Brevet FR2618256A1 — publié le 19890120

DISPOSITIF RECEPTEUR DE LUMIERE A SEMICONDUCTEUR La présente invention concerne un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur, et plus particuliè- rement un dispositif qui est capable d'obtenir une infor- mation vidéo bidimensionnelle, comprenant un ensemble d'éléments récepteurs de lumière ayant des jonctions pn, organisés en un réseau sur un substrat semiconducteur. La figure 8 montre une coupe d'un détecteur de lumière à semiconducteur de l'art antérieur, représenté par exemple dans la publication de demande de brevet du Japon 61-141175. Sur la figure 8, la référence 1 désigne une région de type N et cette région est formée par croissance épitaxiale sur une région 2 de type N-, à résistance élevée, qui a une résistivité de 10 0cm. La référence 3 désigne une région P+, et la formation de cette région P+ produit une section de jonction pn 4 qui devient une surface réceptrice de lumière. La référence 5 désigne une région de semiconducteur polycristallin qui est formée de façon à séparer les sections de jonction pn 4 respectives. La référence 6 désigne une couche de pro- tection et la référence 7 désigne une électrode de surfa- ce arrière. En outre, une électrode ohmique qui doit être formée sur la région P+ 3 n'est pas représentée du fait qu'elle est très bien connue. Avant de décrire le détecteur de lumière à semi- conducteur ayant la structure décrite ci-dessus, on expo- sera les problèmes qui apparaissent dans un détecteur de lumière à semiconducteur comprenant un ensemble d'éléments récepteurs de lumière organisés en un réseau. La figure 9 montre une coupe d'un tel détecteur de lumière à semiconducteur. Sur la figure 9, la référence 11 désigne un substrat semiconducteur de type P, la réfé- rence 13 désigne une couche dopée avec des impuretés de type N, la référence 14 désigne une section de jonction pn constituant un élément récepteur de lumière, la référence 16 désigne une couche de protection, la référence 17 dési- gne une électrode de surface arrière, la référence 20 désigne un porteur produit par la lumière incidente et les références 21 et 22 désignent les directions de déplace- ment du porteur 20. Tout d'abord, parmi. les photons qui tombent sur le substrat semiconducteur de type P 11 ou sur la couche 13 dopée avec des impuretés de type N, ceux ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite produi- sent des porteurs. Les porteurs produits sont entraînés par le champ électrique dans la couche de déplétion au voisinage de la section de jonction pn 14, et ils sont ainsi séparés pour produire une différence de potentiel. Il apparaît alors un problème de diaphonie qui consiste en ce que la lumière qui tombe entre des photodiodes adjacen- tes provoque des perturbations mutuelles entre les élé- ments. Cette diaphonie est produite par le fait qu'il apparait des paires électron-trou positif dans une partie profonde du substrat semiconducteur de type P 11 sous l'effet de la réception d'une lumière ayant un faible coefficient d'absorption. Par exemple, les porteurs 20 qui sont produits par la lumière incidente se déplacent non seulement dans la direction 21, mais également dans la direction 22, pour atteindre l'élément d'image adjacent. Une telle diaphonie rend floue la frontière entre posi- tions dans un capteur de position, et elle empêche de fai- re nettement la distinction entre deux pics de signal adjacents dans un capteur d'analyse. Pour faire face à ces problèmes, le détecteur de lumière à semiconducteur de l'art antérieur comporte une région de semiconducteur polycristallin 5 entre les sec- tions de jonction pn 4, c'est-à-dire entre les éléments d'image, pour séparer ainsi les éléments d'image respec- tifs et, en outre, pour éliminer la diaphonie produite par des porteurs dans des parties profondes,.la région 2 de type N -' résistance élevée, ayant une résistivité de 10 0cm, est formée comme le montre la figure 8. La durée de vie des porteurs dans cette région N 2 est très cour- te, ce qui fait que tous les porteurs disparaissent avant d'atteindre la région de type N, 1. Dans le détecteur de lumière à semiconducteur construit de cette manière, la structure est très complexe comme le montre la figure 8, et le processus de fabrica- tion devient donc complexe. En outre, une restriction est imposée à l'intervalle entre les éléments d'image, du fait qu'il existe une région de séparation, et la taille du dispositif augmente inévitablement. En outre, il est impossible de réduire la région située entre les éléments d'image, qui est insensible à la lumière incidente, et il apparait ainsi une restriction dans le fonctionnement lors de l'utilisation en capteur d'analyse. Un but de l'invention est de procurer un dispo- sitif récepteur de lumière à semiconducteur perfectionné, capable d'éviter la diaphonie par une structure très sim- ple, capable d'améliorer la possibilité d'élimination de la région insensible, et capable d'avoir une taille réduite. Conformément à l'invention, un champ magnétique ayant une composante dans la direction perpendiculaire à la surface du substrat semiconducteur est appliqué à une section réceptrice de lumière qui est obtenue en disposant un ensemble d'éléments récepteurs de lumière en un réseau sur le substrat semiconducteur, grâce à quoi le champ magnétique précité restreint le mouvement de porteurs. On évite ainsi l'apparition de phénomènes de diaphonie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, don- nés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 et 2 représentent respectivement une coupe d'une partie principale et une coupe de l'inté- gralité d'un détecteur de rayons infrarouges, constituant un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 3 est une coupe montrant la section réceptrice de lumière du mode de réalisation considéré, dans le but d'exemplifier le principe selon lequel les mou- ments de porteurs sont restreints par le champ magnétique; La figure 4 est une vue en plan montrant un dis- positif récepteur de lumière à semiconducteur qui consti- tue un second mode de réalisation de l'invention; La figure 5 est une vue en plan montrant un dis- positif récepteur de lumière à semiconducteur qui consti- tue un troisième mode de réalisation de l'invention; La figure 6 est une vue de c8té montrant un dis- positif récepteur de lumière à semiconducteur qui consti- tue un quatrième mode de réalisation de l'inventioh; La figure 7 est une vue de c8té montrant un substrat d'une section réceptrice de lumière d'un disposi- tif récepteur de lumière à semiconducteur constituant le cinquième mode de réalisation de l'invention; et Les figures 8 et 9 sont des vues de c8té et en coupe montrant un dispositif récepteur de lumière à semi- conducteur de l'art antérieur. On se référera plus particulièrement aux figures 1 et 2 pour expliquer l'invention. Sur la figure 1, la référence 45 désigne un détecteur de rayons infrarouges comprenant une section réceptrice de lumière 34 qui est destinée à convertir le signal lumineux d'entrée-en un signal électrique, et une- section d'extraction de signal 40, permettant de préle- ver un signal électrique obtenu dans la section réceptrice de lumière 34. Dans la section réceptrice de lumière 34, la référence 31 désigne un substrat semiconducteur de type P consistant en HgCdTe, et cette matière HgCdTe a une ban- de d'énergie interdite d'environ 0,12 eV, et elle est capable de détecter essentiellement des rayons infrarouges d'une longueur d'onde de 10 pm. La référence 32 désigne un ensemble de couches de semiconducteur de type N for- mées en un réseau sur le substrat semiconducteur 31, par des dopages au moyen d'impuretés. La référence 33 désigne une section de jonction pn qui constitue un élément récep- teur de lumière. En outre, dans la section d'extraction de signal , la référence 35 désigne un substrat en silicium, les références 36, 37 et 38 désignent une source, un drain et une grille constituant conjointement une porte de trans- fert, et la référence 39 désigne un dispositif à couplage de charge (DCC). Cette porte de transfert et le DCC sont formés ici sur un substrat de silicium 35, du fait qu'il est difficile de les fabriquer dans une matière du type HgCdTe, pour laquelle on n'a pas encore développé suffi- samment une technique de fabrication. De plus, la référence 41 désigne une électrode rapportée destinée à connecter l'élément récepteur de lumière de la section réceptrice de lumière 34, et la porte de transfert de la section d'extraction de signal 40. En outre, sur la figure 2, la référence 42 dési- gne un refroidisseur et on utilise celui-ci pour refroidir à environ 1960C la matière HgCdTe du substrat 31, pour que cette matière se comporte comme un semiconducteur, alors qu'elle présente presque la même nature qu'un métal à la température normale, du fait qu'elle a une faible largeur de bande interdite. La référence 43désigne une bobine destinée à appliquer un champ magnétique 25. On peut régler l'inten- sité du champ magnétique. La référence 26 désigne des rayons infrarouges. Dans l'invention, on vise à restreindre les mouvements de porteurs en appliquant un champ magnétique à la section réceptrice de lumière, dans une direction perpendiculaire à la section réceptrice de lumière. On se référera à la figure 3 pour décrire le principe de la restriction des mouvements de porteurs. Tout d'abord, en supposant que l'énergie ciné- tique soit fournie par l'énergie calorifique, l'énergie cinétique d'un porteur dans le substrat semiconducteur de type P, 31, est donnée par l'expression suivante: 3 1 k T = m* v (1) 2 2 dans laquelle: k est la constante de Boltzmann T est la température absolue m* est la masse effective d'un porteur v est la vitesse On peut représenter la vitesse d'un porteur par l'.expres- sion suivante, déduite de l'expression (1): 3kT v = (2) Vm Le porteur consistant en un électron qui se trouve dans le champ magnétique safisfait l'équation cinétique suivante: d v e e.- = - (v X B) (3) dt m en désignant par B l'induction magnétique. En supposant maintenant que la direction perpen- diculaire au substrat semiconducteur de type P, 31, soit l'axe z, et que la direction de l'induction magnétique B coîncide également avec la direction positive de l'axe z, on a les relations suivantes: d2 x e d y B Z --= -- BZ dt 2 m dt d2 y e d x =- - B z (4) d t 2 m dt d2 z =0 d t2 Autrement dit, les porteurs ne sont pas accélé- rés dans la direction de l'axe z, et il n'y a des accélé- rations que dans la direction de l'axe x et dans la direc- tion de l'axe y. Lorsqu'on donne aux accélérations des porteurs des valeurs telles que dx/dt = v, dy/dt = 0, les orbites des porteurs deviennent: mv 2 mv x2+ LY J 2= F m 1 e B zL e Bz c'est-à-dire un cercle de rayon r = mv/eBz. Lorsqu'on remplace v par l'expression (2) dans l'expression du rayon r, on obtient la relation suivante: 3K T m* r = e B z De cette manière, lorsqu'un champ magnétique est appliqué dans une direction perpendiculaire à la sec- tion réceptrice de lumière, les porteurs prennent un mou- vement circulaire, et ceci permet de restreindre les mou- vements de ces porteurs. On va maintenant appliquer l'expression (6) à un exemple concret. Par exemple, lorsqu'on donne une valeur de 25 x 25 m à l'aire de la couche de semiconducteur de type N 32 dans la surface 31 du substrat semiconducteur de type P de la figure 3, et lorsqu'on donne une valeur de pm à l'intervalle entre la couche de semiconducteur de type N 32 respective, on constate que le phénomène de dia- phonie se produit aisément du fait que la longueur de dif- fusion de porteurs minoritaires dans le substrat semicon- ducteur de type P, 31, est d'environ 50 pm. Cependant, lorsqu'on applique un champ magnétique 25 de 0,1 T, la masse effective m* du porteur devient -31 0,01 x 9,1 x 10-1 kg, et lorsque le fonctionnement a lieu à une température de 77 K, l'équation (6) devient: _3 x 1,38 x o10-23 x 77 x 0, 01 x 9,1 x 10o31 r =-19 1,6 x 10 x 0,1 = 3,36 x 107 m et le rayon du mouvement circulaire devient 0,336,um. Lorsqu'on applique ici un champ magnétique 25 à la section réceptrice de lumière 34, ce champ magnéti- que peut avoir une influence défavorable sur le DCC 39 de la section d'extraction de signal 40, mais on peut régler l'intensité du champ magnétique 25 à une valeur établie sur la base des constantes physiques des matières du substrat de la section réceptrice de lumière 31 et du substrat de DCC 35, c'est-à-dire la masse effective des porteurs, la mobilité, etc, de façon à obtenir des effets désirés dans la section réceptrice de lumière 34, sans influence défavorable sur le substrat de DCC 25. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, les mouvements des porteurs sont restreints par le champ 9' magnétique 25 qui est appliqué à la bobine 43, ce qui empêche l'apparition de phénomènes de diaphonie. En outre, des porteurs qui sont créés entre des éléments adjacents peuvent atteindre-les sections de jonction pn de l'un ou l'autre de ces éléments, ce qui élimine la région insensible et améliore les caractéristiques. En outre, du fait qu'il n'y a pas de région de séparation, on peut simplifier la structure et réduire la taille du disposi- tif. De plus, du faitque l'intensité du champ magné- tique créé par la bobine 43 est réglable, on peut sélec- tionner le détecteur en fonction de son utilisation. On peut par exemple obtenir un dispositif dans lequel la dia- phonie est complètement éliminée mais dans lequel il reste de petites régions insensibles, ou un dispositif dans lequel les régions insensibles sont complètement éliminées mais dans lequel il reste un peu de diaphonie. En outre, dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, le refroidisseur 42 peut être logé à l'inté- rieur de la bobine 43, ce qui donne un faible encombrement pour le dispositif complet. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on utilise la matière HgCdTe pour le substrat semiconducteur de type P, 31, pour détecter des rayons infrarouges, mais si on peut utiliser pour la matière du substrat une matiè- re ayant une bande d'énergie interdite correspondant à la longueur d'onde de la lumière à détecter, et qui est dif- férente de la matière de substrat de la section d'extrac- tion de signal, on peut obtenir un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur capable de détecter diverses lumières avec des effets identiques à ceux décrits ci-dessus. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la section d'extraction de signal 40 est d'un type DCC, com- portant des portes de transfert et des DCC 39, mais cette section peut également être du type à élémentsde commuta- tion MOS, comportant seulement des portes de transfert. La figure 4 montre un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur qui constitue un second mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 4, la référence désigne un substrat de la section réceptrice de lumiè- re, la référence 51 désigne une porte de transfert qui est formée au niveau de l'élément récepteur de lumière 54 respectif, la référence 52 désigne une porte de transfert qui est formée à l'extérieur du substrat 50, dans chaque colonne d'éléments récepteurs de lumière 54 respectifs, et la référence 53 désigne un amplificateur. On forme ce second mode de réalisation en éta- blissant sur le même substrat que la section réceptrice de lumière une section d'extraction de signal du type à élé- mentsde commutation MOS, qui ne comprend que des portes de transfert, et l'extraction des signaux électriques des éléments récepteurs de lumière respectifs s'effectue en utilisant seulement les portes de transfert 51 et 52, sans utiliser des dispositifs DCC. Dans ce second mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, il est possible d'appliquer un champ magnétique dans la direction perpendiculaire au substrat 50, pour empêcher ainsi l'apparition de phénomènes de diaphonie, et pour réduire la taille du dispositif et améliorer ses caractéristiques. En outre, ce second mode de réalisation ne com- porte pas de dispositifs DCC, et il est possible d'appli- quer le champ magnétique sans restriction due à une influence défavorable sur les dispositifs DCC. De plus, un seul substrat est nécessaire et on peut miniaturiser le dispositif. La figure 5 montre un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur qui constitue un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 5, la réfé- rence 64 désigne une porte de transfert, la référence 65 désigne un dispositif DCC, la référence 66 désigne un amplificateur et la référence 70 désigne un élément récepteur de lumière. On forme ce troisième mode de réa- lisation en établissant une section d'extraction de signal du type à DCC, comportant des portes de transfert et des DCC, sur le même substrat que la section réceptrice de lumière, et l'extraction de signaux électriques des éléments récepteurs de lumière s'effectue par la porte de transfert 64 et le DCC 65. Dans ce troisième mode de réalisation, comme dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, on évite l'apparition de phénomènes de diaphonie en appliquant un champ magnétique dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat, et il est possible de réduire la taille du dispositif et d'améliorer ses caractéristiques. La figure 6 montre un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur qui constitue un quatrième mode de réalisation de l'invention, dans lequel on utilise un aimant permanent 61 en tant que moyen d'application d'un champ magnétique 25 au dispositif récepteur de lumière à semiconducteur 60. L'aimant permanent peut ici être placé d'un seul c8té du dispositif récepteur de lumière à semi- conducteur, c'est-à-dire du c8té de la surface supérieure ou de la surface inférieure. La figure 7 montre un dispositif récepteur de lumière à semiconducteur qui constitue un cinquième mode de réalisation de l'invention. Ce cinquième mode de réali- sation est formé d'une manière telle qu'un champ magnéti- que 25 soit appliqué au substrat semiconducteur 62 de la section réceptrice de lumière dans une direction oblique par rapport à la surface du substrat. Dans ce mode de réa- lisation, bien que les mouvements des porteurs dans la direction transversale augmentent dans une certaine mesu- re, par le fait que la composante perpendiculaire du champ magnétique est diminuée, comme l'indique une flèche 23, lea porteurs se déplacent également dans la direc- tion longitudinale, et la probabilité que des porteurs atteignent la section de jonction pn à la surface du substrat 62 est accrue. Conformément à l'invention, comme il résulte de façon évidente de la description qui précède, on applique un champ magnétique ayant une composante dans une direc- tion perpendiculaire à la surface de substrat semiconduc- teur, à la section réceptrice de lumière qui est consti- tuée par la combinaison d'un ensemble d'éléments récep- teurs de lumière en un réseau sur un substrat semiconduc- teur. Ainsi, on peut éviter des phénomènes de diaphonie dans une structure simple, les régions de séparation sont éléminées, ce qui réduit la taille du dispositif, et les régions insensibles sont éliminées, ce qui améliore les caractéristiques du dispositif. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur (45), caractérisé en ce qu'il comprend: une section réceptrice de lumière (34), obtenue en formant en un réseau sur un substrat semiconducteur (31) un ensemble d'éléments récepteurs de lumière (33) comportant des jonctions pn; une section d'extraction de signal (40) destinée à extraire un signal électrique obtenu dans la section réceptrice de lumière (34); et des moyens (43) destinés à appliquer à la section réceptrice de lumière (34) un champ magnétique ayant une composante dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat semi- conducteur (31). 2. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'application de champ magnétique comprennent un électro-aimant (43), et l'intensité du champ magnétique qu'il produit est réglable. 3. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'application de champ magnétique appliquent un champ magnétique (25) dans une direction oblique par rapport à la surface du substrat semiconducteur (62). 4. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'application de champ magnétique appliquent un champ magnétique (25) dans une direction oblique par rapport à la surface du substrat semiconducteur (62). 5. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section réceptrice de lumière (34) et la section d'extrac- tion de signal (40) sont respectivement formées sur des substrats semiconducteurs différents (31, 35) qui consis- tent en matières différentes. 6. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce dispositif (45) est un détecteur de rayons infrarouges, et le substrat semiconducteur (31) de la section réceptrice de lumière (34) consiste en HgCdTe, tandis que le substrat semiconducteur (35) de la section d'extraction de signal (40) consiste en silicium. 7. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'application de champ magnétique comprennent un électro-aimant (43), et un refroidisseur (42) destiné à refroidir la section réceptrice de lumière (34) est placé à l'intérieur de la bobine de cet électro-aimant. 8. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 6., caractérisé en ce que la section d'extraction de signal est du type à éléments de commutation MOS ne comprenant que des portes de trans- fert (51). 9. Dispositif récepteur de lumière à semiconduc- teur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section d'extraction de signal est du type à dispositifs à couplage de charge, comprenant des portes de transfert (64) et des dispositifs à couplage de charge (65).