CH641913A5 - Detecteur photovoltaique au sulfure de cadmium, a barriere de schottky et son procede de fabrication. - Google Patents

Detecteur photovoltaique au sulfure de cadmium, a barriere de schottky et son procede de fabrication. Download PDF

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Gerry T Laga
Joseph M Harrison
Victor A Twaddell
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Description

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REVENDICATIONS nant une première fenêtre centrale; à déposer et façonner une
1. Détecteur photovoltaïque à barrière de Schottky conve- couche isolante au-dessus de la structure de protection contre nant à la détection de rayonnement ultra-violet et infrarouge, le rayonnement infrarouge, cette couche isolante étant percée caractérisé par le fait qu'il comprend: un substrat (30) en sul- d'une seconde fenêtre centrale et d'une fenêtre latérale, cette fure de cadmium présentant une surface supérieure et une sur- s seconde fenêtre centrale étant en coïncidence avec le première face inférieure, une structure (32) de protection contre le ra- fenêtre centrale mais étant un peu plus petite que celle-ci; à dé-yonnement infrarouge recouvrant la surface supérieure de ce poser et façonner une couche de métallisation (36) à barrière substrat (30) et comprenant une couche en un matériau qui est de Schottky à l'intérieur de la seconde fenêtre centrale de ma-pratiquement opaque au rayonnement infrarouge, cette struc- nière qu'elle recouvre complètement la partie du substrat (30) ture de protection (32) ayant un contour tel qu'il contient une io qui y est logée, cette couche de métallisation (36) à barrière de première fenêtre centrale, une couche isolante (34) recouvrant Schottky étant suffisamment mince pour être pratiquement cette structure (32) de protection contre les rayonnements in- transparente aux rayonnements ultraviolet et infrarouge; et à frarouges et percée d'une seconde fenêtre centrale et d'une fe- déposer et façonner un contact de barrière et un contact ohmi-nêtre latérale, cette seconde fenêtre centrale étant en coïnci- que dépassant au-dessus de la surface supérieure du substrat dence avec la première fenêtre centrale mais un peu plus petite 15 et traversant respectivement la seconde fenêtre centrale et la que celle-ci, une couche (36) de métallisation à barrière de fenêtre latérale, le contact de barrière laissant à nu la majeure Schottky disposée dans la seconde fenêtre centrale et re- partie de la couche de métallisation (36) à barrière de couvrant en totalité la partie du substrat (30) qui y est logée, Schottky.
cette couche de métallisation (36) à barrière de Schottky étant 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait suffisamment mince pour être pratiquement transparente aux 20 qu'il comporte également l'opération qui consiste à déposer et rayonnements ultraviolet et infrarouge, des moyens disposés à façonner une couche limite entre le contact de barrière et la au-dessus de la surface supérieure du substrat (30), ces mo- couche de métallisation à barrière de Schottky, avant le dépôt yens constituant un contact de barrière (40) traversant la se- et le façonnage du contact de barrière, ladite couche limite conde fenêtre centrale et laissant à nu la majeure partie de la empêchant le contact de barrière de nuire aux propriétés de la couche (36) de métallisation à barrière de Schottky et des mo- 25 barrière de Schottky formée par la jonction de la surface su-yens disposés au-dessus de la surface supérieure de ce substrat périeure de substrat et de la couche de métallisation à barrière (30) et constituant un contact ohmique (38) qui traverse la fe- de Schottky, ladite couche limite étant en l'un des matériaux nêtre latérale. suivants: or, tungstène, iridium, rhénium, palladium, rho-
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait dium, alliage de nickel et chrome, alliage de nickel, chrome et qu'il comprend en outre une couche limite (42) intercalée en- 30 fer.
tre le contact de barrière (40) et la couche (36) de métallisation 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et à barrière de Schottky, cette couche limite étant en un maté- 7, caractérisé par le fait que l'opération de dépôt et de façon-riau qui empêche le contact de barrière (40) de nuire aux pro- . nage d'une couche isolante consiste à déposer et façonner une priétés de la barrière de Schottky constituée par la jonction du première couche de dioxyde de silicium au-dessus de la struc-substrat (30) et de la couche de métallisation (36) à barrière de 35 ture de protection contre le rayonnement infrarouge, cette Schottky. première couche de dioxyde de silicium présentant une pre-
3. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 mière fenêtre qui coïncide avec la première fenêtre mais qui et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend deux fils conduc- est un peu plus petite que celle-ci; à déposer une seconde cou-teurs (48,46) en or, dont chacun présente une extrémité fixée che isolante en dioxyde de silicium au-dessus de la première par thermo-compression, respectivement au contact de bar- 40 couche de dioxyde de silicium, et à former une seconde fenêtre rière (40) et au contact ohmique (38). dans ladite seconde couche isolante, cette seconde fenêtre
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à étant en coïncidence avec ladite première fenêtre mais étant
3, caractérisé par le fait qu'il comprend un détecteur (78) de un peu plus petite que celle-ci, lesdites première et seconde fe-rayonnement infrarouge, disposé tout contre la surface infé- nêtres constituant, dans leur ensemble, ladite seconde fenêtre rieure du substrat (30), juste au-dessous de la première et de la 45 centrale et à former ladite fenêtre latérale traversant la preseconde fenêtres centrales, la structure de protection contre les mière et la seconde couches isolantes, jusqu'à la couche de la rayonnements infrarouges, s'étendant au-delà des bords laté- structure de protection contre le rayonnement infrarouge qui raux de ce détecteur (78). est en un matériau pratiquement opaque au rayonnement in-
5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à frarouge.
4, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche compen- 50 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à sée (76) située dans le substrat (30) au voisinage de sa surface 8, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, l'opération supérieure et constituant une zone d'avalanche qui protège le qui consiste à fixer, par thermocompression, les extrémités de détecteur lorsque ce dernier est soumis à une tension électri- deux fils conducteurs en or respectivement au contact de barque trop forte. _ rière et au contact ohmique.
~ 6. Procédé de fabrication du détecteur photovoltaïque se- 55 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à Ion l'une des revendications 1 à 5, à barrière de Schottky, ca- 9, caractérisé par le fait que le stade opératoire qui consiste à ractérisé par le fait qu'il consiste à découper une plaquette déposer et à façonner la structure de protection contre le ra-(30) dans un lingot de sulfure de cadmium monocristallin, yonnement infrarouge comprend la formation d'une couche cette plaquette présentant une surface supérieure et une sur- d'or intercalée entre une première et une seconde couches de face inférieure planes et parallèles entre elles, qui sont perpen- 60 titane, chacune de ces deux couches de titane ayant une épais-diculaires à l'axe C du cristal hexagonal de sulfure de cad- seur comprise entre 50 et 5000 Â, et ladite couche d'or ayant minm; à roder, polir et attaquer à l'acide la surface supérieure une épaisseur comprise entre 500 et 10000 Â.
de cette plaquette (30) afin d'obtenir un substrat présentant 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à
une surface supérieure lisse et une surface inférieure; à déposer 10, caractérisé par le fait que le stade opératoire de dépôt et de et façonner une structure (32) de protection contre le rayonne-65 façonnage du contact barrière et du contact ohmique consiste, ment infrarouge, à la surface supérieure du substrat, y com- en premier lieu, à déposer une couche adhésive de contact en pris une couche en un matériau pratiquement opaque au ra- titane d'une épaisseur comprise entre 50 et 5000 Â, en second yonnement infrarouge, cette structure de protection conte- lieu, à déposer une couche de métallisation de contact en or,
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d'une épaisseur comprise entre 1000 et 2000 Â, et en troisième dispositif se trouve augmentée. Le procédé de fabrication du lieu, à déposer électrolytiquement un tampon de contact de détecteur conduit à une couche compensée à la surface du barrière et un tampon de contact ohmique en or sur la couche substrat en sulfure de cadmium, cette couche protégeant le de métallisation de contact de manière que ces tampons de dispositif lorsqu'il est soumis à des tensions électriques trop contact dépassent au-dessus de la couche isolante. 5 élevées.
De façon précise, l'invention a pour objet un détecteur photovoltaïque à barrière de Schottky convenant à la détection de rayonnements ultraviolet et infrarouge, caractérisé La présente invention se rapporte à des détecteurs de ra- par le fait qu'il comprend: un substrat en sulfure de cadmium diations à semi-conducteurs et à leur procédé de fabrication et w présentant une surface supérieure et une surface inférieure;
elle vise plus particulièrement un détecteur photovoltaïque au une structure de protection contre le rayonnement infrarouge, sulfure de cadmium, à barrière de Schottky et son procédé de recouvrant la surface supérieure de ce substrat et comprenant fabrication. une couche en un matériau qui est pratiquement opaque au
Il existe une forte demande pour les installations optiques rayonnement infrarouge, cette structure de protection ayant de techniques avancées, par exemple les installations de gui- 15 un contour tel qu'il contient une première fenêtre centrale;
dage optique de missiles de recherche, pour des détecteurs de une couche isolante recouvrant cette structure de protection radiations à semi-conducteurs, possédant un rendement élevé contre les rayonnements infrarouges et percée d'une seconde et ayant un temps de réponse faible. Dans ces installations, un fenêtre centrale et d'une fenêtre latérale, cette seconde fenêtre tel détecteur doit avoir une forte réponse jusqu'au voisinage centrale étant en coïncidence avec la première fenêtre centrale de l'ultraviolet (U V) mais il doit être pratiquement insensible 20 mais un peu plus petite que celle-ci; une couche de métallisa-aux radiations du spectre visible. tion à barrière de Schottky disposée dans la seconde fenêtre
On a déjà proposé des photodiodes au silicium pour de centrale et recouvrant en totalité la partie du substrat qui y est telles applications, mais de telles photodiodes ont l'inconvé- logée, cette couche de métallisation à barrière de Schottky nient d'être sensibles au spectre visible sur une étendue d'envi- étant suffisamment mince pour être pratiquement transpa-ron 8000 Â, et il faut donc les utiliser en association avec des 25 rante aux rayonnements ultraviolet et infrarouge; des moyens moyens de filtrage optique servant à éliminer les radiations vi- disposés au-dessus de la surface supérieure du substrat, ces sibles. En outre, ces ensembles détecteur-filtre possèdent un moyens constituant un contact de barrière traversant la se-rendement relativement faible, par exemple de 30% ou même conde fenêtre centrale et laissant à nu la majeure partie de la moins. couche de métallisation à barrière de Schottky; et des moyens
On a déjà utilisé des détecteurs de radiations à semi-con- 30 disposés au-dessus de la surface supérieure de ce substrat et ducteurs au sulfure de cadmium, mais les propriétés bien con- constituant un contact ohmique qui traverse la fenêtre la-nues des détecteurs au sulfure de cadmium indiquent qu'ils térale.
sont utiles surtout dans la gamme des radiations visibles et L'invention a également pour objet un procédé de fabrica-
qu'ils sont relativement insensibles au rayonnement ultravio- tion d'un détecteur photovoltaïque à barrière de Schottky seiet. Il convient de réaliser un détecteur de radiations à semi- 35 Ion l'une des revendications 1 à 5, ce procédé étant caractérisé conducteurs qui soit sensible à l'ultraviolet proche, et aux ra- par le fait qu'il consiste à découper une plaquette dans un lin-diations visibles de faible longueur d'onde, mais transparent à got de sulfure de cadmium monocristallin, cette plaquette pré-l'infrarouge. Cela est particulièrement vrai si l'on peut fabri- sentant une surface supérieure et une surface inférieure planes quer un détecteur possédant un fort rendement et présentant et parallèles entre elles, qui sont perpendiculaires à l'axe C du une zone optiquement active relativement petite, de manière à 40 cristal hexagonal, du sulfure de cadmium, à roder, polir et dépouvoir être utilisée en association avec des dispositifs opti- caper à l'acide la surface supérieure de cette plaquette afin ques de résolution élevée. De bonnes propriétés de transmis- d'obtenir un substrat présentant une surface supérieure lisse et sion du rayonnement infrarouge (IR) permettent d'utiliser le une surface inférieure; à déposer et façonner une structure de détecteur en association avec un détecteur à infrarouge, de protection contre le rayonnement infrarouge, à la surface su-manière à former un transducteur coaxial pouvant être utilisé 45 périeure du substrat, y compris une couche en un matériau en association avec des dispositifs optiques non filtrés de réso- pratiquement opaque au rayonnement infrarouge, cette struc-lution élevée. ture de protection contenant une première fenêtre centrale; à
Au cours de ces dernières années, on a proposé comme dé- déposer et façonner une couche isolante au-dessus de la struc-tecteurs de radiations des diodes au sulfure de cadmium, à ture de protection contre le rayonnement infrarouge, cette barrière de Schottky. En gros, une diode à barrière de 50 couche isolante étant percée d'une seconde fenêtre centrale et
Schottky est une diode de jonction dans laquelle la jonction se d'une fenêtre latérale, cette seconde fenêtre centrale étant en fait entre un matériau semi-conducteur et un contact métalli- coïncidence avec la première fenêtre centrale mais étant un que, au lieu de se faire entre des matériaux semi-conducteurs peu plus petite que celle-ci; à déposer et façonner une couche dissemblables ou du type à porteurs, comme dans le cas d'une de métallisation à barrière de Schottky à l'intérieur de la se-diode ordinaire PN. Dans la technique antérieure, on décrit 55 conde fenêtre centrale de manière qu'elle recouvre complète-un détecteur photovoltaïque au sulfure de cadmium et au pia- ment la partie du substrat qui y est logée, cette couche de mé-tine à barrière de Schottky possédant un contact ohmique et tallisation à barrière de Schottky étant suffisamment mince un contact de barrière disposés de part et d'autre du substrat pour être pratiquement transparente aux rayonnements ultra-en sulfure de cadmium. Ce détecteur connu possède un rende- violet et infrarouge; et à déposer et façonner un contact de ment élevé dans le spectre ultraviolet, et de bonnes propriétés 60 barrière et un contact ohmique dépassant au-dessus de la sur-de transmissions dans l'infrarouge. face supérieure du substrat et traversant respectivement la se-
Le détecteur perfectionné selon l'invention se prête mieux conde fenêtre centrale et la fenêtre latérale, le contact de barque les détecteurs de la technique antérieure à la fabrication rière laissant à nu la majeure partie de la couche de métallisa-en série et à des opérations de montage en série, et facilite la fi- tion à barrière de Schottky.
xation des fils métalliques par application de procédés de fixa-65 Selon une forme de réalisation de l'invention, on com-tion rapide, qui sont plus sûrs et qui diminuent le temps et mence par former une structure de protection contre le rayon-l'effort nécessaires pour former des contacts électriques sur le nement infrarouge sur la surface supérieure d'un substrat au dispositif. En outre, la sûreté globale de fonctionnement du sulfure de cadmium non endommagé et poli. Cette structure
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est constituée de préférence par une couche d'or (d'une épaisseur d'environ 1500 Â) opaque au rayonnement infrarouge, intercalée entre deux couches minces de titane, d'une épaisseur d'environ 300 Â. Ces couches de titane jouent le rôle d'éléments de liaison. On donne à cette structure de protection contre le rayonnement infrarouge la forme approximative d'un motif carré, en laissant à nu une petite partie centrale du substrat, qui constitue la zone optiquement active. Une couche relativement epaisse de dioxyde de silicium (d'une épaisseur de préférence d'environ 5000 Â) recouvre la structure de protection contre le rayonnement infrarouge de manière à empêcher la diminution des couches ultérieures qui s'y déposent. On perce à l'acide, dans la couche isolante en dioxyde de silicium, deux fenêtres dont l'une coïncide avec la zone centrale optiquement active du substrat et dont l'autre est située sur le côté de cette zone qui recevra plus tard le contact ohmique.
La métallisation par barrière de Schottky consiste de préférence en une couche très mince de platine déposée directement sur le substrat et qui remplit complètement la fenêtre centrale percée dans la couche en dioxyde de silicium. Une couche limite, de préférence en un matériau tel que le tungstène, l'or, un alliage de nickel et chrome ou un alliage de nik-kel, chrome et fer, recouvre le pourtour de la couche en platine et empêche la métallisation du contact de barrière de nuire aux propriétés de la barrière de Schottky.
La métallisation du contact de barrière consiste avantageusement en une couche adhésive en titane et une couche d'or. On augmente l'épaisseur de la couche d'or jusqu'à ce qu'elle atteigne environ 30000 Â, par dépôt électrolytique. On forme le contact ohmique en même temps que le contact de barrière. La seconde fenêtre, percée dans la couche au dioxyde de silicium en même temps que la fenêtre centrale, permet à la métallisation du contact ohmique d'atteindre la structure de protection contre le rayonnement infrarouge. Cette structure de protection contre le rayonnement forme, à son tour, un contact ohmique avec le substrat en sulfure de cadmium, en raison de sa couche adhésive inférieure en titane. On soude des fils conducteurs en or sur les surfaces supérieures des parties en or du contact ohmique et du contact de barrière, par thermo-compression ou aux ultrasons.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, diverses formes de réalisation.
Sur ces dessins,
les figures 1 à 9 constituent une série de coupes transversales verticales représentant les divers stades de la fabrication d'un détecteur à rayonnement ultraviolet, selon une première forme de réalisation de l'invention.
Les figures 10A et 10B sont respectivement une coupe verticale et une vue en plan de dessus du détecteur à rayonnement ultraviolet des figures 1 à 9, une fois terminé. Ces figures montrent également le mode de fixation des fils conducteurs en or sur le contact de barrière et sur le contact ohmique.
La figure 11 est une coupe verticale d'un détecteur à rayonnements ultraviolet et infrarouge, formé de plusieurs couches, correspondant à une seconde forme de réalisation de l'invention.
Les figures 12 à 19 représentent une série de coupes verticales qui, avec les figures 1 et 2, représentent les divers stades de la fabrication d'un détecteur à ultraviolets correspondant à une troisième forme de réalisation de l'invention; et la figure 20 est une coupe verticale du détecteur à ultraviolets des figures 1,2 et 12 à 19, une fois terminé. Cette figure montre les fils conducteurs en or attachés au contact ohmique et au contact de barrière.
Comme on vient de le signaler, les figures 1 à 9 et 10A et
10B représentent une première forme de réalisation de l'invention, aux divers stades de sa fabrication. Sur la figure 1, la surface supérieure est riche en cadmium tandis que la surface inférieure est riche en soufre, et la flèche indique la direction de s l'axe C. La forme générale du détecteur selon l'invention est particulièrement bien visible sur la figure 10B. Ce détecteur comprend une pièce plate et carrée constituée par un substrat 30 au sulfure de cadmium sur lequel est déposée directement une petite structure 32 de forme carrée de protection contre le xo rayonnement infrarouge, et dont le pourtour extérieur est représenté en trait interrompu. Une couche isolante 34 en dioxyde de silicium recouvre cette structure de protection contre les infrarouges. Une couche métallique mince 36 à barrière de Schottky est déposée directement sur ce substrat en sulfure 15 de cadmium dans une zone centrale optiquement active entourée par la structure isolée de protection contre le rayonnement infrarouge. Un contact ohmique et un contact de barrière 38 et 40 touchent respectivement la structure de protection contre les infrarouges et une bague 42a formant couche 20 limite (figure 10A) recouvrant le pourtour de la couche 36 à travers des fenêtres distinctes percées dans la couche isolante en dioxyde de silicium. Comme représenté sur les figures 10A et 10B, le contact de barrière 40 est de forme pratiquement cylindrique. Ce contact de barrière pénètre dans la fenêtre 25 centrale de la couche isolante, en laissant à nu la majeure partie de la couche de Schottky 36. Deux éléments plats 44 partent de points diamétralement opposés de cette bague. Des conducteurs 46 et 48 en or sont fixés respectivement au contact ohmique 38 et au contact de barrière 40, le conducteur 48 30 étant fixé à l'un des éléments plats 44 du contact de barrière.
Il convient de se rappeler que le détecteur représenté sur les figures 10A et 10B est un dispositif micro-électronique. A titre d'exemple, la couche isolante 34 peut mesurer 0,965 mm sur un côté et la partie à nu de la couche métallique 36 à bar-35 rière de Schottky peut avoir un diamètre de 0,101 mm. Dans les diverses figures, on n'a pas respecté les dimensions relatives des diverses couches de manière à faciliter la compréhension de la structure des formes de réalisation représentées. De plus, sur les figures 2 à 9 et 12 à 19, on a omis, pour plus de 40 clarté, de représenter en élévation les diverses couches dans la fenêtre centrale.
En se reportant aux figures 1 à 9 et 10A, on décrira de façon détaillée la structure monolithique de la première forme de réalisaton ainsi que son procédé de fabrication. On com-45 prend aisément que l'on peut fabriquer simultanément toute une série de détecteurs sur une même plaquette semi-conductrice, suivant une disposition convenable par exemple suivant une matrice de 5 x 5. On découpe une plaquette d'épaisseur convenable, par exemple 1 mm, dans un lingot de sulfure de 50 cadmium monocristallin par exemple du type vendu par la Société Eagle-Picher ou la Société Cleveland Crystals Company. Un tel matériau est défini comme étant du type N et possédant une résistivité de 1 à 20 ohms-cm, et comme possédant une concentration de barrière de 1015 à 1016 cm-3 et une 55 mobilité de transport d'au moins 200 cm2—v~ 'sec-1. La meilleure direction pour découper la plaquette est une direction telle que l'axe (c) du cristal hexagonal soit perpendiculaire à la surface de la plaquette, comme représenté sur la figure 1. Cette plaquette constitue le substrat 30 en sulfure de 60 cadmium du détecteur. Dans ce qui suit, la référence 30 sera utilisée indifféremment pour désigner la plaquette et le substrat. On attaque cette plaquette dans une solution d'acide chlorhydrique pour identifier ses faces d'orientation positive et d'orientation négative, à savoir respectivement la face riche 65 en soufre et la face riche en cadmium (figure 1).
La plaquette 30 est posée sur un support et on la rode pour lui donner l'épaisseur voulue, épaisseur comprise par exemple entre environ 0,5 et 0,75 mm. On peut, sans nuire aux
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propriétés photovoltaïques du détecteur, faire varier considé- ques, de façon que les trois couches métalliques qui consti-
rablement l'épaisseur du substrat 30 en sulfure de cadmium, tuent la structure de protection contre le rayonnement infra-c'est-à-dire l'épaisseur de la plaquette, au-delà de cette gamme rouge aient toutes la même forme carrée et comprennent une de valeurs. Pour effectuer le rodage, on peut monter la pia- fenêtre centrale ronde 54 (figure 2) qui constituera la zone op-
quette sur un support de rodage, et la placer sur une plaque 5 tiquement active par laquelle peuvent passer les rayons infra-
rotative de rodage en acier, d'un type connu. On peut appli- rouges.
quer toutes les 30 secondes, une boue de rodage par exemple Après avoir façonné la structure de protection contre le de la poudre d'aluminium à grains de 5 microns, dans de rayonnement infrarouge, on installe la plaquette sur un appa-
l'huile Micro Oil No. 1. On peut roder la plaquette sur ses reil de pulvérisation cathodique et l'on dépose une couche de deux faces de manière à obtenir des surfaces bien parallèles 10 dioxyde de silicium de façon à former la couche isolante 34 entre elles, et on poursuit l'opération de rodage jusqu'à obten- (figure 3). Comme appareil de pulvérisation cathodique, on tion de l'épaisseur désirée. peut utiliser l'appareil fabriqué par la Société Balzer's High
Après l'opération de rodage, on polit la plaquette à l'aide Vacuum Company. La couche isolante en dioxyde de silicium d'un tissu de polissage en feutre appliqué sur une roue en ro- recouvre la structure de protection contre le rayonnement in-
tation. Le début du polissage s'effectue à l'aide d'un composé 15 frarouge et son épaisseur peut être comprise entre environ 500
de polissage en poudre de diamant à grains de 1 micron, et il et environ 20000 Â, et mieux, égale à environ 5000 Â.
est suivi d'un polissage final à l'aide d'un composé de polis- On fait appel à des procédés photo-lithographiques classi-sage à grains de 1 /4 de micron. De préférence, on nettoie le ques pour réaliser le motif à couche isolante désiré. La couche support utilisé pour l'opération de polissage entre les opéra- isolante 34 (figure 10B) est, en gros, de forme carrée, et elle est tions successives de polissage, de façon à empêcher toute con- 20 percée d'une première et d'une seconde fenêtres. La première tamination par l'abrasif qui vient d'être utilisé. On comprend fenêtre 56 (figure 3) correspond, par sa position et par sa aisément que les diverses couches du détecteur ne sont dépo- forme d'ensemble, à la première fenêtre 54 (figure 2) percée sées que sur sa surface supérieure. Il n'y a donc pas lieu de dans la structure 32 de protection contre le rayonnement in-procéder à un rodage et un polissage de la surface inférieure. frarouge, mais elle est un peu plus petite que celle-ci. En d'au-La dernière opération de préparation de la plaquette con- 25 très termes, la seconde fenêtre centrale 56 coïncide avec la pre-siste à utiliser un produit de polissage acide qui retire de la mière fenêtre centrale 54 mais elle est un peu plus petite. Ces surface supérieure de la plaquette le sulfure de cadmium non deux fenêtres sont de forme ronde. On remarquera que, sur les cristallin et donne à cette surface un aspect lisse et un polis- figures 2 et 3, la couche isolante 34 chevauche les bords inté-sage spéculaire sans aucun défaut. On utilise une roue munie rieurs de la structure de protection contre le rayonnement inde flasques pour retenir la solution de polissage acide, dont 30 frarouge, qui délimitent la fenêtre 54 et que cette couche iso-l'ingrédient actif est de l'acide nitrique ou de l'acide chlorhy- lante vient au contract du substrat 30 en sulfure de cadmium, drique. Après ce polissage acide, on rince la plaquette, on la La seconde fenêtre 58 (figure 3) percée dans la couche isolante nettoie et on la sèche. 34 est située à une certaine distance de la première fenêtre et
La plaquette 30 étant ainsi terminée, on la monte sur un elle contient le contact ohmique 38 (figure 10B) comme on support, qui est de façon plus précise, une plaque de verre de 35 l'expliquera plus loin. En attaquant la couche isolante 34 à
25 mm x 35 mm x 0,81 mm, en vue de faciliter la manipula- l'acide pour percer la fenêtre 58, on retire une petite fraction tion. On pose cette plaque de verre qui porte la plaquette, de celle des couches 52 qui est la couche supérieure.
dans un appareil de dépôt sous vide de type classique. Dans la La pulvérisation cathodique endommage la surface supér-
description qui va suivre, l'étude sera centrée sur la formation ieUre du substrat en sulfure de cadmium, ce qui peut avoir d'un unique détecteur à la partie supérieure de la plaquette en 40 comme conséquence fâcheuse, de nuire au fonctionnement du sulfure de cadmium, mais il est bien entendu qu'en réalité, détecteur. On supprime les dégâts en soumettant la plaquette toute une série de tels détecteurs sont confectionnés simulta- à une opération de recuit à la température appropriée, pen-
nément en divers endroits de la partie supérieure de la pia- dant une durée donnée, par exemple, pendant 15 minutes, à
quette. une température d'environ 275 °C.
Dans l'appareil de dépôt sous vide, on dépose plusieurs 45 Après l'opération de recuit, on utilise une mince couche couches de matériau à la partie supérieure du substrat 30 de photo-sensible comme cache 60 (figure 4) pour la métallisa-
sulfure de cadmium, afin de constituer la structure 32 de pro- tion de la barrière de Schottky. Ce cache recouvre la plaquette tection contre le rayonnement infrarouge (figure 2). Les tem- à l'exception de la fenêtre centrale 56 et de l'épaulement inté-
pératures de dépôt peuvent être comprises entre environ 20 °C rieur 62 de la couche isolante 34. Pour constituer ce cache, on et environ 275 °C, selon le type de métal que l'on dépose. On 50 peut déposer une couche photo-sensible sur toute la surface de forme la structure de protection contre le rayonnement infra- la plaquette. Puis on masque cette couche dans les zones où le rouge, sur la surface supérieure du substrat en sulfure de cad- produit photo-sensible doit subsister et on soumet la partie mium, cette surface supérieure étant la face riche en cadmium centrale à de la lumière ultraviolette. Le produit photo-sensi-
de la plaquette. De préférence, la structure de protection con- ble ainsi exposé est ensuite développé et chassé par dissolution tre le rayonnement infrarouge est constituée par une couche 55 chimique en laissant ainsi à nu la fenêtre centrale 56 et l'épau-
50 en or opaque au rayonnement infrarouge, et intercalée en- lement 62.
tre deux couches minces 52 d'un métal adhésif. Cette couche Après formation du cache, on installe la plaquette dans un d'or peut avoir une épaisseur comprise entre environ 500 Â et appareil à vide de type classique, dans lequel deux couches de environ 10000 Â. De préférence, si la couche 50 est en or, son métallisation se déposent sur toute la surface de la plaquette épaisseur doit être d'environ 1500 Â. Le métal adhésif est de 60 (non représentée) par évaporation par faisceau d'électrons, préférence du titane mais on peut utiliser également de l'alu- On dissout ensuite le cache photo-sensible 60 en projetant un minium, du magnésium, du zirconium, de l'hafnium, ou des jet d'acétone à la surface de la plaquette. Cela a pour effet alliages combinant ces divers métaux. De préférence, la cou- également d'enlever les deux couches de métallisation, sauf che d'or est intercalée entre deux couches relativement minces dans la fenêtre centrale du cache photo-sensible, comme rede titane qui peuvent avoir chacune une épaisseur comprise 65 présenté sur la figure 5. Sur cette figure, celle de ces deux cou-entre environ 50 Ä et environ 5000 Â, et mieux une épaisseur ches de métallisation qui est la plus basse, et dont une partie de 300 Â. repose directement à la partie supérieure du substrat 30, est la On fait appel à des procédés photo-lithographiques classi- couche de métallisation 36 à barrière de Schottky. Celle de ces
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deux couches qui est en haut, est la couche limite 42. Il est im- Après ce dépôt électrolytique, on retire le produit photoportant que toute la zone à nu du substrat dans la fenêtre 56 sensible et on enlève à l'acide, comme représenté sur la figure (figure 4) soit recouverte par la couche 36. C'est pourquoi on 8, les parties de la couche de métallisation 66 par contact qui donne au cache une forme telle qu'il laisse à nu la fenêtre 56 ne se trouvent pas sous les tampons 70 et 72. Puis, les parties ainsi que l'épaulement 62. Cela a pour conséquence la forma- 5 de la couche adhésive qui ne se trouvent pas sous les tampons tion de deux couches 36' et 42' en forme d'anneau (figure 5) à la 70 et 72 sont enlevées à l'acide, comme représenté sur la figure partie supérieure de l'épaulement 62. Comme expliqué plus 9. Cette opération laisse le contact ohmique 38 et le contact de loin, on enlève à l'acide la partie centrale de la couche limite barrière 40 isolés l'un de l'autre. En considérant les figures 8 42 et son pourtour (42a sur la figure 9) subsiste de manière à et 9, dans leur ensemble, on peut donc constater que le contact empêcher la métallisation de la barrière de contact de nuire 10 ohmique complet 38 est constitué par les parties de couche aux propriétés de la barrière de Schottky formée à la jonction 66a et 66b, 68a et 68b et par le tampon 70. De même, le con-entre la couche métallique 36 et le substrat 30 en sulfure de tact de barrière 40 complet est constitué par les parties de cou-cadmium. che 66c, 66d, 68c et 68d et par le tampon 72. Enfin, on enlève
Cette couche métallique 36 à barrière de Schottky peut à l'acide, la partie de la couche limite 42 (figure 8) qui ne se
être en platine, en or, en iridium ou en des alliages combinant 15 trouve pas au-dessous du tampon 72 de manière à mettre à nu ces divers métaux. Toutefois, la couche 36 est de préférence en la couche métallique 36 à barrière de Schottky, comme repré-
platine. senté sur la figure 9. La bague restante 42a de la couche limite
Cette couche 36 doit être suffisamment mince pour être (figure 9) recouvre le pourtour de la couche de Schottky 36.
pratiquement transparente à la fois au rayonnement ultravio- Elle empêche la partie 66c de la couche adhésive, qui est avan-
let et au rayonnement infrarouge. 20 tageusement en titane, de nuire aux propriétés de la barrière
A titre d'exemple si la couche 36 est en platine, on peut lui de Schottky formée entre la couche 36 et le substrat 30 en sul-
donner une épaisseur comprise entre environ 5 et environ fure de cadmium. La bague 42 de la couche limite n'est pas
50 Â, et mieux de 15 Â. On règle l'épaisseur du platine à 5 Â absolument indispensable et on peut la supprimer dans les cas près, en utilisant un profilomètre Talystep I. où la couche adhésive 66 est en un métal qui ne peut pas for-
La couche limite 42 peut être en or, en tungstène, en al- 25 mer un contact du type ohmique entre la couche 66c et la cou-
liage de nickel et chrome, en alliage de nickel, chrome et fer, che métallique 36 à barrière de Schottky.
en iridium, en rhénium, en palladium, en rhodium ou en des Puis on installe la plaquette retournée sur un support en alliages associant ces divers métaux. De préférence, la couche vue du rodage, la surface inférieure non traitée de cette pla-
42 est en or et son épaisseur est comprise entre environ 100 et quette étant tournée vers le haut. Il est indispensable d'empê-
environ 300 Â. En tout cas, la couche 36 et la couche 42 ne 30 cher les diverses couches de matériaux qui se sont déposées à
peuvent pas être du même métal. la surface supérieure de la plaquette d'être endommagées. A
Puis on installe de nouveau la plaquette 30 dans l'appareil cette fin, on applique une certaine quantité de cire sur le sup-
à vide où on la porte à la température voulue, comprise entre port pour empêcher le détecteur de venir au contact des par-
environ 20 °C et environ 235 °C, selon le type de métallisation ties métalliques du support de rodage. On rode la face infé-
à contact ohmique et à contact de barrière quel'on utilisera. 35 rieure de la plaquette jusqu'à ce qu'elle ait l'épaisseur voulue,
De préférence, on porte la plaquette à une température d'en- par exemple 0,152 mm, et l'on polit la surface inférieure viron 175 °C. Puis, on dépose sur toute la surface de la pia- comme indiqué plus haut, en même temps que l'on rode et quette, une couche adhésive de contact 66 d'une épaisseur que l'on polit la surface supérieure. On comprendra aisément comprise entre environ 50 Â et environ 5000 Â, et mieux de que les opérations de rodage et de polissage de la surface infé-
300 A (figure 6). De préférence, cette couche adhésive de con- 40 rieure ne sont nécessaires que si l'on doit déposer des couches tact est en titane, mais on peut également utiliser du ni- sur cette surface, par exemple pour la formation de contacts chrome, du chrome ou du tungstène. Tandis que la plaquette ohmiques sur les faces inférieures du substrat en sulfure de est encore dans l'appareil à vide, on dépose une couche de mé- cadmium ou dans les cas où le dispositif est destiné à être uti-
tallisation par contact 68 (figure 6) sur la couche adhésive de lisé dans un détecteur à plusieurs couches.
contact qui vient d'être déposée. Cette couche de métallisa- 45 De plus, l'épaisseur définitive du substrat n'a pas une va-
tion peut être en or ou en aluminium. De préférence, cette leur imposée rigoureusement. Cette épaisseur définitive n'est couche de métallisation 68 est en or et son épaisseur est com- limitée que par le fait que l'on désire que le détecteur, une fois prise entre environ 1000 et environ 2000 Â. terminé, se présente sous la forme d'une plaquette relative-
On retire la plaquette de l'appareil à vide, et on lui appli- ment plate.
que sur toute sa surface une couche de produit photo-sensible 50 Après que l'on a rodé et poli la surface inférieure de la pla-(non représentée). On forme une image inversée dans cette quette, on démonte cette dernière de son support, on la net-couche photo-sensible, de manière que l'on puisse déposer toie et on la sèche. Des opérations convenables de nettoyage électrolytiquement deux tampons de contact 70 et 72 (figure et de séchage sont décrites dans le brevet des Etats-Unis d'A-7) sur la plaquette pour compléter respectivement le contact mérique no. 4 000 502. On vérifie si le détecteur ne présente ohmique 38 et le contact de barrière 40, comme représenté. 55 pas de retassures dans la structure 32 de protection contre le Le tampon 70 remplit complètement la fenêtre latérale 52 rayonnement infrarouge. La présence de telles retassures est et il possède des faces qui sont raccordées à deux parties en fâcheuse étant donné qu'elles permettent à des radiations exgradins 68a et 68b de la couche de métallisation 68. Le tam- térieures de traverser le substrat en sulfure de cadmium en des pon 72 comporte une partie cylindrique inférieure logée dans endroits autres que la fenêtre centrale 56. De telles retassures la fenêtre centrale 36, cette partie cylindrique présentant des 60 gênent le bon fonctionnement d'un détecteur à infrarouge ins-surfaces qui sont reliées à deux parties en gradins 68c, 68d de tallé au-dessus du substrat en sulfure de cadmium, lorsque le la couche 68. détecteur selon l'invention est utilisé dans un ensemble à plu-
Les tampons 70 et 72 sont en un métal du même type que sieurs couches à ultraviolets et à infrarouge.
celui de la couche de métallisation de contact 68. De préfé- On installe la plaquette sur un socle et on la découpe en rence, ces tampons sont faits avec de l'or que l'on dépose par 65 plusieurs détecteurs à l'aide d'une scie et d'une boue abrasive,
dépôt électrolytique jusqu'à ce que l'épaisseur totale du tam- On peut avantageusement utiliser une scie fabriquée par la pon 70 et de la partie 68a ou du tampon 72 et de la partie 68c, Société South Bay Technology. Une telle scie contient une soit égale à environ 50000 Â. lame d'un diamètre d'environ 0,125 mm. La boue abrasive
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peut consister en une poudre d'alumine à grains de 5 microns les figures 12 à 20, remédie à cet inconvénient et garantit de la dans du glycérol et de l'eau. sorte le fonctionnement sûr de la couche isolante. Sur les figu-
Enfin, on fixe les fils conducteurs 46 et 48 en or (figure res 1 à 21, les éléments homologues sont désignés par les mê-10A) respectivement au contact ohmique 36 et au contact de mes numéros de référence, sauf indication contraire. Les prebarrière 40, par thermo-compression ou aux ultrasons. On s miers stades du procédé de réalisation de la troisième forme trouve facilement sur le marché des appareils pour effectuer de réalisation sont les mêmes que ceux qui ont été exposés à une telle fixation des fils conducteurs à grande vitesse, et une propos des figures 1 et 2. Après que l'on a formé la structure telle fixation à grande vitesse se trouve facilitée par le fait que 32 de protection contre le rayonnement infrarouge, on installe le contact ohmique et le contact de barrière se trouvent tous la plaquette dans un appareil de pulvérisation cathodique où deux du même côté du substrat. Il n'y a pas besoin d'appli- io elle subit un chauffage préalable et on dépose une première quer de la résine époxy conductrice pour fixer des fils conduc- couche relativement mince (80) de dioxyde de silicium (figure teurs à leurs contacts respectifs. La fixation par thermo-com- 12) d'une épaisseur d'environ 1000 A, de manière qu'elle repression provoque la formation de lobes 74 en forme de couvre toute la surface de la plaquette.
champignon aux extrémités des fils métalliques qui sont fer- On façonne ensuite cette couche par des procédés photoli-
mement fixés aux tampons en or 70 et 72, à supposer que l'on i5 thographiques de manière à former la première fenêtre 58 que ait utilisé de l'or pour la métallisation de contact. La figure l'on a déjà décrite à propos de la première forme de réalisa-10 A représente en élévation, les couches 42a, 66c, 68c qui en- tion. Ici encore, les dégâts provoqués dans le substrat en sul-tourent la fenêtre centrale 56. fure de cadmium à la suite de la pulvérisation cathodique peu-
Le procédé que l'on vient d.e décrire et selon lequel se for- vent être éliminés si l'on soumet la plaquette à un recuit pen-ment les diverses couches du détecteur résulte dans la forma- 20 dant environ 15 minutes à une température d'environ 275 °C. tion d'une couche compensée 76 (figure 10A) près de la sur- Après cette opération de recuit, on dépose et l'on façonne face supérieure du substrat 30. Sa limite inférieure plane est la couche métallique 36 à barrière de Schottky et la couche li-indiquée par la ligne en trait mixte sur la figure 10A. Cette mite de métallisation 42, comme représenté sur les figures 13 couche de compensation constitue une zone d'avalanche qui et 14, les stades du procédé étant identiques à ceux qui ont été protège le détecteur dans les cas où il est soumis à une tension 25 décrits à propos des figures 4 et 5.
électrique trop forte. Cela peut se produire lorsque de l'électri- Puis on installe de nouveau la plaquette dans l'appareil de cité statique se décharge d'une personne vers le dispositif, par pulvérisation cathodique et l'on dépose, à la partie supérieure l'intermédiaire de contacts comme des sondes par exemple. de la première couche 80 en dioxyde de silicium, une seconde Un détecteur non protégé peut présenter une différence de po- couche 82, relativement épaisse, de dioxyde de silicium (figure tential de plusieurs centaines de volts entre les deux faces de la30 15) d'une épaisseur d'environ 4000 A. Ici encore, on fait appel couche isolante 34. Une telle différence de potentiel peut pro- à des procédés photo-lithographiques pour façonner la se-voquer, dans la couche isolante, un claquage diélectrique qui conde couche isolante 82 en vue de former la première fenêtre risque d'endommager le détecteur de façon définitive. La cou- 56 et la seconde fenêtre 58. Mais, dans le cas présent, on fache compensée 76 permet au champ électrique à l'intérieur du çonne la seconde couche en dioxyde de silicium de manière à substrat en sulfure de cadmium de se former plus vite que 35 obtenir une fenêtre 56' dans la zone active un peu plus petite dans la couche isolante. Lorsque le champ électrique dans le que la fenêtre qui a été percée à l'acide dans la première cou-substrat en sulfure de cadmium dépasse une certaine valeur de che 80 en dioxyde de silicium. Une unique opération d'atta-seuil, il se forme, par effet d'avalanche, un trajet conducteur à que à l'acide enlève à la fois des parties des couches isolantes l'intérieur du substrat semi-conducteur. Lorsque la différence 80 et 82 et de celle des couches 52 qui est la plus haute, de ma-de potentiel s'annule, lecourant cesse de passer et le détecteur 40 nière à former la fenêtre 58.
n'est pas endommagé de façon définitive.
La figure 11 représente une seconde forme de réalisation On dépose la couche adhésive 66 et la couche 68 de métal-
de l'invention, consistant en un détecteur à ultraviolets et à in- lisation à la partie supérieure de la plaquette (figure 16) de la frarouges, à plusieurs couches. La partie supérieure de ce dé- même manière que ce qui a été expliqué à propos de la figure 6 tecteur est identique à la première forme de réalisation du dé- 45 pour la première forme de réalisation. On forme les tampons tecteur à rayonnement ultraviolet de la figure 10A et de la de contact 70 et 72 par dépôt électrolytique, comme repréfigure 10B, que l'on vient de décrire. La partie inférieure de ce senté sur la figure 17. Et, d'une manière analogue à ce qui a détecteur est un détecteur à rayons infrarouges 78 constitué été fait à propos de la première forme de réalisation, les par-par une diode photovoltaïque à jonction P-N. On peut avan- ties des couches 66 et 68 qui ne se trouvent pas sous les tam-tageusement utiliser une diode comportant des semi-conduc- 50 pons de contact 70 et 72 sont retirées à l'acide, l'une après teurs en antimoniure d'indium. De préférence, le détecteur 78 l'autre, comme indiqué sur les figures 16 et 19. Cela a pour ef-à infrarouges est installé tout près de la surface inférieure du fet d'isoler le contact ohmique 38 et le contact de barrière 40 détecteur à ultraviolets. En d'autres termes, les matériaux se- l'un de l'autre. Et, comme indiqué sur la figure 19, la partie à mi-conducteurs P-N qui constituent le détecteur à infrarou- nu de la couche limite 42 est retirée à l'acide dans la fenêtre ges ne sont pas liés directement à la surface inférieure du subs-55 centrale 56, en laissant l'anneau 42a de la couche limite.
trat en sulfure de cadmium du détecteur à ultraviolets. La Enfin, comme représenté sur la figure 20, on fixe les fils structure 32 de protection contre le rayonnement infrarouge métalliques conducteurs 46 et 48 en or, respectivement sur le du détecteur à ultraviolets s'étend de préférence au-delà des contact ohmique 38 et sur le contact de barrière 40, par ther-bords latéraux du détecteur 78 à infrarouges, de telle sorte que mo-compression ou aux ultrasons comme cela a été pratiqué ce dernier ne reçoit le rayonnement infrarouge que par la fenê-60 à propos de la première forme de réalisation. Le traitement de tre centrale 56 du détecteur à ultraviolets. la surface inférieure de la plaquette, le sciage de cette pla-
On sait que le dioxyde de silicium assure mal la fixation en quette en plusieurs détecteurs distincts, et l'essai final de cha-ce qui concerne certaines surfaces en sulfure de cadmium. La cun de ces détecteurs, peuvent s'effectuer de la manière qui a troisième forme de réalisation de l'invention, représentée sur été expliquée à propos de la première forme de réalisation.
C
3 feuilles dessins
CH111581A 1980-03-07 1981-02-19 Detecteur photovoltaique au sulfure de cadmium, a barriere de schottky et son procede de fabrication. CH641913A5 (fr)

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