Brevet FR2629273A1 — publié le 19890929

ELEMENT DE DETECTION D'INFRAROUGE A HETEROJONCTION ET DISPOSITIF DE FORMATION D'IMAGE PAR INFRAROUGE COMPORTANT UN TEL ELEMENT La présente invention concerne un élément pour la détection d'infrarouges ainsi qu'un dispositif de formation d'image par infrarouge. Certains détecteurs d'infrarouge utilisent des cristaux de Si et détectent des rayons infrarouges ayant des longueurs d'onde égales ou supérieures à plusieurs micromètres. De tels détecteurs d'infrarouge sont de deux types, le premier type étant obtenu par introduction d'impuretés dans les cristaux de Si et le second type utilisant des barrières à hétérojonction. Le document "Infrared Détectors II, Semiconductors and Semimetals", Chapitre 2, rédigé par P.R. Bratt.et publié par Academic Press en 1977, décrit des détecteurs du premier type pour infrarouge. La demande de brevet japonais 61-241985 décrit un détecteur du second type pour infrarouge. Les documents "3P79" relatifs à la conférence de la trente troisième section de printemps de la Société de Physique Appliquée du Japon en 1986 décrivent également le détecteur du second type pour infrarouge. Ces deux types de détecteurs d'infrarouge se révèlent utiles pour les dispositifs de type monolithique utilisés pour la formation d'images bidimensionnelles par infrarouges. Les détecteurs du premier type pour infrarouge présentent l'inconvénient suivant. Du fait que la quantité d'impuretés introduite, c'est-à-dire de dopage, est limitée, la sensibilité du détecteur est faible et la longeur d'onde détectée est fonction du type des impuretés. Par conséquent, il est impossible de maximiser la sensibilité du détecteur à une longueur d'onde déterminée arbitrairement. Les détecteurs du second type pour infrarouge ne présentent pas cet inconvénient. La présente invention a pour objet un élément excellent de détection d'infrarouges et un dispositif excellent de formation d'image par infrarouge. Dans un élément de détection d'infrarouges de la présente invention, une couche intermédiaire formée par un cristal mixte de -Sil-xGex mélangé -st formée sur un substrat en cristal de Si, x désignant une valeur comprise entre 0 et 1. La couche intermédiaire est reliée au substrat, via une hétérojonction créant une première barrière d'hétérojonction. Une couche d'un cristal de Si est formée sur la couche intermédiaire et est reliée à la couche intermédiaire via une hétérojonction créant une seconde barrière d'hétérojonction. Le substrat, la couche intermédiaire et la couche de Si forment une structure stratifiée. Les première et seconde barrières d'hétérojonction forment un puits de stockage de charges dans une bande d'énergie de la couche intermédiaire. Les charges dans le puits sont excitées par absorption de la lumière infrarouge. La couche intermédiaire contient des impuretés réparties de façon irrégulière et dont la concentration varie de façon monotone dans le sens de l'épaisseur de la structure stratifiée. La variation monotone de la concentration crée un champ électrique interne qui peut augmenter la probabilité du déplacement des charges excitées qui les fait passer du puits dans le substrat ou dans la couche de Si. Un dispositif de formation d'image par infrarouge selon la présente invention comprend un élément de détection d'infrarouge et un dispositif à transfert de charges relié à l'élément de détection d'infrarouge. L'élément de détection d'infrarouge comprend un substrat en cristal de Si, une couche intermédiaire et une couche de Si. La couche intermédiaire est formée sur le substrat et est constituée par une couche d'un cristal mixte de Si -xGex, x désignant une valeur comprise entre 0 et 1. La couche intermédiaire est reliée au substrat, via une hétérojonction créant une première barrière d'hétérojonction. La couche de Si est formée sur la couche intermédiaire et est reliée à cette couche intermédiaire, via une hétérojonction créant une seconde barrière d'hétérojonction. Le substrat,la couche intermédiaire et la couche de Si forment une structure stratifiée. Les première et seconde barrières d'hétérojonction forment un puits de stockage de charges dans une bande d'énergie de la couche intermédiaire. Les charges présentes dans le puits peuvent être excitées par absorption de la lumière infrarouge. La couche intermédiaire contient des impuretés réparties de façon irrégulière et dont la concentration varie de façon monotone dans le sens de l'épaisseur de la structure stratifiée. La variation monotone de la concentration crée un champ électrique interne dans la bande d'énergie de la couche intermédiaire. Le champ électrique interne augmente la probabilité d'un déplacement des charges excitées qui les fait passer du puits dans le substrat ou dans la couche de Si. Le dispositif à transfert de charges transfère ensuite les charges, par l'intermédiaire d'une série de cellules du dispositif à transfert de charges, jusqu'à une sortie. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'une structure des bandes d'énergie d'un élément de détection d'infrarouge selon la technique antérieure; la figure 2 est un schéma d'une structure des bandes d'énergie dans un autre élément de détection d'infrarouge selon la technique antérieure; la figure 3 est un schéma représentant une charge excitée, les composantes de vitesse de cette dernière, et une électrode des éléments de détection d'infrarouge des figures 1 et 2; la figure 4 est un schéma d'une structure des bandes d'énergie d'un élément de détection d'infrarouge selon un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 5 est un schéma d'une structure des bandes d'énergie d'un élément de détection d'infrarouge selon un second mode de réalisation de la présente invention; et la figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif de formation d'image par infrarouge selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention. Pour une meilleure compréhension de la présente invention et avant d'en décrire les modes de réalisation, on va donner une description d'éléments classiques de détection d'infrarouge. La figure 1 montre les bandes d'énergie d'un élément classique de détection d'infrarouge qui utilisent un puits de stockage de charges formé par des barrières d'hétérojonction et.qui a une structure stratifiée comprenant un substrat 1 en Si de type n, une couche 2 de Ge de type n et une couche 3 de Si de type n. L'élément classique de détection d'infrarouge représenté sur la figure 1 comporte des hétérojonctions entre le substrat i en Si, situé à gauche, et la couche intermédiaire 2 de Ge ainsi qu'entre la couche 3 de Si, située à droite, et la couche intermédiaire 2 de Ge. Dans chacune des hétérojonctions se trouvent des barrières de potentiel de AEc et de LEv au niveau de la bande de conduction et de la bande de valence, respectivement. Dans ce cas, un puits de potentiel se trouve formé dans la bande de conduction de la couche 2 de Ge de type n par les barrières de potentiel de AEc. Le substrat 1 en Si et la couche 3 de Si forment des électrodes de part et d'autre du puits de potentiel. Dans le cas o les charges (électrons) ont été antérieurement stockées dans le puits de potentiel, ces charges, lorsque les rayons infrarouges à détecter sont appliqués à l'élément de détection d'infrarouge, absorbent les photons des rayons infrarouges et sont portées, dans le puits de potentiel, à des états excités qui les font pénétrer dans l'électrode, c'est-à-dire dans le substrat i de Si de type n ou dans la couche 3 de Si de type n en formant ainsi des photo-porteurs. L'élément de détection d'infrarouge représenté sur la figure i est sensible à la lumière infrarouge ayant une longueur d'onde égale ou inférieure à la longueur d'onde de coupure Xc qui est déterminée par la hauteur XEc de la barrière selon l'équation ci-après: Xc = h.c/AEc o "h" désigne la constante de Planck et "c" désigne la vitesse de la lumière dans le vide. Par exemple, quand la hauteur AEc de la barrière est égale à 0,2 eV, la longueur d'onde de coupure est égale à 6,2 micromètres. Dans le cas o une couche de Sii-xGex de type n est utilisée à la place de la couche intermédiaire de Ge de type n, la hauteur de barrière AEc tombe de 0,2 eV à 0 eV à mesure que la valeur x diminue de 1 à 0. Par conséquent, la longueur d'onde de coupure Xc augmente théoriquement de 6, 2 micromètres vers l'infini à mesure que la valeur x diminue de 1 à 0. La figure 2 montre les bandes d'énergie d'un autre élément classique de détection d'infrarouge, cet élément ayant une structure stratifiée formée d'un substrat 1' de Si de type p, une couche intermédiaire 2'de Ge de type p et une couche 3' de Si de type p. L'élément classique de détection d'infrarouge représenté sur la figure 2 comporte des hétérojonctions entre le substrat 1' en Si, situé à gauche, et la couche intermédiaire 2' de Ge ainsi qu'entre le couche 1' de Si située à droite et la couche intermédiaire 2' de Ge. Dans chacune des hétérojonctions se trouve des barrières de potentiel de AEc et AEv au niveau de la bande de conduction et de la bande de valence, respectivement. Dans ce cas, un puits de potentiel se trouve formé dans la bande de valence de la couche 2' de Ge de type p par les barrières de potentiel de AEv. Dans les éléments classiques de détection d'infrarouge représentés sur les figures 1 et 2, les charges excitées forment des photo-porteurs uniquement lorsque les conditions suivantes sont satisfaites: m-z2/2> AEc (ou LEv) o "m" désigne la masse de la charge. De plus, comme -_4 représenté sur la figure 3, Vz désigne une composante de la vitesse V de la charge, qui est perpendiculaire à la surface d'une électrode formée par le substrat Si ou par la couche de Si. Si l'on désigne l'angle entre les vecteurs V et Vz par le symbole "e", on obtient l'équation suivante: Vz = V.cos8 Dans le cas mentionné ci-dessus, les charges excitées par la lumière infrarouge peuvent former des photo-porteurs dans les conditions suivantes. La longueur d'onde Xde la lumière infrarouge à détecter se trouve dans une plage donnée par la relation suivante: XSh.c/AEc (ou AEv) L'angle d'incidence 8 de la charge excitée doit être inférieur à un angle donné eo déterminé par la relation suivante: m(V.cos8Oo)2/2LEc (ou LEv) Par conséquent, la sensibilité de l'élément classique de détection d'infrarouge représenté sur la figure 1 ou sur la figure 2 diminue à une vitesse proportionnelle à une valeur "(X-XC)2/Xc" à mesure que la longueur d'onde de la lumière infrarouge détectée s'éloigne de la longueur d'onde de coupure X c. En particulier, dans une plage de longueur d'onde située près de la longueur d'onde de coupure Xc, la sensibilité chute presque à une valeur nulle. Une manière concevable d'augmenter la sensibilité consiste par appliquer une tension entre les électrodes situées de part et d'autre du puits de potentiel afin d'augmenter la probabilité d'un déplacement des électrons excités les faisant pénétrer -dans les électrodes. D'une manière générale, il n'est pas possible d'appliquer cette façon de procéder à l'élément classique de détection d'infrarouge comportant la couche de Sii-xGex pour les raisons suivantes. La couche de Sii-xGex, qui forme un puits déterminé par les barrières à hétérojonction, présente une concentration d'impuretés supérieure aux concentrations d'impuretés des électrodes, c'est-à-dire du substrat de Si et de la couche de Si. Par conséquent, la tension appliquée n'engendre, dans la couche de Si -xGex, qu'un faible champ électrique utile qui agit sur les charges excitées. Da plus, si on utilise l'élément classique de détection d'infrarouge dans un dispositif de formation d'image par infrarouge comprenant des dispositifs à transfert de charges, du fait que les électrodes sont des électrodes collectrices de charges relatives aux éléments d'image ou pixels respectifs du dispositif de formation d'image, la structure permettant l'application d'une tension externe se révèle compliquée et peu pratique. La présente invention supprime les inconvénients mentionnés précédemment de l'élément classique de détection d'infrarouge. Une structure de base d'un élément de détection d'infrarouge selon la présente invention comprend un substrat en cristal de Si, une couche intermédiaire formée sur le substrat et une couche de cristal de Si formée sur cette couche intermédiaire. La couche intermédiaire comprend un cristal mixte de Sii-xGex, o la valeur x est comprise entre 0 et 1. On va décrire ci-après en se référant aux dessins des modes de réalisation de la présente invention. La figure 4 montre des bandes d'énergie d'un élément de détection d'infrarouge selon un premier mode de réalisation de la présente invention. L'élément de détection d'infrarouge représenté sur la figure 4 utilise un puits de stockage de charges formé par des barrières d'hétérojonction et comporte une structure stratifiée comprenant un substrat 1 de cristal de Si de type n, une couche intermédiaire 2 de cristal de Ge de type n, et une couche 3 de cristal de Si de type n. La couche 2 de Ge est formée sur le substrat i de Si. La couche 3 de Si est formée sur la couche 2 de Ge. On remarquera que la couche l1 2 de Ge peut être remplacée par une couche de cristal mixte de Si -xGex de type n, o la valeur x est comprise entre 0 et 1. L'élément de détection d'infrarouge représenté sur la figure 4 comporte des hétérojonctions entre le substrat 1 de Si, situé a gauche, et la couche intermédiaire 2 de Ge ainsi qu'entre la couche 3 de Si, située à droite, et la couche intermédiaire 2 de Ge. Dans chacune des hétérojonctions, il existe des barrières de potentiel de AEc et AEv, respectivement, dans la bande de conduction et dans la bande de valence de la couche intermédiaire 2 de Ge. Dans ce cas, un puits de potentiel se trouve formé dans la bande de conduction de la couche 2 de Ge par les barrières de potentiel de EEc. Le substrat 1 en Si et la couche 3 de Si forment des électrodes de part et d'autre du puits de potentiel. Pendant la fabrication de l'élément de détection d'infrarouge représenté sur la figure 4, les impuretés introduites du type donneur sont réparties de façon irrégulière dans la couche 2 de Ge. Spécifiquement, la quantité introduite d'impuretés du type donneur dans la couche 2 de Ge augmente, de façon monotone, dans le sens de l'épaisseur de la structure stratifiée depuis le substrat 1 en Si en direction de la couche 3 de Si. En d'autres termes, la concentration des impuretés du type donneur dans la couche intermédiaire 2 augmente, de façon monotone, depuis le -substrat 1 en Si en direction de la couche 3 de Si. Par conséquent, la base de la bande de conduction et le sommet de la bande de valence de la couche 2 de Ge présentent des niveaux d'énergie qui s'inclinent vers le bas depuis le substrat 1 en Si en direction de la couche 3 de Si, ce mécanisme étant expliqué ci-après. La pente du niveau d'énergie dans la bande de conduction de la couche 2 de Ge sert de champ électrique interne qui propulse les électrons se trouvant dans le puits de potentiel vers la couche 3 de Si. Un des procédés pour obtenir une variation monotone des impuretés introduites dans la couche de Si -xGex peut être mis en oeuvre par variation monotone d'une température impureté-cellule pendant que Si et Ge s'évaporent des cellules de Si et de Ge dans le procédé d'évaporation, tel que le procédé d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). La variation monotone de la concentration des impuretés du type donneur dans la couche 2 de Ge entraîne une variation du niveau de Fermi qui se traduit par une inclinaison. du niveau d'énergie de la base de la bande de conduction de la couche 2 de Ge. Le niveau de Fermi EF est exprimé par l'équation connue suivante: EF=ED+kTî ((-1/4)+(1/4)(1+(8ND/Nc)exp((Ec-ED) /kT)X/2z) o Ec et ED désignent le niveau d'énergie de la base de la bande de conduction et le niveau donneur dans la couche 2 de Ge, respectivement. De plus, Nc désigne la densité d'état de la base de la bande de conduction dans la couche 2 de Ge. Le niveau de Fermi EF se déplace du niveau donneur ED en direction de la base de la bande de conduction Ec pour augmenter la densité de donneurs ND conformément à l'équation ci-dessus. Dans le cas o des électrons 10 ont été stockés antérieurement dans le puits de potentiel, ces électrons , quand les rayons infrarouges à détecter sont appliqués à l'élément de détection d'infrarouge, absorbent les photons de ces rayons infrarouges et se trouvent portés à des états excités dans le puits de potentiel. Certaines de ces charges excitées 10 pénètrent dans la couche 3 de Si au-delà de la barrière de potentiel de AEc et forment des photo-porteurs. Le champ électrique interne mentionné précédemment facilite l'introduction des électrons excités 10 dans la couche 3 de Si en augmentant la probabilité de l'apparition de photoporteurs et en améliorant ainsi la sensibilité de l'élément de détection d'infrarouge. La figure 5 montre des bandes d'énergie d'un élément de détection d'infrarouge selon le second mode de réalisation de la présente invention, ce second mode de réalisation étant similaire au mode de réalisation de la figure 4 sauf que l'on utilisé un substrat 1' en cristal Si de type p à la place du substrat 1 en cristal de Si de type n. Au cours du fonctionnement préliminaire de l'élément de détection d'infrarouge représenté sur la figure 5, des électrons 10 sont stockés dans un puits de potentiel d'une couche intermédiaire 2. Spécifiquement, une lumière visible de polarisation est appliquée au substrat 1' de Si de type p de sorte que des électrons 12 et des trous 14 sont engendrés respectivement dans la bande de conduction et dans la bande de valence du substrat 1' de Si de type p. Les électrons engendrée 12 tombent dans le puits de potentiel de la couche intermédiaire 2 et sont stockés dans ce puits de potentiel. Quand le fonctionnement préliminaire est terminé, les rayons infrarouges à détecter sont appliqués à l'élément de détection d'infrarouge de sorte que les électrons 10 se trouvant dans le puits de potentiel absorbent les photons des rayons infrarouges et sont amenés dans des états excités. Certains des électrons excités 10 pénètrent dans la couche 3 de Si et forment des photo-porteurs. Comme dans le mode de réalisation de la figure 4, un champ électrique interne facilite l'introduction des électrons excités 10 dans la couche 3 de Si en augmentant la probabilité de l'apparition des photo-porteurs et en améliorant ainsi la sensibilité de l'élément de détection d'infrarouge. Un élément de détection d'infrarouge selon un troisième mode de réalisation de la présente invention est similaire au mode de réalisation de la figure 4 sauf en ce qui concerne les modifications de conception suivantes. Ce troisième mode de réalisation a une structure stratifiée comprenant un substrat de Si de type p, une couche intermédiaire de Ge de type p et une couche de Si de type p. La concentration des impuretés du type accepteur dans la couche de Ge de type p varie de façon monotone du substrat en Si vers la couche de Si. La couche de Ge de type p peut être remplacée par une couche de cristal mixte de Sii-xGex de type p. La figure 6 montre un dispositif monolithique de formation d'image réalisé suivant un quatrième mode de réalisation de la présente invention et dans lequel l'élément de détection d'infrarouge de la figure 5 est relié à un dispositif de transfert de charges (CCD). Dans le dispositif de la figure 6, l'élément de détection d'infrarouge comprend un substrat 1' de cristal de Si de type p. une couche 2 de cristal de Ge de type n formée sur le substrat 1' de Si de type p et une couche 3 de cristal de Si de type n formée sur la couche 2 de Ge de type n. Une lumière visible de polarisation est appliquée à une surface découverte du substrat 1' de Si de type p. La lumière infrarouge IR à détecter est appliquée à la surface supérieure de la couche 3 de Si de type n. Une région 4 de séparation de type n (région d'arrêt d'injection) appelée "anneau de protection" est formée dans le substrat 1' de Si de type p. Pendant l'application de la lumière visible de polarisation, la région 4 de type n arrête l'injection des trous pénétrant de la zone périphérique dans la couche d'inversion de l'hétérojonction entre le substrat 1' de Si de type p et la couche 2 de Ge de type n. Un bord de la couche 3 de Si de type n s'étend sur la région 4 de type n. Une couche isolante 5 de SiO2 est formée sur le substrat 1' de Si de type p. Un bord de la couche isolante 5 s'étend sur la région 4 de type n. La couche isolante 5 et la couche 3 de Si de type n se rencontrent en un endroit situé au-dessus de la région 4 de type n. L'application de la lumière infrarouge IR excite les électrons se trouvant dans le puits de potentiel de la couche 2 de Ge de type n. Certains des électrons excités pénètrent dans la couche 3 de Si de type n et forment des photo-porteurs. Une porte 6 de transfert formée sur la couche insolante 5 constitue une porte de commande pour le transfert des photo-porteurs de la couche 3 de Si de type n vers une partie d'entrée suivante d'un dispositif de transfert de photo-porteurs (CCD). Une porte 7 d'un CCD est formée sur la couche isolante 5. La porte 7 du CCD fonctionne de manière à recevoir les photo-porteurs (électrons) en provenance de la porte 6 de transfert et à commander le transfert des photo-porteurs (électrons) en direction d'une borne de sortie du dispositif de formation d'image par l'intermédiaire de l'intérieur du CCD. Du fait que le substrat 1' de cristal de Si peut avoir une qualité excellente, on peut appliquer, de façon appropriée, la technique d'intégration pour fabriquer le dispositif monolithique de formation d'image par infrarouge. REVENDICATIONS 1. Element de détection d'infrarouge caractérisé par le fait qu'il comprend: un substrat (1;1') en cristal de Si; une couche intermédiaire (2) formée sur. le substrat et constituée par une couche de cristal mixte de Sii-xGex, la couche intermédiaire étant reliée au substrat via une hétérojonction engendrant une première barrière d'hétérojonction, x désignant une valeur o10 comprise entre 0 et 1; une couche (3) de cristal de Si formée sur la couche intermédiaire et reliée à cette couche intermédiaire via une hétérojonction engendrant une seconde barrière d'hétérojonction; le substrat, la couche intermédiaire, et la couche de Si formant une structure stratifiée; les première et seconde barrières d'hétérojonctionformant un puits de stockage de charges dans une bande d'énergie de la couche intermédiaire, et les charges se trouvant dans le puits étant excitées par la lumière infrarouge absorbée; la couche intermédiaire contenant des impuretés réparties de façon irrégulière et dont la-concentration varie de façon monotone dans le sens de l'épaisseur de la structure stratifiée,. la variation de la concentration engendrant un champ électrique interne dans la bande d'énergie de la couche intermédiaire et ce champ électrique interne augmentant la probabilité d'un déplacement des charges excitées faisant passer celles-ci du puits dans le substrat ou dans la couche de Si. 2. Elément de détection d'infrarouge caractérisé par le fait qu'il comprend: un substrat (1;1') en cristal de Si; une couche intermédiaire (2) formée sur le substrat et constituée par une couche d'un cristal mixte de Siz-xGex, la couche intermédiaire étant reliée au substrat via une hétérojonction engendrant une première barrière d'hétérojonction, x désignant une valeur comprise entre 0 et 1; une couche (3) de cristal de Si formée sur la couche intermédiaire et reliée à cette couche intermédiaire via une hétérojonction engendrant une seconde barrière d'hétérojonction; des première et seconde barrières d'hétérojonctionformant un puits de stockage de charges dans une bande d'énergie de la couche intermédiaire et les charges présentes dans le puits étant excitées par la lumière infrarouge absorbée; la couche intermédiaire contenant des impuretés répartiss de façon irrégulière et dont la concentration augmente de façon monotone du substrat en direction de la couche de Si, et la variation de la concentration engendrant une pente dans la bande d'énergie de la couche intermédiaire et cette pente augmentant la probabilité d'un déplacement des charges excitées faisant passer celles-ci du puits dans la couche de Si. 3. Dispositif de formation d'image par infrarouge caractérisé par le fait qu'il comprend: un élément de détection d'infrarouge comprenant un substrat (1;1') de cristal de Si, une couche intermédiaire (2) et une couche (3) de Si; la couche intermédiaire étant formée sur le substrat et étant constituée par une couche d'un cristal mixte de Sil-xGex, cette couche intermédiaire étant reliée au substrat via une hétérojonction engendrant une première barrière d'hétérojonction, x désignant une valeur comprise entre 0 et 1; la couche de Si étant formée sur la couche intermédiaire et étant reliée à cette couche intermédiaire via une hétérojonction engendrant une seconde barrière d'hétérojonction; le substrat, la couche intermédiaire et la couche de Si formant une structure stratifiée; les première et seconde. barrières d'hétérojonction formant un puits de stockage de charge dans une bande d'énergie de la couche intermédiaire, les charges se trouvant dans le puits étant excitées par la lumière infrarouge absorbée; la couche intermédiaire contenant des impuretés réparties de façon irrégulière et dont la concentration varie de façon monotone dans le sens de l'épaisseur de la structure stratifiée, la variation de la concentration engendrant un champ électrique interne dans la bande d'énergie et la couche intermédiaire ainsi que le champ électrique interne augmentant la probabilité d'un déplacement des charges excitées faisant passer celles- ci du puits dans le substrat ou dans la couche de Si; un dispositif de transfert de charge (CCD) relié à l'élément de détection d'infrarouge pour transférer en outre les charges depuis la couche de Si.