Brevet FR2549295A1 — publié le 19850118

"Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement " L'invention concerne un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement muni d'un corps semiconducteur comportant au moins une diode sensible au rayonnement, qui présente au moins une jonction p-n entre une première région semiconductrice d'un premier type 05 de conduction et une zone semiconductrice d'un second type de conduction opposé au premier type de conduction, présentant une épaisseur et une concentration en impuretés telles qu'à l'état de fonctionnement, la zone en forme de couche est appauvrie sur pratiquement toute son épaisseur et sa superficie. Des dispositifs semiconducteurs sensibles au rayonnement du genre mentionné ci-dessus sont utilisés entre autres pour convertir de façon directe du rayonnement électromagnétique, notamment de la lumière visible et du rayonnement infrarouge, en un courant ou tension électrique De telles photodiodes sont appliquées par exem15 ple aux techniques de communication électro-optiques De plus, de tels dispositifs semiconducteurs sont utilisés dans des appareils médicaux comme un explorateur à rayons X, qui est muni d'un scintillateur en iodure de césium par exemple qui convertit le rayonnement X en rayonnement auquel est notamment sensible la photodiode De plus, de tels dispositifs sont utilisés pour détecter du rayonnement de particules, comme par exemple du rayonnement électronique. Un problème qui se pose dans de tels détecteurs de rayonnement consiste assez souvent dans la grande capacité de ladite jonction p-n Une telle grande capacité affecte le comportement hau25 tefréquence d'un tel détecteur de rayonnement et de plus, elle provoque un mauvais rapport signal-bruit, notamment dans le cas d'un signal faible (c'est-à-dire une faible intensité de rayonnement). D'une façon générale, cette capacité est déterminée entre autre par la grandeur de la surface d'une région de diffusion (le 30 plus souvent une région de diffusion de type p dans un corps semiconducteur de type n) Toutefois, la surface en question est de préférence choisie aussi grande que possible pour obtenir une sensibi- -2 lité au rayonnement aussi élevée que possible du détecteur et, de ce fait, un photocourant aussi grande que possible pour obtenir une sensibilité au rayonnement aussi élevé que possible du détecteur et, de ce fait, un photocourant aussi intense que possible Afin de com05 penser partiellement la capacité élevée qui l'accompagne, on peut réduire la surface de la région de diffusion quelque peu en donnant à cette région une structure digitale par exemple. Un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est connu du Kokai japonais N 53-136987. La capacité de la jonction p-n sensible au rayonnement montrée est notablement réduite du fait qu'à l'état de fonctionnement, la zone semiconductrice en forme de couche du deuxième type de conduction est complètement appauvrie. Dans un tel dispositif peuvent se produire des problèmes, 15 notamment lorsque les contacts de connexion aussi bien pour la région du premier type de conduction que pour celle du second type de conduction se trouvent du côté de rayonnement incident En effet, les métallisations de contact, donc également celles de la zone en forme de couche, sont de préférence, réduites autant que possible 20 afin d'obtenir une surface efficace aussi grande que possible du détecteur de rayonnement Les porteurs de charge minoritaires engendrés par rayonnement dans la zone en forme de couche appauvrie doivent atteindre par diffusion le contact de connexion, ce qui affecte la vitesse du dispositif semiconducteur sensible au rayonnement. Notamment dans le cas d'applications médicales, il importe que cette vitesse soit suffisamment élevée du fait que cette vitesse détermine également la durée d'exposition dans le cas d'une radiographie et, de ce fait, la dose de rayonnement à laquelle est exposé le malade. L'invention vise à fournir un dispositif qui élimine en 30 majeure partie ce désavantage. Elle est basée sur l'idée que ce but peut être atteint en donnant une géométrie spéciale à la zone de couche. Un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est caractérisé en ce que, vue en plan, la zone semicon35 ductrice en forme de couche présente plusieurs zones partielles dont la largeur diminue, vues à partir d'un point de connexion commun La 2549295-3 zone semiconductrice en forme de couche présente de préférence une partie centrale à partir de laquelle s'étendent les zones partielles comme des parties saillantes. Ainsi, lorsque la jonction p-n entre la zone en forme de 05 couche et la première région semiconductrice est polarisée dans le sens de blocage il se produit des variations de la chute de potentiel dans les parties saillantes telles qu'il en résulte un champ électrique assurant l'accélération des porteurs de charge minoritaires dans la direction de la partie centrale o ils sont évacués. 10 Cette disposition permet d'accélérer notablement le transport des porteurs de charge minoritaires et d'obtenir plus rapidement un signal fiable Dans le cas d'applications pour des radiophotographies, la durée de prise de vues donc la dose de rayonnement est ainsi réduite. L'effet du champ électrique accélérant peut s'obtenir d'une toute autre façon, notamment par une réduction successive de l'épaisseur par la zone en forme de couche. Un autre dispositif semiconducteur conforme à l'invention est caractérisé en ce que vue dans la direction à partir d'une ré20 gion de connexion, l'épaisseur de la zone semiconductrice en forme de couche diminue. Etant donné l'appauvrissement pratiquement complet des parties saillantes, il se produit l'avantage d'une réduction notable de la capacité de la jonction p-n Ainsi, un tel dispositif semicon25 ducteur présente un rapport signal-bruit favorable. Vue en plan, la zone en forme de couche est de préférence en forme d'étoile, les parties saillantes constituant les pointes d'une étoile à six ou à huit pointes Dans le cas d'application pour la tomographie à rayons X à ordinateur, une seule diode présente en 30 général une matrice de telles sousdiodes. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente schématiquement une vue en plan 35 d'une diode sensible au rayonnement conforme à l'invention. La figure 2 montre une section transversale schématique -4 suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 montre une variante du dispositif selon la figure 2. La figure 4 représente schématiquement une image des va05 riations de potentiel et des champ électriques correspondants dans une partie d'une diode selon les figures 1, 2. La figure 5 montre une partie d'un dispositif semiconducteur conforme à l'invention comportant plusieurs diodes, alors que La figure 6 montre une section transversale suivant la 10 ligne VI-VI sur la figure 5 et La figure 7 montre une vue en plan schématique d'une partie d'une plaque dans laquelle est réalisé le dispositif selon les figures 5, 6. Les figures sont représentées schématiquement et non à 15 échelle et pour la clarté du dessin, notamment dans les sections transversales, les dimensions dans les directions de l'épaisseur sont fortement exagérées Des zones semiconductrices du meme type de conduction sont en général hachurées dans la même direction; sur les figures, les parties correspondantes sont en général indiquées par 20 les mêmes chiffres de référence. Le dispositif 1 des figures 1, 2 comporte un corps semiconducteur 2 qui, dans cet exemple, comporte une région superficielle de type N 4 présentant une résistance par carré de 10 ohm cm, ce qui correspond à une concentration en donneurs d'environ 5 1014 25 atomes/cm 3 A la surface 3 du corps semiconducteur se trouve une zone superficielle en forme de couche 5, 6 du type p, qui constitue une jonction pn 7 avec la région de type N 4 Le dopage moyen de la zone semiconductrice 5 ou 6 est de 2 1014 1015 atomes accepteurs/cm 3, alors que l'épaisseur est d'environ 1 micromètre Cela implique que la zone 5, 6 est complètement appauvrie dans le sens de blocage dans le cas d'une faible tension dans la jonction pn 7. Conformément à l'invention, vu en plan, la zone semiconductrice 5, 6 (voir la figure 1) comporte plusieurs parties saillantes 6, qui diminuent en largeur, vues à partir du centre vers l'ex35 tèrieur, par exemple de 5 micromètres à 2 micromètres sur une distance de 50 micromètres Dans le présent cas, ce but est atteint du -5 fait qu'on a donné à ladite zone la forme d'une étoile à six pointes Dans la partie centrale 5 est appliquée une zone p+ 8 pour assurer le contact de la zone 5, 6 Pour le contact de la région superficielle de type N 4, la zone p+ en forme d'étoile est entou05 rée, dans le présent exemple, d'une diffusion de contact n+ 9 La surface 3 est recouverte d'une couche isolante 10, dans laquelle sont ménagés des trous de contact 11, 12, par l'intermédiaire desquels les zones p+ 8 et la diffusion de contact n+ 9 sont mises en contact avec les configurations de métallisation métallisation 10 13, 14 respectivement. Du fait qu'à l'état de fonctionnement, la zone de type p 5, 6 est appauvrie sur pratiquement toute son épaisseur et sa superficie, la capacité d'appauvrissement correspondante est pratiquement négligeable, ce qui confère un très avantageux rapport signal-bruit 15 au dispositif selon les figures 1 et 2. La zone semiconductrice 5, 6 peut être appliquée par implantation d'ions et ne se situe pas nécessairement à la surface comme le représente le dispositif selon la figure 3, qui, du reste, est identique à celui selon la figure 2, abstraction faite de la 20 couche superficielle 15 qui est du type n+ Une telle couche superficielle à dopage élevé engendre un champ électrique de façon à accélerer des porteurs de charge minoritaires (dans ce cas des trous) vers la région sous-jacente de type N 4 Comme il est connu, le risque de recombinaison superficielle est ainsi réduit, ce qui 25 augmente la sensibilité du dispositif semiconducteur sensible au rayonnement. Comme il a été mentionné ci-dessus, les parties saillantes 6 sont pratiquement appauvries à l'état de fonctionnement Bien que cela s'obtienne déjà avec un dopage approprié à O V, cela s'obtient 30 en général par polarisation de la jonction p-n 7 dans le sens du blocage La figure 4 représente schématiquement une telle partie 6 avec la zone d'appauvrissement correspondante 16 Les variations de potentiel provoquées par la tension de blocage dans la jonction p-n 7 sont représentées à plusieurs endroits à l'aide des lignes mixtes 35 17 Avec la largeur des parties 6, qui diminue à partir des extrémités vers le centre, la chute de tension correspondante dans la jonc- -6 tion p-n 7 augmente de plus en plus, ce qui provoque un champ électrique, indiqué schématiquement sur la figure 4 à l'aide de la flèche 18 Ce champ exerce un effet accélérateur sur les électrons atteignant la partie 6 dans la direction de la partie centrale 5. I Lorsqu'ils atteignent la zone d'appauvrissement correspondant à la jonction p-n 7, les électrons engendrés dans la région de type N 4 sont accélérés par la tension de blocage dans cette jonction p-n vers l'une des parties saillantes 6 ou vers la partie centrale 5 Si ces électrons atteignent l'une des parties saillantes 6, 10 il sont accélérés par la forme spéciale de ces parties 6 vers la partie centrale 5 Ainsi, les électrons engendrés par suite de rayonnement sont évacués de façon rapide efficace vers la métallisation de contact 13. Les figures 5 et 6 montrent une partie d'un dispositif 15 semiconducteur conforme à l'invention convenant à un explorateur à rayons X Dans cet exemple, les rayons X enregistrés sont convertis, à l'aide d'un scintillateur 19 en iodure de césium par exemple, en rayons auxquels est particulièrement sensible le dispositif 1 Se dispositif 1 comporte plusieurs diodes, qui sont composées à leur 20 tour de plusieurs sousdiodes 20 qui, d'une façon générale, présentent une géométrie en forme d'étoile, d'une façon analogue à celle décrite ci-dessus à l'aide des figures 1 à 3 Pour l'évacuation du signal commun des sousdiodes 20 d'une seule diode, le dispositif comporte une configuration de métallisation 21, présentant entre antres une languette de connexion 22 Chacune des diodes est entourée d'une région de type p 23 qui sera décrite ci-dessous en détail. Ia tension de blocage dans la jonction p-n 7 de sousdiodes 20 est appliquée entre les régions de type p 5, 6, 8, dont les contacts sont pris par l'intermédiaire du trou de contact 11 à l'aide de la 30 configuration de métallisation 21 et d'un contact 24 prévu à la face inférieure du dispositif Pour un bon contact, une zone de contact de type p à dopage élevé 25 se trouve entre ce contact 24 et la couche de type N 4. La languette de connexion 26 qui assure le contact avec 35 les régions de type p 23 par l'intermédiaire de la configuration de métallisation 27 et du tru de contact 28, permet de polariser la -7 jonction p-n 29 entre cette région de type p 23 et la région de type n 4 également dans le sens de blocage, notamment de façon que la région d'appauvrissement correspondante soit tangente aux régions d'appauvrissement de la jonction p-n voisine 7 des sousdiodes 20. 05 Ainsi, les effets marginaux sont évités comme il a été décrit en détail dans la demande de brevet français N 2 486 309. En réalité, il suffirait d'utiliser une seule languette de connexion 26 pour toutes les diodes dans un tel dispositif, qui comporte par exemple 24 diodes, du fait que la région p+ ayant ses contacts pris à l'aide de la configuration de métallisation 26, 27 entoure toutes les diodes Toutefois, en donnant à chacune des diodes une connexion séparée 26, on peut atteindre un rendement augment 6 pendant la réalisation, ce qui sera décrit en détail à l'aide de la figure 7. La figure 7 montre une vue en plan d'une partie d'une plaque présentant par exemple 72 diodes disposées entre deux pistes de rayure 30 du type n, comme il a été décrit à l'aide des figures 5 et 6 Si, pour l'application à un appareil à rayons X, il faut des dispositifs comportant des rangées de 24 diodes, il suffirait de munir 20 par exemple la première diode, la vingt-cinquième diode et la quarante-neuvième diode d'un trou de contact 28 et d'une métallisation de contact 26, 27 Ainsi, les régions entourantes 33 des diodes 1 à 24 respectivement 25 à 48 et 49 à 72 pourraient être connectées, avec les susdits avantages en ce qui concerne l'élimination des ef25 fets marginaux. En pratique, il peut se produire des diodes moins efficaces, voire défectueuses pendant la réalisation Or, en munissant chacune des diodes d'une telle métallisation de contact 26, 27, on pourrait obtenir un ou plusieurs dispositifs dans une rangée de dio30 des défectueuses ou fonctionnant mal pourvu que, dans une rangée, vingt-quatre diodes fonctionnant convenablement se présentent les unes à c 8 té des autres. C'est ainsi que lorsque dans une rangée, la troisième diode (chiffre de référence 31 sur la figure 7) est défectueuse, alors 35 que la quatrième jusqu'à la vingt-septième diode ne sont pas défec- -8 tueuses, on peut obtenir au moins un dispositif fonctionnant convenablement à l'aide des rayures 36 et 37 appliquées entre la troisième diode 31 et la quatrième diode 32 respectivement la vingt- septiéme diode 33 et la vingt-huitième diode 34 Parmi les quarante-cinq 05 diodes situées à droite de la rayure 37 peuvent se produire également quelques diodes défectueuses par exemple la vingt-neuvième diode (chiffre de référence 35) ou plusieurs diodes après la cinquantedeuxième diode Ainsi, on obtient deux dispositifs impeccables, alors que dans le cas d'une seule métallisation de contact 26, 27, on n'obtiendrait pas de dispositifs convenables ou au maximum un seul dispositif par vingt-quatre diodes Ia possibilité d'obtenir un plus grand nombre de dispositifs convenables par rangée peut être augmentée quelque peu lorsque le nombre de diodes pa rangée est choisi plus élevé que 3 x 24, par exemple quatre- vingt, d'autant plus que de 15 telles diodes fonctionnant mal se trouvent en général au bord du cristal. Evidemment, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais de nombreuses variantes sont possibles pour le spécialiste sans sortir du cadre de la présente invention C'est 20 ainsi que les genres de conductivité de toutes les régions et zones semiconductrices peuvent être inversés (simultanément) De plus, il est possible de choisir des épaisseurs et dopages différents pour les zones 5, 6 et de plus, la forme des parties saillantes 6 peut être différente C'est ainsi que les zones partielles 6 sur les fi25 gures 1 à 3 peuvent s'étendre également à partir de plusieurs zones de contact qui se trouvent par exemple aux angles du carré 40 d'une façon analogue à celle o plusieurs sous-diodes 20 se trouvent sur la figure 5 aux angles de l'ensemble de sous-diodes. De plus, au lieu de la largeur, l'épaisseur des zones 30 semiconductrices 6 peut diminuer régulièrement, ce qui aboutit au même effet, notamment un champ électrique accélérateur dans cette zone Une telle zone semiconductrice n'est pas nécessairement subdivisée en zones partielles et peut occuper pratiquement toute la surface du carré 40 sur la figure 1 Une telle zone présentant une épaisseur décroissante peut s'obtenir par exemple par implantation d'ions à l'aide d'un masque d'épaisseur croissante. -9 REVENDICATIONS: 1 Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement muni d'un corps semiconducteur comportant au moins une diode sensible au rayonnement qui présente au moins une jonction p-n ( 7) entre une première région ( 4) semiconductrice d'un premier type de conduction et une zone semiconductrice ( 5,6) d'un second type de conduction opposé au premier type de conduction, présentant une épaisseur et une concentration en impuretés telles qu'à l'état de fonctionnement, la zone ( 5,6) en forme de couche est appauvrie sur pratiquement tou10 te son épaisseur et sa superficie, caractérisé en ce que vue en plan, la zone ( 5,6) semiconductrice en forme de couche présente plusieurs zones ( 6) partielles dont la largeur diminue, vues à partir d'un point de connexion commun ( 13). 2 Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement muni d'un corps semiconducteur comportant au moins une diode sensible au rayonnement qui présente au moins une jonction p-n ( 7) entre une première région ( 4) semiconductrice d'un premier type de conduction et une zone semiconductrice ( 5,6) d'un second type de conduction opposé au premier type de conduction, présentant une épaisseur et une concentration en impuretés telles qu'à l'état de fonctionnement, la zone ( 5,6) en forme de couche est appauvrie sur pratiquement toute son épaisseur et sa superficie, caractérisé en ce que la zone semiconductrice ( 5,6) en forme de couche comporte au moins une zone partielle ( 6) qui diminue en épaisseur vue dans la direction à par25 tir d'une région de connexion ( 13) pour la zone en forme de couche. 3 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone semiconductrice ( 5,6) en forme de couche présente une partie centrale ( 5) à partir de laquelle s'étendent les zones partielles ( 6) comme des parties saillantes. 4 Dispositif semiconducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'à l'endroit de la partie centrale ( 5), le dispositif présente une région semiconductrice ( 8) du deuxième type de conduction, qui est plus fortement dopée que la zone semiconductrice en forme de couche. 5 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que la longueur d'une zone partielle ( 6) est égale à au moins 5 et au maximum 25 fois sa largeur maximale. -10 6 Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 ou 3 à 5, caractérisé en ce que vue en plan, la zone semiconductrice ( 5,6) en forme de couche est pratiquement en forme d'étoile. 7 Dispositif semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une diode sensible au rayonnement comporte plusieurs jonctions pn ( 7) qui sont munies de métallisations de contact communes ( 21,22) et qui constituent ensemble la diode sensible à rayonnement. 8 Dispositif semiconducteur selon la revendication 7, carac10 térisé en ce qu'il comporte plusieurs diodes sensibles au rayonnement et chacune des diodes sensibles au rayonnement est entourée d'une région ( 23) du second type de conduction. 9 Dispositif semiconducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la région ( 23) entourante du second type de conduc15 tion de chaque diode sensible au rayonnement est munie d'une connexion de contact séparée ( 27).