Brevet FR2644294A1 — publié le 19900914

DETECTEUR INFRAROUGE La présente invention concerne un détecteur in- frarouge, et elle porte plus particulièrement sur un détec- teur à sensibilité accrue. Les figures 2(a) et 2(b) montrent respectivement une représentation en plan et une représentation en coupe d'un détecteur infrarouge à photoconductivité de l'art an- térieur. Sur ces figures, un semiconducteur composé tel que CdxHgl xTe ou InSb, 2, est formé sur un substrat à ré- sistance élevée, 1, consistant en un matériau tel que CdTe. Une paire d'électrodes 3a et 3b sont formées face à face sur le semiconducteur composé 2. Une section de réception de lumière 4 est formée sur une région de surface du semi- conducteur composé 2, entre la paire d'électrodes 3a et 3b. La référence 5 désigne des chemins de courants de polarisa- tion. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. Dans le but d'étendre au-delà de l'infrarouge la bande de longueurs d'onde de sensibilité du détecteurinfra- rouge & photoconductivité, on utilise pour le semiconduc- teur composé 2 un matériau consistant en CdxHgl.xTe ou InSb ayant une bande d'énergie interdite étroite. Lorsqu'un rayonnement infrarouge ayant une énergie supérieure à la bande d'énergie interdite du matériau tombe sur la section de réception de lumière 4, des porteurs en excès sont pro- duits -par la lumière qui est absorbée par le semiconducteur composé 2. Une variation de la conductivité électrique de l'élément, due à ces porteurs en excès, se manifeste sous la forme d'un signal, conformément au principe de fonction- nement de ce type de détecteur. Lorsqu'on utilise ce détec- teur infrarouge, le détecteur est refroidi à environ 77 K par l'utilisation d'azote liquide, afin d'empêcher l'appa- rition du courant d'obscurité de l'élément. En outre, lorsqu'on désigne la résistance de l'élément par r (_L), le courant de polarisation par iB (A) et la tension entre les électrodes 3a et 3b par V-(V), la tension V devient: V= r. i.... (1) Du fait que le courant de polarisation iB dans l'expression (1) est habituellement fixé à une valeur cons- tante, la variation de la résistance de l'élément t r qui est due aux porteurs en excès est détectée sous la forme d'un signal V (V), c'est-à-dire sous la forme d'une va- riation A V de la tension, conformément à la relation sui- V = V = 6r. iB.... (2) D'autre part, la résistance de l'élément, r, devient: r =k nw t (= k - À orsque w= w).... (3) nt Dans cette relation, e, w et f représentent respectivement la longueur, la largeur et l'épaisseur de la section de ré- ception de lumière 4. En outre, n (cm-3) représente la con- centration de porteurs du semiconducteur composé 2, et k représente une constante de proportionnalité. La section de réception de lumière a habituelle- ment une forme rectangulaire, et on a alors t= w. En ou- tre, lorsqu'on désigne par n (cm-3) le nombre de porteurs en excès qui sont produits dans le semiconducteur composé sous l'effet de l'énergie infrarouge incidente dans laquelle k' est une constante de proportionnalité. D'après la relation (3), la variation Ar de la résistance de l'élément, r, qui est due à ce nombre An, s'exprime par la relation (5): r + A r = k.5) (n a n) t On a donc: k An A n à r, - À. - r À... (6) t n2 n Par conséquent, d'après les relations (2), (6) et (4): An Vs - - r.. -. n k 'i -- () À r . 4,.. (7) n Lorsqu'on désigne par R (V/W) la sensibilité de l'élément, on a pour R la relation suivante: k Ik i, R- V = () r i... À8) i4i+I n D'après ce qui précède, on constate que la sensibilité R est inversement proportionnelle à la concentration de por- teurs du semiconducteur composé n et est proportionnelle à la résistance de l'élément r. Comme décrit ci-dessus, dans le détecteur infra- rouge de l'art antérieur il est nécessaire d'augmenter la résistance r dans le but d'augmenter la sensibilité R, et il est donc nécessaire de donner une valeur très faible à la concentration de porteurs et de donner une valeur très faible & l'épaisseur de couche t du semiconducteur composé 2. On a diminué la valeur de n presque jusqu'à la valeur limite, en mettant à profit les progrès de la technique de croissance cristalline. Cependant l'épaisseur t de la cou- che de semiconducteur composé 2 doit être supérieure à une certaine valeur pour absorber effectivement le rayonnement infrarouge incident. Par exemple, dans le cas o on consi- dère un rayonnement infrarouge ayant une longueur d'onde de 8 à 14 microns, il est nécessaire que l'épaisseur t soit supérieure à 15 à 20 microns, et ceci rend impossible de réduire l'épaisseur de couche t du semiconducteur composé 2. L'épaisseur de couche t est donc déterminée par des con- ditions telles que la longueur d'onde du rayonnement infra- rouge à absorber, la résistance de l'élément est déterminée de façon correspondante, et la sensibilité est également restreinte par ces conditions. L'invention a pour but de procurer un détecteur infrarouge capable d'améliorer la sensibilité, sans dimi- nuer le taux d'absorption du rayonnement infrarouge. Dans un détecteur infrarouge conforme à l'inven- tion, un ensemble de sillons formant un motif fin et ayant une profondeur inférieure à l'épaisseur du semiconducteur composé, sont formés dans une partie du semiconducteur com- posé qui est une surface de réception de lumière, dans une direction perpendiculaire au chemin du courant, dans une région située entre une paire d'électrodes qui sont formées sur le semiconducteur composé. Les chemins du courant de polarisation sont donc restreints à une région étroite, du fait de la présence des sillons. La résistance de l'élément est donc augmentée, et la sensibilité de l'élément est amé- liorée dans une large mesure. En outre, l'épaisseur de cou- che du semiconducteur composé qui est nécessaire pour absorber le rayonnement infrarouge est maintenue égale à celle du dispositif de l'art antérieur, et le taux d'absorption du rayonnement infrarouge sera très peu réduit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, don- né à titre d'exemple non limitatif. La suite de la descrip- tion se réfère aux dessins annexes sur lesquels: Les figures l(a) et l(b) sont respectivement des représentations en plan et en coupe d'un détecteur infra- rouge conforme à un mode de réalisation de l'invention; Les figures 2(a) et 2(b) sont respectivement des représentations en plan et en coupe d'un détecteur infra- rouge de l'art antérieur. Les figures l(a) et l(b) sont respectivement des représentations en plan et en coupe d'un détecteur infra- rouge conforme à un mode de réalisation de l'invention. Dans ces figures, les mêmes références numériques désignent des éléments identiques A ceux des figures 2(a) et 2(b), ou correspondants. La référence 6 désigne un ensemble de sil- lons formant un motif fin, qui sont formés dans une partie d'une région de réception de lumière du semiconducteur com- posé 2, dans une direction perpendiculaire aux chemins du courant qui circule dans le semiconducteur composé entre la paire d'électrodes 3a et 3b. La largeur q du sillon 6 est suffisamment inférieure à la longueur d'onde du rayonnement infrarouge incident pour empêcher une perte d'absorption du rayonnement infrarouge au niveau du sillon 6. En outre, le pas p des sillons 6 est de préférence presque égal ou infé- rieur à l'épaisseur de couche t du semiconducteur composé 2. La profondeur d du sillon 6 est inférieure à l'épaisseur de couche t, de façon & faciliter la restriction du chemin du courant de polarisation 5. On peut aisément produire les sillons à motif fin 6 par un traitement tel que l'usinage ionique. Le dispositif fonctionne de la manière suivante. Le principe de fonctionnement est presque le même que celui du dispositif de l'art antérieur. Dans l'inven- tion, comme le montrent les figures 1(a) et l(b), le chemin du courant de polarisation 5 dans le substrat semiconduc- teur composé 2 est restreint à une région étroite par les sillons 6 ayant la profondeur d. Autrement dit, l'épaisseur de couche qui définit un chemin pour le courant de polari- sation est approximativement égale à (t - d) dans l'épais- seur de couche de semiconducteur composé t. Pour qu'il en soit ainsi, le pas p des sillons 6 doit être presque égal ou inférieur à l'épaisseur de couche t. En outre, la lar- geur q du sillon 6 doit être inférieure à la longueur d'on- de du rayonnement infrarouge incident, dans le but d'empê- cher l'apparition d'une perte d'absorption du rayonnement infrarouge incident. A titre d'exemple concret, dans un dé- tecteur infrarouge prévu pour détecter le rayonnement in- frarouge dans la bande de 8 à 14 microns, lorsque l'épais- seur de couche t du substrat semiconducteur composé 2 con- sistant en CdxHglxTe est fixée à environ 20 microns, la largeur q du sillon 6 est d'environ 4 microns, la profon- deur du sillon 6 est d'environ 14 microns, et le pas p des sillons 6 est d'environ 20 microns, la résistance de l'élé- ment, r, devient approximativement deux fois supérieure dans une telle structure comprenant des sillons. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, du fait que la longueur de diffusion des porteurs excédentai- res est supérieure à l'épaisseur de couche t et a une va- leur d'environ 50 microns, les porteurs en excès qui sont produits par l'absorption du rayonnement infrarouge dans une région correspondant & une profondeur de couche d, à laquelle le courant de polarisation ne peut pas circuler, sont également dispersés de façon approximativement unifor- me dans la couche de semiconducteur composé 2, et ils at- teignent les chemins du courant de polarisation, ce qui fait qu'ils contribuent à un signal de sortie. On peut donc réduire au minimum la diminution du taux d'absorption du rayonnement infrarouge incident. Par conséquent, lorsque la résistance de l'élément, r. est doublée, comme décrit ci- dessus, le rayonnement infrarouge incident est parfaitement absorbé et le taux d'absorption n'est pas dégradé, ce qui permet de doubler approximativement la sensibilité. Comme il ressort de façon évidente de la descrip- tion précédente, et conformément à l'invention, un ensemble de sillons à motif fin, ayant une profondeur inférieure à l'épaisseur de couche du semiconducteur composé, sont for- més dans une direction perpendiculaire aux chemins du cou- rant de polarisation, sur une surface de réception de lu- mière du semiconducteur composé. Par conséquent, on peut augmenter la résistance de l'élément sans dégrader le taux d'absorption du rayonnement infrarouge incident, et il en résulte qu'on peut améliorer la sensibilité de l'élément. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat à résistance élevée (1); un semicon- ducteur composé (2) formé sur le substrat (1); une paire d'électrodes (3a, 3b) formées sur le semiconducteur composé (2); et un ensemble de sillons à motif fin (6) formés dans le semiconducteur composé (2) dans une direction perpendi- culaire au chemin du courant, dans une région (4) qui se trouve entre la paire d'électrodes (3a, 3b), ces sillons (6) ayant une profondeur inférieure à l'épaisseur de couche du semiconducteur composé (2). * 2. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le semiconducteur composé (2) a une bande d'énergie interdite étroite, inférieure à l'éner- gie du rayonnement infrarouge incident. 3. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le semiconducteur composé (2) con- siste en CdxHglxTe. 4. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas (p) de l'ensemble de sil- lons (6) est presque égal ou inférieur à l'épaisseur de couche du semiconducteur composé (2). 5. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de couche du semicon- ducteur composé (2) est de 20 microns, la largeur du sillon (6) est de 4 microns, la profondeur du sillon est de 14 mi- crons et le pas des sillons est de 20 microns. t 6. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sillons (6) sont formés par un appareil d'usinage ionique.