrat ( 1) et de la plaquette ( 2). 2 Détecteur selon la revendication 1, dans lequel l'agent de liaison ( 10, 11) est un agent à bas point de fu- sion. 3 Détecteur selon la revendication 2, dans lequel l'agent de liaison ( 10, 11) est un agent d'indice de ré- fraction élevé. 4 Détecteur selon la revendication 3, dans lequel l'agent de liaison ( 10,11) est le tellure.