Brevet FR2545271A1 — publié le 19841102

i i 5452 ? 1 La présente invention est relative S des dispositifs de production d'images utilisant des pastilles semi-conductrices à cristal unique et elle vise plus particulièrement un tube vidicon, présentant une région anti-réflexion améliorée pour accroftre le rendement quantique du dispositif dans un domaine de longueur d'onde de 400 à 500 nanomètres L'invention vise égalementun pro- cédé de fabrication de la région anti-réflexion. Des dispositifs de formation d'images, tels que des tubes vidicons au silicium et des tubes intensificateurs au silicium, utilisent des éléments de détection ou cibles qui comprennent des pastilles semi-cristallines à cristalunique. Le fonctionnement de telles cibles dans ces dispositifs est bien connu de l'homme de l'art etil est décrit notammentdans le brevet américain N 4 232 245 De tels dispositifs sont fréquemment utilisés dans des caméras ou appareils de prise de vue de surveillance pour contrôler des zones à accès réservé Comme décrit dans le brevet mentionné ci-dessus, une couche de passivation de verre au boro- silicate est déposée sur la surface de détection d'entrée de la cible Une couche anti-réflexion est ensuite déposée sur la couche de passivation Le brevet améri- cain N 4 228 446 décrit un dispositif, comportant une coucheantiréflexion pour une cible au silicium, dans lequel la couche antiréflexion en combinaison avec la couche de passivation, forme une région anti-réflexion, qui présenteune épaisseur optique sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde de la lumière incidente sur le dispositif La région anti-réflexion, décrite dans le brevet américain N 4 228 446, augmente la réponse spectrale du dispositif, sur un domaine de longueurs d'onde compris entre 400 et 1000 nanomètres envi- ron et renforce le rendement quantique dans la gamme de longueurs d'onde com- prise entre 550 et 600 nanomatres environ Cependant, le rendement quantique d'untel dispositif, pour la gamme de longueurs d'onde de 400 à 500 nanomètres, diminue rapidement, lorsque la longueur d'onde de la lumière incidente décroît. De nombreuses sources d'illumination, qui sont utilisées en liai- son avec des caméras de surveillance, présentent des distributions spectrales avec des crêtes ou pointes d'intensité, qui surviennentendessous de la crête ou pointe de rendement quantique de 550 à 600 nanomètres, décrite dans le brevet américain N 4 228 446, mentionné cidessus Par exemple, une lampe àarc au mercure présente une crête d'intensité à environ 455 nanomètres et une lam- pe fluorescente du type "lumière du jour" présente une crête d'intensité à envi- ron 450 nanomètres Par conséquent, le besoin se fait sentir d'augmenter le 2 2545 t 11 rendement quantique du dispositif de formation d'images, dans lagamme de longueurs d'onde de 400 à 500 nanomètres, sans diminuer sensiblement le rendement quantique dans la gamme de longueurs d'onde de 550 à 600 nano- mètres. Un dispositif de production d'images selon la présente invention comprend une plaquette d'un matériau semi-conducteur à cristal unique, pré- sentant une première surface avec une région de détection d'erntrée et une se- conde surface avec une région de stockage de charges Une barrière de poten- tiel pour contrôler le flou d'image est formée dans la région de détection et une région de passivation, à l'intérieur de la région de détection, stabilise le ni- veau d'énergie atomique le long de la première surface Le dispositif est amé- lioré en formant une région anti-réflexiôn sur la région de passivation, afin de réduire la réflexion et accroître l'absorption de la lumière incidente sur le dis- positif La région anti-réflexion comprend deux couches contigus La première couche " située plus près de la pastille que la seconde couche, estformée à partir d'un matériau qui possède un indice de réfraction compris entre 2 3 et 2 4, qui estinférieur à celui de la pastille La seconde couche est constituée d'un matériau présentant un indice de réfraction inférieur à celui de la première couche Les première et seconde couches présententchacune une épaisseur optique qui est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la lumière incidente sur le dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressorti- ront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les dessins: la Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un tube de prise de vues vidicon perfectionné selon la présente invention; la Figure 2 est une vue partielle en coupe, à échelle agrandie, d'une cible au silicium pouvant être utilisée dans le tube représenté sur la Figure 1; la Figure 3 est un schéma de bande, représentant la configuration du niveau d'énergie dans la région de la portion de détection d'entrée de la cible, illustrée par la Figure 2; la Figure 4 représente la courbe qui illustre les caractéristiques optiques de la région anti-réflexion à deux couches selon la présente invention; 3 t 545271 _ la Figure 5 représente le rendementquantique d'une cible selon la technique antérieure et, la Figure 6 représente le rendementquantique d'une cible, utili- sant la région anti-réflexion à deux couches selon la présente invention, Un exemple de réalisation préféré du dispositif de formation d'ima- ges selon l'invention est un tube de prise de vues vidicon 10, tel que repré- senté sur la Figure 1, qui comprend une enveloppe mise sous vide 12, présen- tant une plaque frontale transparente 14 à l'une des extrémités de l'enveloppe 12 et un système de canons électroniques 16, à l'intérieur de l'enveloppe 12, pour former un faisceau électronique 18 à faible vélocité Une cible 20, cons- tituée par une pastille d'un matériau semi-conducteur à cristalunique, est montée sur une entretoise support 22 et elle est positionnée près de la surface interne de la plaque frontale 14, de manière appropriée pour recevoirune image d'entrée lumineuse On peut disposer à l'extérieur de l'enveloppe 12, des moyens (non représentés) pour focaliser magnétiquement le faisceau 18 vers la cible 20 et pour amener le faisceau 18 à balayer la surface de la cible 20. La cible 20, dont un fragment a été représenté sur la Figure 2, est une cible photodiode au silicium en forme de pastille, présentant une région 24 de conductivité du corps de type N, d'un monocristal de silicium élémen- taire, comportant des première et seconde surfaces principales opposées 26 et 28, respectivement La première surface principale 26, également appelée surface côté-puits, comprend la surface de détection d'entrée de la cible 20, pour recevoir l'image d'entrée La seconde surface principale 28 fait face au système de canons électroniques 16, lorsqu'ilest monté dans letube illustré par la Figure 1 et elle est couramment appelée surface de balayage, ou portion côté-diode de la cible 20 Cette cible 20 comporte une région de stockage de charges B, le long d'une section comprenant la surface de balayage 28 et une région de détection d'entrée A, le long d'une sectioncomprenantla surface de détection d'entrée 26 La région de stockage de charges B comporte un arran- gement ou réseau de diodes de stockage discrètes à jonction PN, 30, sur la surface de balayage 28 de la pastille de silicium Une région d'épuisement 31, associée à chacunedes diodes 30, s'étend dans le corps 24 L'étendue de la région d'épuisement 31 est fonction de l'état de polarisation inverse de la diode Une couche isolante de bioxyde de silicium 32, estprévue sur la sur- face de balayage 28, entre les diodes discrètes 30, afin de protéger la région du corps 24, des effets du faisceau électronique de balayage 18 On prévoit des plots de contact 34, en silicium de type P qui recouvrent les surfaces de type P des diodes discrètes 30, ainsique la couche isolante 32 de bioxyde de silicium, autour de la périphérie des diodes 30, selon une technique bien connue. Ces plots améliorent le contact du faisceau de balayage 18 avec les diodes 30. Une région 36, de type N qui s'étend dans la pastille 24, à partir de la seconde surface principale 28, est prévue de manière à éliminer toute fuite électrique à partir de l'interface silicium-bioxyde de silicium. Le long de la région de détection d'entrée A, s'étendant à partir de la surface de détection d'entrée 26 dans le corps 24 de la cible au silicium , on prévoit une configuration de niveau d'énergie de la pastille 24, telle que représentée sur la Figure 3 Une région de passivation 40 de faible profondeur et de type P+, estprévue le long de la surface de détection d'entrée 26, cette région s'étendant jusqu'àune profondeur C 2, de manière à fixer efficacement la bande de valence Ev dans cette région de la cible 20, sensiblement au niveau de Fermi E, et une barrière de potentiel N+, 42, est prévue à une distance C de la surface de détection d'entrée 26, pour réaliser le contrôle de flou. C 1 représente la distance depuis la surface 26 jusqu'à la crête ou valeur maxi- male de la distribution N+ De préférence, labarrièrede potentiel N+ 42, est positionnée de façon que C 1 soit sensiblement égal à 600 A La distribution du profil de dopage dans la région de la barrière de potentiel N+ 42, par rapport au corps 24 de type N de la cible de silicium 20, doit présenter les caractéris- tiques (B 1 et B 2) nécessaires pour obtenir le mécanisme de réductionde flou d'image décrit dans la publication "Theory, Design and Performance of Low, Blooming Silicon Diode Array Imaging Targets" de B M SINGER et al IEEE Transaction on Electron Devices, volume ED 21, pages 84-89, janvier 1974. La fabrication de la cible de silicium 20 comportant des régions A et B est dé- crite dans la demande de brevet américain N O 387 365, déposée le 1 l juin 1982 par Savoye et al. Dans la structure selon la présente invention, on a découvert que le rendement quantique du dispositif est amélioré en prévoyant deux cou- ches anti-réflexion contiguës 44, 46, qui se combinent de manière à former une région anti-réflexion D sur la région de passivation 40 de la cible 20 La première couche 44, ayant un indice de réfraction approprié, est déposée sur la première surface principale 26 de la cible 20 La seconde couche 46, présen- 15452 ? t tant un indice de réfraction approprié, est disposée sur la première couche 44 Chacune des couchesanti-réflexion 44 et 46 présente une épaisseur opti- que qui est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la lumière incidente sur le dispositif Les couches 44 et 46 diminuent la réflexion de la lumière incidente et augmentent l'absorption de la lumière, pour accrottre la sensibilité et le rendement quantique du dispositif Avec une pastille semi- conductrice constituée de silicium présentant un indice de réfraction d'envi- ron 3 5, on a déterminé que la première couche anti-réflexion 44 devait pré- senter un indice de réfraction ni, situé dans un domaine de 2 3 à 2 4 et que la seconde couche anti-réflexion 46 devait présenter un indice de réfraction n, situé dans un domaine de 1 32 à 1 35. Du sulfure de zinc, qui estnon-interactif avec le silicium et qui possède un indice de réfraction dans le domaine désiré de 2 3 à 2 4 est préférable en tant que matériau pour constituer la première couche 44 Du fluorure de magnésium et du fluorure de sodium et d'aluminium, connus sous le nom de "Cryolite", qui présentent des indices de réfraction situés dans le domaine désiré de 1 32 à 1 35 constituent des matériaux utiles pour réaliser la seconde couche 46 Dufluorure de magnésium et de la cryolite peuvent être déposés à la fois sur la première couche 44, selon un procédé de dép 8 t résis- tif, qui est préféréau procédé de dépôt par évaporation par faisceau électro- nique qui est nécessaire pour certains autres matériaux à faible indice de réfraction Le canon électronique utilisé pour l'évaporation par faisceau élec- tronique crée des rayons X et des-ions qui bombardent la cible de silicium et qui peuvent endommager la structure réticulaire. Lors de la fabrication de la cible 20, la région anti-réflexion D peut être formée en introduisant, en premier lieu, la cible dans un évapora- teur classique (non représenté), pouvant atteindre un vide d'au moins 1 x 105 tori Il est préférable d'utiliser un système sans huile pour éviter toute contamina- tion de la cible L'évaporateur est con,çu de manière à évaporer,, de façon séquentielle, le sulfure de zinc et ensuite le fluorure de magnésium, à partir de sources séparées sur la surface principale 26 de la cible 20 Le sulfure de zinc est déposé sur la surface 26, selon une vitesse de dépôt d'environ 300 A par minute, ce dépôt étant commandé et/ou contrôlé par tout dispositif connu, notamment par le contrôle d'épaisseur "SLOAN" Le sulfure de zinc estdé- posé jusqu'à une épaisseur métrique hi, de l'ordre de 450 A, afin de former 6 t 2542 ? 1 la première couche anti-réflexion 44 Le fluorure de magnésium est ensuite déposé sur la couche de sulfure de zinc préalablement déposée, selon une vi- tesse de dépôt d'environ 300 A par minute, jusqu'à une épaisseur métrique h 2, de l'ordre de 850 A, afin de former la seconde couche anti-réflexion 46 La cible 20 est à température ambiante pendant le dépôt des couches 44 et 46 Les épaisseurs métriques mentionnées ci-dessus, pour chacune des couchesanti- réflexion 44 et 46, assurent une épaisseur optique égale au quart de la longueur d'onde de la lumière incidente sur la cible 20 du dispositif ( 'A/4 = N h) Après la formation des couches 44 et 46, la température du dispositif est limitée de préférence à 125 'C environ, de manière à éviter une augmentation de l'indice de réfraction de la couche 46 qui risquerait d'accroftre la réflexion de la couche 46 et de réduire le rendement quantique du dispositif. La Figure 4 représente une courbe illustrant les caractéristiques optiques de la région anti-réflexion à deux couches décrite ci-dessus La réflec- tivité de la région anti-réflexion D, formée par les couches contigues 44 et 46 est inférieure à 4,75 % dans le domaine de 400 à 800 nanomètres et elle est in- férieure àl,8 % dans la région de 450 à 700 nanomètres. Le rendement quantité d'une cible au silicium classique, pré- sentantune région anti-réflexion, fabriquée par le procédé décrit dans le bre- vet américain N 4228 446 est représenté sur la Figure 5 Le rendement quantique de crête de l'ordre de 93 % se produit à environ 660 nanomètres Le rendement quantique à environ 400 nanomètres est de l'ordre de 50 % etil n'aug- mente que jusqu'à 78 % environ à 500 nanomètres Une cible au silicium 20, réalisée selon le procédé de l'invention et présentant une région antiréflexion à deux couches comprenant des couches contiguës de sulfure de zinc et de fluo- rure de magnésium ou cryolite, présente un rendement quantique de l'ordre de 77 % à 400 nanomètres et d'environ 86 % à 500 nanomètres, comme on peut le voir sur la Figure 6 Le rendement quantique de crête de l'ordre de 98 % dans la cible améliorée 20, se produit à environ 440 nanomètres, ce qui rend la ci- ble au silicium 20 plus sensible que la cible classique dans un domaine de lon- gueur d'onde de 400 à 500 nanomètres On peut voir que, bien que le rendement quantique de crête du dispositif selon l'invention, se situe pour un domaine de longueur d'onde de 400 à 500 nanomètres, le rendement quantique est renforcé sur un domaine de longueur d'onde de 380 nanomètres à 560 nanomètres environ. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée 7 2545271 àl'exemple de réalisation décrit et représenté, mais qu'elleen englobe toutes les variantes En particulier, dans la description qui précède, on s'est référé à une cible vidicon au silicium, cependant la régionanti-réflexion pour amé- liorer le rendement quantique peut aussi être appliquée à des dispositifs de formation d'images à stockage de charges à état solide, tels que des dispositifs CCD et CID. 8 254527 I REVENDICATIONS 1 Dispositif de formation d'images du type qui comprend une pastille de matériau semi-conducteur à cristal unique, la pastille présentant une première surface avec une région de détection d'entrée et une seconde surface avec une région de stockage de charges, une barrière de potentiel dans la région de détection pour contrôler le flou d'image dans la région de détection, une région de passivation dans la région de détection pour stabiliser le niveau d'énergie atomique le long de la première surface et une régionanti-réflexion sur ladite région de passivation pour diminuer la réflexion etaugmenter l'ab- sorption de la lumière incidente sur ledit dispositif, ce dispositif de formation d'images étant caractérisé en ce que ladite région antiréflexion (D) est formée par une première couche ( 44) et une seconde couche ( 46), contiguë à la première, ladite première couche étant constituée d'un matériau présentant un indice de réfraction (nl), inférieur à celui de ladite pastille ( 20) et compris entre 2 3 et 2.4, etétant située plus près de ladite pastille que ladite seconde couche, la- dite seconde couche étant formée d'un matériau présentant un indice de réfrac- tion (n 2), inférieur à celui de la première couche et, en ce que lesdites pre- mière et seconde couches présentent chacune une épaisseur optique (n 1 hi, n 2 h 2) sensiblement égal au quart de la longueur d'onde ( ?t/4) incidente sur ledit dispositif ( 10). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le- dit matériau formant la seconde couche ( 46) présente un indice de réfraction (n 2) compris entre 1 32 et 1 35. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la- dite pastille ( 20) comprend du silicium, en ce que la première couche ( 44) com- prend du sulfure de zinc et en ce que ladite seconde couche ( 46) estconstituée par un matériau choisi dans le groupe qui comprend le fluorure de magnésium et la cryolite. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la- dite région anti-réflexion (D) présente une réflectivité inférieure à 4, 75 % dans un domaine de longueur d'onde de 400 à 800 nanomètres. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la- dite région anti-réflexion (D) possède une réflectivité inférieure à 1,8 %, dans un domaine de longueur d'onde de 450 à 700 nanomètres. 25452 ? 1 6 Procédé de fabrication d'un dispositif de production d'images présentant un rendement quantique amélioré dans un domaine de longueur d'onde compris entre 400 ananomètres et 500 nanomètres, carac- térisé en ce qu'il consiste à: préparer une pastille au silicium ( 20) d'un premier type de conductivité (N), cette pastille comportant une première surface principale ( 26) et une seconde surface principale ( 28); former une pluralité de régions ( 30) d'un secondtype de conductivité (P) dans la seconde surface principale de ladite pastille; implanterun élément dans ladite première surface princi- pale de ladite pastille, afin de formerune région (C 1) de conductivité renforcée du premier type (N+), espacée de ladite première surface, pour contrôler le flou d'image; former une région de faible épaisseur ( 40) d'un secondtype de conductivité (P+), s'étendant dans ladite pastille à partir de ladite première surface, sur une distance (C 2) plus petite que ladite région de conductivité de premier type renforcée; produire une première couche anti-réflexion ( 44) sur ladite première surface de la pastille, en déposant un matériau, présentantun indice de réfraction(nl) compris entre 2 3 et 2 4, sur cette première surface, ladite première couche anti-réflexion présentant une épaisseur optique (n h) sen- I 1 h) siblement égale au quart de la longueur d'onde ( /4) de la lumière incidente produire une seconde couche anti-réflexion ( 46) sur ladite première couche anti-réflexion, en y déposant un matériau présentant un indice de réfraction (n 2) compris entre 1 32 et 1 35, ladite seconde couche anti-réflexion présentant une épaisseur optique (n 2 h 2) sensiblement égale au quart de la longueur d'onde (k/4) de la lumière incidente et, limiter la température de traitement dudit dispositif ( 10) à environ 120 C, afin d'empocher une augmentation de l'indicede réfraction de la seconde couche anti-réflexion.