FR2471053A1 - Semiconductor device, esp. photovoltaic infrared detector - where transparent cadmium telluride substrate is machined to form convex lens increasing efficiency of detection - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les dispositifs semiconducteurs photodétecteurs en particulier sensibles aux rayonnements infrarouges nécessitant une grande surface de détection tout en maintenant une performance satisfaisante. The present invention relates to photodetector semiconductor devices in particular sensitive to infrared radiation requiring a large detection surface while maintaining a satisfactory performance.
Les détecteurs photovoltaiques infrarouges sont bien connus ; ils sont habituellement formés selon la technique planar à partir d'un substrat en matériau semi-conducteur présentant un premier type de conductivité et une zone présentant un second type de conductivité formant une jonction avec la région du premier type. Infrared photovoltaic detectors are well known; they are usually formed according to the planar technique from a semiconductor material substrate having a first conductivity type and an area having a second conductivity type forming a junction with the region of the first type.
De tels détecteurs sont usuellement formés à partir d'un alliage de trois éléments dont les différentes proportions permettent de faire varier la largeur de la bande interdite et par là la gamme de la longueur d'onde de réponse du détecteur. Such detectors are usually formed from an alloy of three elements whose different proportions make it possible to vary the width of the forbidden band and hence the range of the detector response wavelength.
De tels détecteurs présentant une large surface de détection sont difficiles à fabriquer, fournissent de mauvais rendements et ont une forte capacité électrique qui limite leur uti- lisation en haute fréquence. De plus ils ne sont généralement pas "BLIP" (bacs ground limited in performance). Les détecteurs
BLIP sont caracterisés par des performances de détection uniquement limitées par le courant de fond ambiant, seul générateur de bruit.Such detectors having a large detection area are difficult to manufacture, provide poor yields and have a high electrical capacitance which limits their use in high frequency. In addition they are not usually "BLIP" (bins ground limited in performance). The detectors
BLIP are characterized by detection performance only limited by the ambient background current, the only noise generator.
Une technique classique permettant de réduire les dimenm sions des détecteurs et d'augmenter leur performances consiste à réaliser l'immersion optique de ces détecteurs afin d'augmenter la surface apparente de détection. L'immersion optique des détecteurs est habituellement obtenue par collage du détecteur contre une lentille à fort indice de réfraction à l'aide d'un produit adhésif. Cependant les médiocres qualités optiques et mécaniques du produit adhésif limitent considérablement le gain dû à l'immersion. Dans le cas de photodétecteurs infrarouges, une telle immersion ne procure aucun gain. A conventional technique for reducing sensor dimen sions and increasing their performance is to perform optical immersion of these detectors to increase the apparent detection surface. The optical immersion of the detectors is usually obtained by gluing the detector against a high refractive index lens using an adhesive product. However, the poor optical and mechanical qualities of the adhesive product considerably limit the gain due to immersion. In the case of infrared photodetectors, such immersion provides no gain.
Le but de la présente invention est de réaliser des photodétecteurs infrarouges de grande surface présentant de bonnes performances, permettant de s'approcher de celles des détecteurs "BLIP". The object of the present invention is to provide infrared photodetectors large area having good performance, to approach those of detectors "BLIP".
L'objet de l'invention est de réaliser une immersion optique du photodétecteur selon une technique monolithique permettant de s'affranchir de l'adhésif. The object of the invention is to perform an optical immersion of the photodetector according to a monolithic technique to overcome the adhesive.
L'invention consiste à usiner le substrat après la création de la jonction selon une surface convexe centrée sur la jonction ledit usinage permettant d'augmenter la surface apparente de détection dudit dispositif semi-conducteur. The invention consists in machining the substrate after the creation of the junction according to a convex surface centered on the junction, said machining making it possible to increase the apparent detection surface of said semiconductor device.
Le dispositif semi-conducteur comprenant un substrat recouvert sur un côté d'une couche d'un matériau présentant un premier type de conductivité et dans cette couche sur au moins une partie, une zone d'un second type de conductivité formant une jonction PN avec la région du premier type, présente une grande surface de détection par adjonction d'une lentille ladite lentille étant usinée dans le substrat lui même selon une forme convexe centrée au voisinage de ladite jonction PN, ledit substrat étant choisi dans un matériau transparent au rayonnement que l'on souhaite détecter. The semiconductor device comprises a substrate coated on one side with a layer of a material having a first conductivity type and in this layer on at least a portion, an area of a second conductivity type forming a PN junction with the region of the first type, has a large detection surface by adding a lens said lens being machined in the substrate itself in a convex shape centered in the vicinity of said PN junction, said substrate being chosen in a material transparent to the radiation that we want to detect.
Le dispositif de l'invention est formé par exemple d'un substrat en CdTe et d'une couche, dans laquelle la jonction est crée, en Hgl x Cdx Te, x entant'un nombre non nul inférieur à 1. The device of the invention is formed for example of a CdTe substrate and a layer, in which the junction is created, in Hgl x Cdx Te, x entir'un non-zero less than 1.
Le dispositif de l'invention comporte un substrat formant lentille qui est usiné selon une hémisphère centrée sur la jonction PN. The device of the invention comprises a lens substrate which is machined in a hemisphere centered on the PN junction.
Le dispositif de l'invention comporte un substrat formant lentille qui est usiné selon une hyperhémisphère ladite jonction
PN étant placée en l'un des points de Weierstrass conjugués du centre de l'hyperhémisphère et de son point extérieur situé sur l'axe de révolution.The device of the invention comprises a lens substrate which is machined according to a hyperhemisphere said junction
PN being placed in one of the conjugated Weierstrass points of the center of the hyperhemisphere and its outer point on the axis of revolution.
Le dispositif de l'invention permet d'obtenir de bonnes performances tout en maintenant une large surface de détection. The device of the invention makes it possible to obtain good performances while maintaining a large detection surface.
D'autres avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. Other advantages and features will become apparent upon reading the following description illustrated by drawings.
Les figures la et lb représentent schématiquement le procédé selon l'invention à lentille hémisphérique. Figures la and lb show schematically the method according to the invention hemispherical lens.
La figure 2 représente schématiquement les rayons lumineux captés par la lentille hémisphérique de la figure 1. FIG. 2 diagrammatically represents the light rays captured by the hemispherical lens of FIG.
Les figures 3a et 3b représentent schématiquement le procédé de fabrication d'un photodétecteur à lentille hyperhémissphérique. Figures 3a and 3b show schematically the method of manufacturing a photodetector hyperhémisspérique lens.
La figure 4 représente les rayons lumineux captés par la lentille hyperhémisphérique des figures 3a et 3b. FIG. 4 represents the light rays captured by the hyperhemispheric lens of FIGS. 3a and 3b.
En se référant à la figure 1, on fait croitre par épitaxie en phase vapeur ou par tout autre moyen connu en soi, par exemple par épitaxie en phase liquide, par pulvérisation cathodique, par diffusion à l'état solide, par jet moléculaire, une couche 2 d'un composé semi-conducteur à partir d'un substrat 1 choisi dans un matériau présentant une largeur de bande interdite diminuant quand on passe du substrat 1 à ladite couche 2. La couche 2 peut être par exemple réalisée en un matériau ternaire qui présente une largeur de bande interdite plus étroite pluc atreite que cclle du substrat qui est lui même un composé binaire dont les constituants se retrouvent dans la couche 2. Referring to FIG. 1, epitaxial growth by vapor phase or by any other means known per se, for example by liquid phase epitaxy, by cathodic sputtering, by solid state diffusion, by molecular layer 2 of a semiconductor compound from a substrate 1 selected from a material having a band gap decreasing when passing from the substrate 1 to said layer 2. The layer 2 may for example be made of a ternary material which has a narrower bandgap width than that of the substrate which is itself a binary compound whose constituents are found in layer 2.
Cette couche 2 est d'un certain type de conductivité et on diffuse à la surface externe de cette couche 2 une impureté ou un élément--de l'alliage destiné à doper localement la zone 3 de la couche 2 afin d'obtenir un autre type de conductivité et de former une jonction PN.This layer 2 is of a certain type of conductivity and diffuses on the outer surface of this layer 2 an impurity or an element - of the alloy intended to locally doping the zone 3 of the layer 2 in order to obtain another type of conductivity and form a PN junction.
On usine ensuite le substrat 1 selon une hémisphère du côté opposé à la jonction. Tout procédé d'usinage connu peut convenir, il suffit que la jonction PN créée au voisinage des couches 2 et 3 soit placée au centre C de la demi sphère ainsi réalisée, ainsi que représenté sur la figure lb. The substrate 1 is then machined in a hemisphere on the side opposite the junction. Any known machining method may be suitable, it is sufficient if the PN junction created in the vicinity of the layers 2 and 3 is placed in the center C of the half-sphere thus produced, as shown in FIG.
On applique ensuite sur la surface (S) convexe du substrat 1 formant lentille une couche antireflet bien connue de l'homme de l'art, afin de limiter les pertes optiques par réflexion sur cette surface (S). An antireflection layer well known to those skilled in the art is then applied to the convex surface (S) of the lens substrate 1 in order to limit the optical losses by reflection on this surface (S).
Le photodétecteur ainsi réalisé est éclairé par la face arrière du substrat qui forme ainsi la lentille. The photodetector thus produced is illuminated by the rear face of the substrate which thus forms the lens.
La figure 2 illustre l'image apparente du photodétecteur de la figure lb centré en C et de rayon CB. Tout rayon lumineux (R) a une image CB' apparente dans le même plan diamétral que son image réelle CB. Le grandissement linéaire r de la lentille ainsi réalisée est i = n sachant que n est l'indice relatif du matériau formant le substrat. La surface apparente du photodétecteur de la figure lb est ainsi, selon l'invention, multiplié par n2. FIG. 2 illustrates the apparent image of the photodetector of FIG. 1b centered at C and of radius CB. Any light ray (R) has a CB 'image apparent in the same diametral plane as its real image CB. The linear magnification r of the lens thus produced is i = n knowing that n is the relative index of the material forming the substrate. The apparent surface of the photodetector of Figure lb is thus, according to the invention, multiplied by n2.
Un exemple de réalisation préféré de l'invention consiste, à partir d'un substrat 1 en CdTe, à réaliser par épitaxie en phase vapeur, en phase liquide, par pulvérisation cathodique, par diffusion à l'état solide, par jet moléculaire ou par tout autre moyen connu en soi, une couche 2 en Hg1 x Cdx Te dont la composition x en cadmium en surface est avantageusement choisie de l'ordre de 0,20 à 0,24. La zone 3 de type N est réalisée par la technologie planar précitée. Dans ces conditions le-photodé- tecteur présentera une réponse maximum aux rayonnements de longueurs d'ondes comprises entre 9 et 14 microns. Dans cette gamme de longueurs d'ondes, le substrat 1 en CdTe est transparent à ces rayonnements et a un indice n moyen égal à 2,67.Les pertes par réflexion peuvent être limitées à moins de 10 % par un traitement antireflet approprié sur la surface (S). On évalue alors que pour un diamètre réel égal à 0,75 mm l'adjonction du substrat formant lentille hémisphérique permet d'obtenir un gain théorique en surface de détection de 7,1. Le tableau suiyant illustre les avantages procurés par le dispositif photodétecteur de l'invention.
<tb><Tb>
<SEP> avec <SEP> lentille
<tb> <SEP> sans <SEP> lentllle <SEP> hfimispherique
<tb> <SEP> hémisphérique
<tb> ~ <SEP> apparent <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 2 <SEP> mm
<tb> surface <SEP> apparente <SEP> 3,14 <SEP> mm2 <SEP> 3,14
<tb> ~ <SEP> Réel <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 0,75 <SEP> mm <SEP>
<tb> Surface <SEP> réelle <SEP> 3,14 <SEP> 2 <SEP> <SEP> 9,442 <SEP>
<tb> D* <SEP> cm <SEP> Hzl/2/K <SEP> <SEP> i.loio <SEP> <SEP> 2.1010 <SEP>
<tb> pour <SEP> = <SEP> # <SEP> <SEP> Strd
<tb> D* <SEP> cm <SEP> Hz112/w <SEP> <SEP> 2,5.101 <SEP> <SEP> 5.1010 <SEP>
<tb> pour <SEP> = <SEP> <SEP> 0,44 <SEP> Strd
<tb> C <SEP> (pF) <SEP> 1500 <SEP> 210
<tb> a <SEP> Vpl <SEP> = <SEP> - <SEP> 10 <SEP> mV
<tb> R <SEP> (R) <SEP> ) <SEP> 40 <SEP> 300
<tb> 8 <SEP> Vpl <SEP> <SEP> = <SEP> O <SEP>
<tb>
L'épaisseur du substrat 1 dans ces exemples de réalisation est de l'ordre du millimètre ; celle de la couche 2 est de l'ordre de plusieurs dizaines de microns.<SEP> with <SEP> lens
<tb><SEP> without <SEP> slowllle <SEP> hfispisphere
<tb><SEP> hemispheric
<tb> ~ <SEP> apparent <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 2 <SEP> mm
<tb> surface <SEP> apparent <SEP> 3,14 <SEP> mm2 <SEP> 3,14
<tb> ~ <SEP> Real <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 0.75 <SE> mm <SEP>
<tb> Surface <SEP> actual <SEP> 3,14 <SEP> 2 <SEP><SEP> 9,442 <SEP>
<tb> D * <SEP> cm <SEP> Hzl / 2 / K <SEP><SEP> i.loio <SEP><SEP> 2.1010 <SEP>
<tb> for <SEP> = <SEP>#<SEP><SEP> Strd
<tb> D * <SEP> cm <SEP> Hz112 / w <SEP><SEP> 2.5.101 <SEP><SEP> 5.1010 <SEP>
<tb> for <SEP> = <SEP><SEP> 0.44 <SEP> Strd
<tb> C <SEP> (pF) <SEP> 1500 <SEP> 210
<tb> a <SEP> Vpl <SEP> = <SEP> - <SEP> 10 <SEP> mV
<tb> R <SEP> (R) <SEP>) <SEP> 40 <SEP> 300
<tb> 8 <SEP> Vpl <SEP><SEP> = <SE> O <SEP>
<Tb>
The thickness of the substrate 1 in these exemplary embodiments is of the order of one millimeter; that of layer 2 is of the order of several tens of microns.
La figure 3a représente un photodétecteur réalisé en technique planar de la même façon que sur la figure la. Le substrat 1 est un matériau binaire semi-conducteur. La couche 2 a été obtenue par épitaxie en phase vapeur ou tout autre moyen à partir du substrat 1 et présente un premier type de conductivité. La zone 3 d'un autre type de conductivité est obtenue par diffusion d'une impureté ou d'un élément de l'alliage dans la couche 2 localement. FIG. 3a shows a photodetector made in planar technique in the same way as in FIG. The substrate 1 is a semiconductor binary material. The layer 2 was obtained by vapor phase epitaxy or any other means from the substrate 1 and has a first type of conductivity. The zone 3 of another type of conductivity is obtained by diffusion of an impurity or an element of the alloy in the layer 2 locally.
On usine ensuite conformément à la figure 3b le substrat 1 en hyperhémisphère, la jonction PN étant alors placée au point de Weierstrass déterminé par l'indice relatif du substrat. En effet si n est l'indice relatif de la lentille hypersphérique et si 0 est le centre de l'hyperhémisphère, les points A et A' situés sur l'axe Y Y' de révolution de la lentille hyperhémisphérique sont conjugués des points 0 et P, sachant que P est le bord extérieur de cette sphère, autre que A, situé sur cet axe de révolution Y Y'. Les points A et A' sont les points stigmatiques de l'hyperhémisphère de la figure 3b ainsi que représentés également sur la figure 4.Les points A et A' sont également aplanétiques et sont reliés par les relations CA - C CA' = n CP
n CA' = n CP
Ainsi la jonction PN placée en A et de dimension AB permet de capter des rayonnements comme s'ils venaient de B'. Le gran dissement linéaire est donc y = n2 et la surface apparente du photodétecteur placé en A est ainsi multipliée par n4, sachant que n est l'indice relatif du substrat 1. En contre partie le champ du détecteur est limité au demi angle i tel que sin i= n. Subsequently, according to FIG. 3b, the substrate 1 is made of a hyperhemisphere, the PN junction then being placed at the Weierstrass point determined by the relative index of the substrate. Indeed if n is the relative index of the hyperspheric lens and if 0 is the center of the hyperhemisphere, the points A and A 'located on the axis YY' of revolution of the hyperhemispheric lens are conjugated points 0 and P , knowing that P is the outer edge of this sphere, other than A, located on this axis of revolution Y Y '. The points A and A 'are the stigmatic points of the hyperhemisphere of FIG. 3b as well as represented in FIG. 4.The points A and A' are also aplanetic and are connected by the relations CA - C CA '= n CP
n CA '= n CP
Thus the PN junction placed at A and AB dimension can capture radiation as if they came from B '. The linear expansion is thus y = n2 and the apparent surface of the photodetector placed at A is thus multiplied by n4, knowing that n is the relative index of the substrate 1. In counterpart the field of the detector is limited to half angle i tel that sin i = n.
Selon la figure 3b, le substrat 1 formant hyperhémisphère a été usiné uniquement suivant la partie opposée à la jonction PN selon une demi sphère centrée en O et les bords supérieurs de l'hyperliémisphère sont maintenus droits mais il serait également possible d'usiner la partie supérieure du substrat 1 ainsi que la couche 2 obtenue par croissance sans changer le procédé de l'invention.According to FIG. 3b, the substrate 1 forming the hyperhemisphere has been machined only in the portion opposite to the PN junction along a half-sphere centered at O and the upper edges of the hyper-hemisphere are kept straight but it would also be possible to machine the part substrate 1 as well as the layer 2 obtained by growth without changing the process of the invention.
Dans la réalisation préférée de l'invention ou le substrat 1 est en Cd Te, la couche 2 en Hgl ÇCdxTep x étant de préféren- ce compris entre 0,20 et 0,24 en surface, le substrat 1 en CdTe est transparent et a un indice moyen égal à 2,67. Un traitement anti-reflet sur l'hyperhémisphère limite les pertes par réflexion à moins de 10 %. Le gain théorique en surface du photodétecteur à hyperhémisphère est alors égal à 50,8, avec un angle de vue peu différent de 220 soit encore 0,46 strd.Le tableau suivant résume les performances du photodétecteur avec lentille hyperhémisphèrique
<SEP> avec <SEP> lentille
<tb> <SEP> sans <SEP> lentille <SEP> hyperhémispséri
<SEP> que
<tb> apparent <SEP>
<tb> Surface <SEP> apparente <SEP> 3,14 <SEP> mm2 <SEP> 3,14
<tb> ~ <SEP> Réel <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 0,28 <SEP> - <SEP>
<tb> Surface <SEP> réelle <SEP> 3,14 <SEP> mm <SEP> 0,0615
<tb> <SEP> cm <SEP> cm <SEP> Hz1/2/W <SEP> 1.l0l0 <SEP> x
<tb> Pour <SEP> = <SEP> trstrd <SEP>
<tb> cia <SEP> <SEP> Hz1/2/W <SEP> 2,5.1010 <SEP> <SEP> 6,5.1010 <SEP>
<tb> Pour <SEP> = <SEP> 0,44 <SEP> strd
<tb> C <SEP> (pF) <SEP> 1500 <SEP> 30
<tb> Ci <SEP> <SEP> Vpl <SEP> 10 <SEP> mV
<tb> R <SEP> (li) <SEP> <SEP> 40 <SEP> 2000
<tb> à <SEP> Vpl <SEP> = <SEP> 0 <SEP>
<tb>
De tels photodétecteurs à lentille hyperhémisphérique ou hémisphérique fabriqués selon une technique monolithique facilitent considérablement l'adaptation au préamplificateur et donc leur utilisation à des fréquences élevées du fait d'une capacité électrique faible et d'une grande résistance.<SEP> with <SEP> lens
<tb><SEP> without <SEP> lens <SEP> hyperhemispser
<SEP> that
<tb> apparent <SEP>
<tb> Surface <SEP> apparent <SEP> 3,14 <SEP> mm2 <SEP> 3,14
<tb> ~ <SEP> Real <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> 0.28 <SEP> - <SEP>
<tb> Surface <SEP> actual <SEP> 3,14 <SEP> mm <SEP> 0,0615
<tb><SEP> cm <SEP> cm <SEP> Hz1 / 2 / W <SEP> 1.101 <SEP> x
<tb> For <SEP> = <SEP> trstrd <SEP>
<tb> cia <SEP><SEP> Hz1 / 2 / W <SEP> 2.5.1010 <SEP><SEP> 6.5.1010 <SEP>
<tb> For <SEP> = <SEP> 0.44 <SEP> strd
<tb> C <SEP> (pF) <SEP> 1500 <SEP> 30
<tb> Ci <SEP><SEP> Vpl <SEP> 10 <SEP> mV
<tb> R <SEP> (li) <SEP><SEP> 40 <SEP> 2000
<tb> to <SEP> Vpl <SEP> = <SEP> 0 <SEP>
<Tb>
Such photodetectors with hyperhemispherical or hemispherical lenses manufactured using a monolithic technique considerably facilitate adaptation to the preamplifier and therefore their use at high frequencies due to a low electrical capacitance and high resistance.
Les exemples de photodétecteurs ont été décrits pour un substrat 1 en CdTe et une couche 2 en Hg Cd Te mais il serait également possible d'utiliser un substrat en PbTe et une couche 2 en Pb Sn Te. Examples of photodetectors have been described for a CdTe substrate 1 and a Cd Te H 2 layer, but it would also be possible to use a PbTe substrate and a Pb Sn Te layer 2.
Un tel procédé d'immersion optique pour photodétecteur est applicable aussi bien aux détecteurs photovoltalques qu'aux pho t#oconducteurs sans changer le procédé de fabrication. Such an optical immersion method for photodetector is applicable to both photovoltalic detectors and pho t # oconductors without changing the manufacturing process.
Le procédé décrit dans la présente invention consiste à usiner le substrat après création de la jonction mais il serait également possible sans changer les performances procurées par le détecteur de l'invention d'usiner le substrat avant même la création de la jonction, par exemple après la croissance de la couche 2. The method described in the present invention consists in machining the substrate after creation of the junction but it would also be possible without changing the performance provided by the detector of the invention to machine the substrate even before the creation of the junction, for example after the growth of layer 2.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR7929470A FR2471053A1 (en) | 1979-11-30 | 1979-11-30 | Semiconductor device, esp. photovoltaic infrared detector - where transparent cadmium telluride substrate is machined to form convex lens increasing efficiency of detection |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR7929470A FR2471053A1 (en) | 1979-11-30 | 1979-11-30 | Semiconductor device, esp. photovoltaic infrared detector - where transparent cadmium telluride substrate is machined to form convex lens increasing efficiency of detection |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2471053A1 true FR2471053A1 (en) | 1981-06-12 |
| FR2471053B1 FR2471053B1 (en) | 1983-05-27 |
Family
ID=9232243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR7929470A Granted FR2471053A1 (en) | 1979-11-30 | 1979-11-30 | Semiconductor device, esp. photovoltaic infrared detector - where transparent cadmium telluride substrate is machined to form convex lens increasing efficiency of detection |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2471053A1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| FR2544131A1 (en) * | 1983-04-08 | 1984-10-12 | Telecommunications Sa | OPTICAL IMMERSION PHOTOVOLTAIC DETECTOR |
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1979
- 1979-11-30 FR FR7929470A patent/FR2471053A1/en active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2471053B1 (en) | 1983-05-27 |
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