Brevet FR2849272A1 — publié le 20040625

DISPOSITIF DE DETECTION PHOTO-ELECTRIQUE ET NOTAMMENT DE RAYONNEMENT X OU Y. L'invention concerne un dispositif de détection photoélectrique, plus particulièrement dédié à la détection des rayonnements X et y, et mettant en oeuvre des détecteurs à semi-conducteurs, plus précisément des détecteurs monolithiques matriciels. Plus précisément, elle vise un mode particulier de réalisation des électrodes de détection de tels détecteurs matriciels. Il existe différents types de détecteurs de rayonnement, parmi lesquels figurent traditionnellement les détecteurs à gaz, les détecteurs à scintillateur, et les détecteurs à semi-conducteur Ces derniers présentent l'avantage de posséder un numéro atomique élevé, permettant d'absorber un maximum de photons incidents, pour une épaisseur minimale de matériau. En outre, ils présentent également le double avantage de convertir directement le signal photonique en un signal électrique sans conversion préalable en un signal lumineux, et de présenter une bande interdite relativement large En d'autres termes, les détecteurs à semi-conducteur permettent donc, avec une épaisseur de matériau 20 faible (quelques millimètres) de réaliser une conversion efficace des rayonnements en signaux électriques. Les semi-conducteurs plus particulièrement choisis sont du type II-VI, tels que par exemple Cd Zn Te, Cd Te, Cd Te:C 1, Cd Te Se:C 1, Cd Zn Te: CI, Cd Td:In, Cd Zn Te:In. 25 Ces semi-conducteurs à base de Tellure et de Cadmium peuvent être obtenus notamment par une méthode de croissance BRIDGMAN ou THM par exemple, et présentent comme caractéristique majeure, une très haute résistivité électrique ( 108 10 T' Q 2 cm), indispensable à la réalisation d'un dispositif de spectrométrie X ou Y, plus 30 particulièrement dédiée à l'imagerie médicale, industrielle ou scientifique. Le détecteur proprement dit comporte donc un matériau photosensible, constitué d'un parallélépipède réalisé en un matériau semi-conducteur, traditionnellement découpé dans une tranche de lingot, résultant de la réalisation dudit semi-conducteur, et 35 comporte au moins deux faces parallèles, sur lesquels on réalise les contacts électriques, permettant de polariser et de recueillir les signaux électriques produits par les rayonnements incidents. Par exemple, l'une des faces reçoit une électrode pleine face de polarisation, et la face opposée, est destinée à recevoir une pluralité d'électrodes dites de détection, réparties selon une forme matricielle, définissant les pixels pour la localisation du lieu d'impact des rayonnements incidents au niveau du détecteur. D'autres architectures peuvent être envisagées:en particulier, la face recevant le rayonnement n'est pas nécessairement revêtue d'une électrode. Afin de pouvoir disposer d'un détecteur le plus efficace possible, les contacts 10 électriques réalisés au niveau des électrodes, notamment de détection, ne doivent pas modifier le comportement du dispositif, et doivent par conséquent présenter une résistance négligeable au flux du courant, en comparaison avec celle du matériau Ces contacts doivent être du type ohmique, c'est à dire avoir une caractéristique couranttension quasi-linéaire, et mettre à profit une courbure de bande judicieuse au contact métal-semi-conducteur, avoir un effet tunnel à cet endroit et des recombinaisons dans la zone de charge d'espace. La difficulté majeure réside donc dans la réalisation de ces contacts de type ohmique, sur des matériaux semi-conducteurs, notamment de type II-VI, car outre le 20 comportement électrique convenable qu'il convient d'obtenir, les électrodes doivent être connectées ensuite par exemple à un circuit de lecture. Ces difficultés reposent donc sur différents problèmes, tenant compte des matériaux mis en oeuvre, outre des dimensions de plus en plus réduites des électrodes de 25 détection. S'agissant tout d'abord des électrodes, la réalisation d'un contact ohmique avec un matériau à haute résistivité, du type Cd Te (et ses composés), est difficile à élaborer, compte-tenu du travail d'extraction élevé du Cd Te ( 5,02 e V) De fait, seuls le platine 30 et l'or sont susceptibles d'être mis en oeuvre De tels contacts sont réalisés par évaporation ou pulvérisation, et ne sont ni ohmiques, ni bloquants, mais se situent entre les deux. Parallèlement, d'autres phénomènes physico-chimiques, tels que les états de surface 35 avant dépôt du métal ou l'oxydation de la surface, fixent la hauteur de la barrière de potentiel indépendamment du travail d'extraction du métal. De fait, l'obtention d'un contact ohmique est donc possible, si les porteurs peuvent circuler librement par effet tunnel. Ce mode de transport est favorisé par le dépôt électro-chimique de solutions de type 5 chlorure d'or (Au C 3) ou chlorure de platine (Pt C 14) sur une surface préalablement décapée chimiquement. Le métal est réduit chimiquement par le Tellure, et agit comme un fort dopant accepteur à la surface du détecteur (voir Publication Ponpon JP 1985 Solid State 10 Electronics Vol 28 n 7-689/1985; J Phys Applied Physics 16 ( 83) 2333-2340 Janick and Triboulet CNRS). Ce dépôt par voie électrochimique (également dénommée sous l'expression en langue anglaise " electroless "), à partir de chlorure d'or ou de platine, prend la place du Cadmium à la surface du détecteur, ledit Cadmium venant enrichir la solution électrochimique. L'épaisseur maximum déposée du fait de l'effet de polarisation et des contraintes intrinsèques de la couche est, en général, inférieure à 500 En outre, l'adhésion du 20 contact est fonction de la préparation de la surface, de la chimie de l'interface métal/semi-conducteur, de l'épaisseur du dépôt mais également de sa surface. Or, la tendance dans le domaine de la détection nucléaire par exemple, est d'aller vers la réalisation de détecteurs monolithiques pixelisés, dont la surface de l'électrode 25 unitaire tend, à terme vers 50 tm 2, alors qu'actuellement elle est de quelques millimètres carré L'adhésion constitue alors un paramètre critique, en particulier lors des opérations d'assemblage. Cette adhésion est donc capitale, d'autant plus que les matériaux en présence n'ont pas 30 les mêmes coefficients de dilatation Les variations de température induisent par conséquent des contraintes. En outre, le contact ohmique réalisé généralement sur ces matériaux, présente l'inconvénient inhérent à la faible épaisseur de l'électrode, qui, ainsi que déjà dit, est 35 typiquement inférieure à 500 . Par voie de conséquence, la connexion à un circuit de lecture s'avère difficile, et nécessite généralement un épaississement du dépôt constitutif de l'électrode, afin d'atteindre quelques milliers d'Angstrôms au niveau de ladite électrode, pour notamment garantir une connexion de qualité. Or, le dépôt d'une telle couche d'épaississement, réalisée par dépôt sous vide ou par l'adjonction de micro-gouttes de colle conductrice, pose également problème, puisqu'il n'est pas rare d'observer des débordements d'une telle couche, au-delà de l'électrode proprement dite, susceptible de se traduire par une altération de la précision 10 de la détection finale obtenue. Une autre difficulté réside dans les zones séparant chacune des électrodes de détection, dénommées ci-après zone interpixel. En effet, afin d'aboutir à une fonctionnement correct du détecteur, notamment en termes de précision, la résistance électrique entre chaque pixel, c'est à dire entre chaque électrode de détection, doit être maximum, et typiquement comparable à la résistance intrinsèque du matériau détecteur, et typiquement quelques giga ohms, afin d'éviter les interactions entre pixels. Le maintien d'une résistance aussi élevée ne peut être obtenu qu'en évitant toute contamination entre les pixels, et est traditionnellement réalisé en protégeant la surface correspondante du détecteur, soit par une passivation, soit par une encapsulation d'un matériau inerte et parfaitement étanche. Cependant, le dépôt de telles couches, en particulier d'encapsulation, est délicat, notamment pour des dimensions aussi réduites, car ces couches sont en général de nature plutôt organique, non gravables. L'objet de la présente invention est de proposer un détecteur photoélectrique, s'affranchissant de ces différents inconvénients. 2849272 Elle concerne donc un dispositif de détection photoélectrique, plus particulièrement destiné à la détection de rayonnements X ou y, comportant un détecteur matriciel monolithique, constitué d'un matériau semi-conducteur, dont une face comporte une pluralité d'électrodes de détection, selon un principe de pixelisation, chaque électrode s correspondant à un pixel, étant destinée à être connectée électriquement, notamment à un circuit de lecture, et étant séparée des électrodes adjacentes par une zone intermédiaire isolante, dite zone inter-pixel. Il se caractérise en ce que les électrodes de détection et les zones inter-pixels sont o 10 situées selon deux niveaux différents, au niveau du détecteur. En d'autres termes, l'invention consiste à aménager la face de détection du détecteur, de telle sorte que, les électrodes de détection et les zones inter-pixel ne sont pas situées à un même niveau, c'est à dire ne sont pas situées dans le même plan, et il sera 15 démontré dans la suite de la description, différents avantages obtenus de par cette configuration particulière. Avantageusement, le matériau semi-conducteur est du type II-VI. En outre, selon une forme particulière de réalisation de l'invention, le détecteur matriciel présente une face orientée en direction du faisceau incident du rayonnement à détecter, revêtue d'une électrode de polarisation, et dont la face opposée comporte une pluralité d'électrodes de détection du type de celles précédemment décrites. Selon une première forme de réalisation de l'invention, les électrodes de détection sont déposées sur la surface du détecteur, après gravure profonde au niveau de la surface correspondante du matériau semiconducteur, destinée à être occupée par les électrodes. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la surface de détection du détecteur subit une gravure profonde au niveau des zones inter-pixel. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et 35 non limitatif, à l'appui des figures annexées. 6 2849272 La figure 1 est une représentation schématique en perspective du détecteur, conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique en section d'un principe d'assemblage du détecteur avec un circuit de lecture. La figure 3 est une représentation schématique en section d'une première forme de réalisation de la face de détection du détecteur, selon l'invention. La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, d'une seconde forme de réalisation de l'invention. La description qui suit est plus particulièrement focalisée sur le détecteur de rayonnement ( 1) proprement dit. Celui-ci a été schématiquement représenté au sein de la figure 1 Il est fondamentalement constitué d'un matériau actif ( 2), constitué d'un semiconducteur, 15 par exemple de type II-VI, de la famille des Cd Te. Il présente deux faces parallèles, respectivement une face de détection ( 3) et une face ( 4), cette dernière étant dirigée vers le rayonnement incident, schématisé par la flèche inférieure sur la figure 1. La face inférieure ( 4) est revêtue d'une électrode commune de polarisation ( 5) déposée par voie traditionnelle, par exemple par un dépôt pleine surface d'or selon la technique " electroless ". La face de détection ( 3) reçoit quant à elle une pluralité d'électrodes de détection ( 6), réparties selon une forme matricielle, et séparées les unes des autres par des zones ( 7) interpixels non conductrices. Cette face de détection ( 3), et plus particulièrement les électrodes de détection ( 6) 30 qu'elle intègre, sont destinées à être connectées, ainsi que déjà dit, à un circuit d'exploitation, notamment un circuit de lecture, par exemple selon la technique dite "FLIP CHIP", c'est à dire par le biais de micro-billes d'indium ( 10), tel que représenté sur la figure 2. Ces micro-billes d'indium connectent les électrodes aux électrodes ( 9) du circuit de lecture ( 8) Cette technologie est bien connue de l'homme du métier, de sorte qu'il n'y a pas lieu de la décrire ici en détail. On a représenté en relation avec la figure 3, une première forme de réalisation de l'invention. Dans celle-ci, la face du matériau semiconducteur ( 2) destinée à recevoir les 5 électrodes de détection ( 6), subit au niveau des zones interpixels une gravure profonde ( 11) par exemple par voie humide, de profondeur voisine de 20 plm Cependant, des gravures moins profondes sont envisageables. Le profil de gravure obtenu dépend de la technique utilisée (humide ou sèche), mais 10 également des conditions utilisées (vitesse de gravure, concentration, agitation). Cette gravure reçoit une couche de passivation ( 12), par exemple constituée d'un oxyde, obtenu par réaction chimique locale de la surface avec un oxydant Puis, la gravure est, avantageusement partiellement comblée par une encapsulation ( 13), par 15 exemple constituée d'une résine acrylique déposée manuellement. Corollairement, les électrodes de détection ( 6), typiquement réalisées en or ou en platine, sont déposées par des techniques classiques déjà mentionnées par voie électrochimique, à partir de solutions de type chlorure d'or ou chlorure de platine. 20 Avantageusement, ces électrodes reçoivent une couche supplémentaire d'épaississement dite de recharge ( 14), réalisée par exemple à base d'argent ou d'or, et limitée strictement à l'électrode. Ce faisant, on observe que les électrodes de détection ( 6) sont à un niveau supérieur aux zones interpixels ( 7), ce qui permet d'aboutir au résultat suivant. Il ressort très nettement un meilleur confinement des matériaux isolants, notamment passivation et/ou encapsulation au niveau des zones interpixels ( 7), réduisant le risque 30 d'inter-modulation optique, et partant, favorisant la qualité de la détection. Cette solution technique est particulièrement avantageuse dans le cadre des connexions de type ACF (Anisotropic Conductor Film), puisqu'il suffit de déposer ce film pour obtenir la connexion. Selon une autre forme de réalisation de l'invention représentée en figure 4, la face supérieure ( 3) du matériau actif ( 2) subit une gravure profonde ( 15) au niveau de l'emplacement ultérieur des électrodes de détection ( 6) L'état de surface d'une telle gravure est plus perturbé que celui d'une gravure légère, compte-tenu des précipités 5 des défauts du matériau, permettant de donner des points d'accrochage supplémentaires à l'électrode déposée, et accroît ainsi son adhésion audit matériau actif ( 2). Les électrodes de détection ( 6) sont alors déposées, toujours avantageusement par voie 10 électrochimique (" Electroless ">), les zones interpixels étant protégées par exemple par une résine photosensible. Puis, les électrodes peuvent recevoir une couche supplémentaire d'épaississement à base d'argent ou d'or ( 14), favorisant, conmme déjà dit, la résistance mécanique de la 15 connexion électrique ultérieure, en s'ancrant en particulier sur les flancs de la gravure profonde. Corollairement, les zones interpixels reçoivent également une couche de passivation ( 12), éventuellement complétée par une couche d'encapsulation ( 13), à l'instar de la 20 technique précédemment décrite. Ainsi qu'on peut bien l'observer selon la figure 4, la couche de recharge ( 14) déposée sur l'électrode de détection ( 6) est à la fois suffisante, mais néanmoins telle, que dans cette configuration, l'électrode de détection se situe à un niveau inférieur aux zones 25 interpixels. Cette solution technique permet tout d'abord d'aboutir à une meilleure limitation physique de la couche de recharge ( 14), dans le volume gravé. Par ailleurs, cette configuration permet d'aboutir à une amélioration importante de l'adhésion de l'électrode finale, selon le profil de gravure des bords, favorable à une résistance mécanique à l'arrachement, notamment lors des électrodes de petites dimensions, typiquement inférieures à 100 m, qui constituent l'un des buts recherchés dans le domaine technique. Typiquement, les différences de niveau, quelles que soient les formes de réalisation obtenues, entre les électrodes de détection ( 6) et les zones interpixels ( 7) peuvent être de quelques micromètres, à quelques dizaines de micromètres. Cette différence de niveau permet, ainsi que déjà dit, de s'affranchir des risques de contamination réciproque, et partant de réduire les risques d'inter-modulation optiques. Il va être décrit ci-après un mode de réalisation envisageable pour la réalisation de la 10 configuration particulière de détecteurs conforme à la forme de réalisation de la figure 4. Après conditionnement du matériau actif (semi-conducteur), et découpe et polissage aux cotes souhaitées, on procède tout d'abord et de manière connue à un décapage 15 chimique du matériau, notamment de sa face supérieure destinée à constituer la face de détection ( 3) On dépose ensuite l'électrode de polarisation, que l'on protège par une résine ou une cire. On procède alors à une étape de passivation de la face de détection, puis à une 20 photolithographie classique On procède ensuite à une attaque chimique profonde des zones d'implantation des électrodes, par exemple au Br Méthanol, la zone interpixel étant protégée par la passivation et la résine de la photolithographie. On procède au dépôt des électrodes par voie électrochimique, puis au dépôt du 25 matériau d'épaississement des électrodes, c'est à dire de la couche de recharge ( 14) sur l'ensemble de la surface. On procède ensuite à une étape de " lift off >>, c'est à dire de issolution de la résine protégeant les zones interpixels ( 7) dans un solvant entraînant le matériau 30 d'épaississement déposé au-dessus. Enfin, on procède à la dissolution de la protection de la face non pixelisée puis à l'encapsulation des zones interpixels par dépôt ou roulage d'un encapsulant. Enfin, le détecteur obtenu est éventuellement étuvé. On conçoit aisément tout l'intérêt du détecteur conforme à l'invention. Tout d'abord, on aboutit à un meilleur confinement tant des matériaux isolants, que des conducteurs, limitant les risques d'inter-modulation optique, et partant favorisant s la précision du détecteur. Les techniques de dépôt mises en oeuvre sont simples et bien maîtrisées. Enfin, les techniques et les matériaux mis en oeuvre permettent d'améliorer de manière 10 importante la résistance mécanique des électrodes de détection sur le matériau, fiabilisant l'assemblage final en résultant. Il REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection photoélectrique, plus particulièrement destiné à la détection de rayonnements X ou y, comportant un détecteur matriciel 5 monolithique ( 1), constitué d'un matériau semi-conducteur ( 2), dont une face comporte une pluralité d'électrodes de détection ( 6), selon un principe de pixelisation, chaque électrode ( 6) correspondant à un pixel, étant destinée à être connectée électriquement, notamment à un circuit de lecture, et étant séparée des électrodes adjacentes par une zone intermédiaire isolante ( 7), dite zone inter10 pixel, caractérisé en ce que les électrodes de détection ( 6) et les zones interpixels ( 7) sont situées selon deux niveaux différents, au niveau du détecteur. 2 Dispositif de détection photoélectrique, plus particulièrement destiné à la détection de rayonnements X ou y, comportant un détecteur matriciel 15 monolithique ( 1), constitué d'un matériau semi-conducteur ( 2), dont la face ( 4) orientée en direction du faisceau incident du rayonnement à détecter est revêtue d'une électrode de polarisation ( 5), et dont la face opposéée comporte une pluralité d'électrodes de détection ( 6), selon un principe de pixelisation, chaque électrode ( 6) correspondant à un pixel, étant destinée à être connectée 20 électriquement, notamment à un circuit de lecture, et étant séparée des électrodes adjacentes par une zone intermédiaire isolante ( 7), dite zone inter-pixel, caractérisé en ce que les électrodes de détection ( 6) et les zones inter-pixels ( 7) sont situées selon deux niveaux différents, au niveau du détecteur. 3 Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les électrodes de détection ( 6) sont positionnées sur la surface ( 3) du matériau semi-conducteur ( 2) après réalisation d'une gravure profonde, ménagée au niveau des zones d'implantation desdites électrodes. 4 Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface de détection ( 3) du détecteur ( 2) subit une gravure profonde au niveau des zones inter-pixel ( 7). Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 4, 35 caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du type II VI. 6 Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les électrodes de détection ( 6) sont revêtues d'une couche d'épaississement, également conductrice ( 14). 7 Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les zones interpixels ( 7) subissent un traitement de passivation ( 12). 8 Dispositif de détection photoélectrique selon l'une des revendications 1 à 6, 10 caractérisé en ce que les zones interpixels ( 7) reçoivent une couche d'encapsulation ( 13). 9 Dispositif de détection photoélectrique selon l'ntme des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les zones interpixels ( 7) subissent un traitement de 15 passivation ( 12), puis reçoivent une couche d'encapsulation ( 13).