FR2486309A1 - Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement - Google Patents
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Abstract
DANS UN DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR SENSIBLE AU RAYONNEMENT, PAR EXEMPLE UNE DIODE A QUADRANTS, CONSTITUE PAR PLUSIEURS JONCTIONS REDRESSEUSES 5, L'ESPACEMENT DE CES JONCTION 5 PEUT ETRE REDUIT NOTABLEMENT PAR BLOCAGE DES JONCTIONS 5 A L'AIDE DE COMPOSANTS 11, 14 DE FACON QUE DES REGIONS D'EPUISEMENT CORRESPONDANTES 12 SOIENT EN CONTACT LES UNES AVEC LES AUTRES. DES PORTEURS DE CHARGE ENGENDRES ENTRE DEUX JONCTIONS 5 SE DIRIGENT PRATIQUEMENT TOUJOURS EN DIRECTION DE LA JONCTION 5 LA PLUS PROCHE. UNE FAIBLE DIAPHOTIE ET DE BONNES PROPRIETES EN HAUTE FREQUENCE PEUVENT ETRE OBTENUES. DE PLUS, LE CORPS SEMICONDUCTEUR 1 DANS LEQUEL SONT REALISEES DES JONCTIONS REDRESSEUSES 5 PEUT CONTENIR D'AUTRES COMPOSANTS, CE QUI PERMET L'INTEGRATION DU DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR SENSIBLE AU RAYONNEMENT AVEC D'AUTRES ELEMENTS. APPLICATION: NOTAMMENT, DANS LES DISPOSITIFS DE SUIVI DE PISTE SUR LES VIDEODISQUES.
Description
"DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR SENSIBLE AU RAYONNEMENT"
L'invention concerne un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement dont une surface pratiquement plane présente au moins une diode sensible au rayonnement munie de plusieurs sous-éléments dont au moins l'un est muni d' une connexion permettant d'enregistrer le courant engendré
par un rayonnement et traversant le sous-élément.
Par "diode sensible au rayonnement", il y a lieu
d'entendre tant une photodiode qu'une jonction base-collec-
teur sensible au rayonnement d'un phototransistor ou que
d'autres jonctions semiconductrices sensibles au rayonne-
ment, des jonctions de type semiconducteur-métal par exem-
ple. D'une façon générale, dans le cas d'un phototransistor, la connexion permettant d'enregistrer le courant engendré
est connectée à un émetteur du phototransistor.
Des dispositifs semiconducteurs sensibles au rayon-
nement du genre mentionné ci-dessus sont utilisés, entre autres, dans les circuits sensibles au rayonnement servant à la reproduction d'images et dans les dispositifs assurant la suite de piste ou le positionnement de faisceaux lumineux
(ou faisceaux d'autres genres de rayonnement). D'autres ap-
plications de la détection de rayonnement se situent dans le
domaine de l'analyse spectroscopique, notamment dans la gam-
me de longueurs d'onde comprise entre 200 - 1100 nm et, par exemple, le rayonnement X doux. De plus, de tels dispositifs
sont utilisés pour la détection de rayonnements corpusculai-
res (par exemple les électrons et les corpusculeso<).
Dans les dispositifs sensibles au rayonnement connus, par exemple les diodes à quadrants, les sous-éléments sont -2- formés par des zones semiconductrices situées à la surface du corps semiconducteur, munies d'une connexion permettant d'enregistrer le courant photoélectrique traversant le sous-élément-et constituant des jonctions redresseuses avec la partie environnante du corps semiconducteur. Lorsque la diode sensible au rayonnement est polarisée dans le sens du blocage, des régions d'épuisement sont présentes à l'endroit des sous-éléments dans le corps semiconducteur (et dans les zones semiconductrices). Dans ces régions d'épuisement, règne un champ électrique qui est pratiquement déterminé par la tension présente aux bornes de la diode. Lorsque,
par suite du rayonnement incident, des porteurs de charges-
sont engendrés dans la région d'épuisement, ceux-ci contri-
buent au courant photoélectrique à travers les sous-éléments
sous l'influence du champ électrique présent.
Dans de tels dispositifs semiconducteurs sensibles au rayonnement, il se révèle un problème de diaphotie entre
les sous-éléments. Dans les dispositifs existants, ce pro-
blème est résolu par application d'une séparation spatiale
suffisante entre les sous-éléments et les régions d'épuise-
ment correspondantes. Des porteurs de charge engendrés dans
ou près de la région d'épuisement d'un sous-élément ne con-
tribuent ainsi guère au courant photoélectrique traversant
les autres sous-éléments.
Toutefois, une telle séparation spatiale s'obtient au détriment du pouvoir séparateur du dispositif, notamment des faisceaux étroits ou de petits déplacements d'un faisceau ne sont pas nettement détectés entre deux sous-éléments sous la forme de variations du courant photoélectrique traversant
les sous-éléments voisins.
Des porteurs de charge entre les régions d'épuisement
sont également engendrés. Il se peut que ceux-ci disparais-
sent par recombinaison ou atteignent une région d'épuisement
d'un sous-élément par diffusion et y fournissent une contri-
bution au courant photoélectrique. Cette contribution est -3- plus lente et peut s'étendre jusqu'aux sous-éléments autres
que les sous-éléments voisins.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 858 233 propose des dispositifs qui visent à ce qu'une contribution pratiquement négligeable au courant photoélectrique résulte du rayonnement incident parvenant à peu près au milieu entre deux sous-éléments. A cet effet, au moins une partie de la
surface située entre des sous-éléments voisins est recouver-
te d'une couche en matériau absorbant le rayonnement. Ainsi,
entre deux sous-éléments, est appliquée une bande de sépara-
tion o le rayonnement incident n'atteint pas la surface semiconductrice.
Grâce à la présence d'une couche absorbant le rayon-
nement, le rayonnement incident ne contribue pas ou guère au courant photoélectrique à l'endroit de cette couche, ce qui
réduit la sensibilité d'un tel dispositif.
L'invention vise à fournir un dispositif semiconduc-
teur sensible au rayonnement, du genre mentionné dans le préambule, présentant un grand pouvoir de résolution et une grande sensibilité au rayonnement, dans lequel la diaphotie
entre les sous-éléments est très faible. De plus, l'inven-
tion vise à fournir un dispositif semiconducteur sensible au
rayonnement, présentant une sensibilité élevée.
Elle est basée sur l'idée que les contributions au courant photoélectrique déterminées par la diffusion peuvent être évitées dans une grande mesure par l'application d'un
champ électrique.
Une première forme de réalisation d'un dispositif
semiconducteur sensible au rayonnement, conforme à l'inven-
tion, est caractérisée en ce que l'espacement des sous-élé-
ments voisins est si petit que l'application d'une tension de blocage aux bornes de la diode sensible au rayonnement permet de faire épuiser entièrement les régions situées entre
les sous-éléments voisins par les régions d'épuisement appar-
tenant auxdits sous-éléments.
-4- Une deuxième forme de réalisation d'un dispositif
semiconducteur sensible au rayonnement, conforme à l'inven-
tion, est caractérisée en ce que le dispositif comporte un composant permettant d'appliquer aux bornes de la diode sensible au rayonnement une tension de blocage telle que les régions situées entre les sous-éléments voisins soient
entièrement épuisées par des régions d'épuisement apparte-
nant aux sous-éléments.
Or, la région comprise entre deux sous-éléments
étant entièrement épuisée, il se produit des champs élec-
triques orientés dans toute la région située entre les sous-
éléments. Les porteurs de charge engendrés par suite du rayonnement incident se déplacent sous l'influence de ces
champs vers les sous-éléments correspondants et y contri-
buent au courant photoélectrique.
Du fait que les régions d'épuisement des sous-élé-
ments voisins se touchent (ou chevauchent pour ainsi dire), l'espacement de deux sous-éléments peut être très faible (de l'ordre de grandeur de quelques micromètres). Aussi, un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement, conforme
à l'invention, présente un grand pouvoir de résolution.
Par suite de l'épuisement total de la région sépara-
trice entre sous-éléments, il ne s'y produit guère de por-
teurs de charge contribuant par diffusion au courant photo-
électrique. De ce fait, le courant photoélectrique ne pré-
sente guère de composante déterminée par diffusion, ce qui
permet d'obtenir une grande vitesse de réponse de la diode.
De plus, grâce à l'épuisement total de la région séparatrice et, de ce fait, à l'absence d'une contribution déterminée par diffusion au courant photoélectrique, il
n'est pas besoin de protéger en partie cette région sépara-
trice contre le rayonnement incident. Aussi, n'est-il pas
nécessaire d'appliquer une couche absorbant le rayonnement-
au-dessus d'une partie de la région séparatrice. Il en ré-
sulte une grande sensibilité du fait que, pratiquement, -5-
tout le rayonnement peut s'infiltrer dans le corps semicon-
ducteur et y former des porteurs de charge contribuant au
courant photoélectrique.
Dans une forme de réalisation préférentielle, la diode sensible au rayonnement comporte plusieurs sous-élé-
ments disposés symétriquement autour d'un point de la sur-
face. Une telle réalisation convient, entre autres, à la
détermination du positionnement de faisceaux de rayonnement.
Dans une autre forme de réalisation préférentielle, plusieurs diodes sensibles au rayonnement comportent un
sous-élément commun.
Un tel dispositif dans lequel plusieurs diodes cons-
tituent la jonction base-collecteur de phototransistors
peut être utilisé, entre autres, dans un circuit de posi-
tionnement et de suite de piste combiné, pour des appareils de reproduction de disques basés sur la lecture optique par
exemple.
Une autre forme de réalisation préférentielle d'un
dispositif semiconducteur conforme à l'invention est carac-
térisée en ce que le dispositif comporte au moins un détec-
teur de courant pour le courant engendré par le rayonnement incident. Un tel détecteur de courant peut être utilisé, entre autres, pour la formation d'un signal de réglage, par exemple dans ledit circuit de positionnement et de suite de piste ou pour la détection d'un courant photoélectrique, par
exemple dans un spectromètre contenant un dispositif semi-
conducteur sensible au rayonnement conforme à l'invention.
La description ci-après, en se référant aux dessins
annexes, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera
bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La figure 1 montre une vue en plan d'une partie d'un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement conforme à l'invention.
La figure 2 montre une section transversale du dispo-
sitif semiconducteur selon le plan II-II de la figure 1.
-6-
La figure 3 illustre une méthode de mesure permet-
tant de déterminer le pouvoir de résolution d'un tel dis-
positif semiconducteur.
La figure 4 montre quelques résultats obtenus avec la méthode selon la figure 3.
La figure 5 montre une vue en plan d'un autre dis-
positif semiconducteur sensible au rayonnement, conforme
à l'invention.
La figure 6 montre une section transversale du dis-
positif semiconducteur de la figure 5 suivant la ligne
VI-VI.
La figure 7 montre une vue en plan d'un dispositif dans lequel est utilisé le dispositif semiconducteur selon
les figures 1 et 2.
La figure 8 montre une section transversale suivant
le plan VIII-VIII de la figure 7.
La figure 9 montre une partie d'un dispositif repro-
ducteur de vidéo disques auquel est appliqué le dispositif
selon les figures 7 et 8.
La figure 10 montre une vue en plan d'un autre dis-
positif semiconducteur sensible au rayonnement conforme à l'invention. La figure 11 montre une section transversale suivant
le plan XI-XI de la figure 10.
La figure 12 montre une vue en plan d'un autre dis-
positif semiconducteur sensible au rayonnement conforme à l'invention et
La figure 13 montre une section transversale du dis-
positif semiconducteur suivant le plan XIII-XIII de la
figure 12.
Les figures sont représentées de façon schématique et non à l'échelle; dans les sections transversales, les
dimensions notamment selon l'épaisseur sont fortement exa-
gérées, ceci pour la clarté des dessins. Les zones semicon-
ductrices de même type de conduction sont, en général, ha-
-7- churées dans le même sens. Dans les diverses formes de réalisation, les pièces correspondantes sont, en général,
désignées par les mêmes chiffres de référence.
Le dispositif semiconducteur sensible au rayonne-
ment des figures 1 et 2 comporte un corps semiconducteur 1 en silicium. Ce corps semiconducteur 1 comporte un substrat
à basse valeur ohmique 2 sur lequel est appliquée une cou-
che épitaxiale de type n 3, présentant une épaisseur d'en-
viron 10 micromètres et une résistivité de l'ordre de 100-
200 Ohm.cm. Prèsde la surface pratiquement plane 4 du corps semiconducteur 1, se trouvent des jonctions redresseuses séparées 5. Pour créer ces jonctions, on a formé à partir de la surface 4-du corps semiconducteur 1 des régions superficielles 6 de type p qui engendrent, ensemble avec la couche épitaxiale 3, lesdites jonctions redresseuses 5 (jonctions pn); les quatre sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D
se situent symétriquement autour d'un point médian commun.
Ces sous-éléments font partie d'une diode dite à quadrants.
La surface 4 du corps semiconducteur 1 est recouver-
te d'une couche antiréflectrice passivante 7 en oxyde de silicium. Dans la couche 7, sont ménagées des fenêtres de contact 8 pour les contacts 9 (9A, 9B, 9C, 9D). En-dessous, une prise de contact est ménagée sur le substrat 2 du corps
semiconducteur à l'aide d'une métallisation de contact 10.
Une tension électrique appliquée aux contacts 9, 10
permet de polariser les jonctions pn 5 en sens opposé.
Ainsi, à chaque jonction pn 5 dans la couche épitaxiale 3 et la région superficielle correspondante 6, est créée une région d'épuisement indiquée en trait tireté sur la figure 2. Pour autant que ces régions d'épuisement s'étendent dans
la couche épitaxiale 3, elles sont désignées par les chif-
fres de référence 12. Les lignes de champ liées aux champs
électriques se produisant dans les régions 12 sont indi-
quées à l'aide de flèches 13.
Lorsque de la lumière ou un rayonnement d'énergie -8-
suffisamment élevée (au moins égale à la largeur de la ban-
de interdite du matériau semiconducteur) atteint la surface
4 du corps semiconducteur 1, des porteurs de charge addi-
tionnels sont engendrés dans le corps semiconducteur (trous et électrons). Dans les régions d'épuisement, ces porteurs de charge additionnels sont évacués par suite du champ qui
s'y produit et contribuent ainsi à un courant photoélectri-
que à travers la jonction pn correspondante.
Selon un premier aspect de l'invention, les espaces
séparatifs entre les sous-éléments sont si petits que l'ap-
plication d'une tension de blocage aux bornes de la diode sensible à rayonnement permet de faire épuiser les régions
situées entre des sous-éléments voisins par les régions d'é-
puisement correspondant aux sous-éléments.
Dans le cas o les régions p 6 présentent un espace-
ment d'environ 4/um, une tension de blocage d'environ 8 V appliquée aux extrémités des jonctions pn voisines 5 suffit
pour que les régions d'épuisement correspondantes 12 se tou-
chent, pour ainsi dire, dans la couche épitaxiale 3. A l'en-
droit de l'interface des régions d'épuisement 12 correspon-
dant aux jonctions pn voisines 5, les lignes de champ élec-
trique sont déviées de sorte que le champ électrique qui s'y
produit provoque un déplacement des porteurs de charge for-
més dans la région d'épuisement à peu près toujours vers la jonction pn correspondante. Ainsi, ces porteurs de charge contribuent au courant photoélectrique formé dans cette
jonction pn.
L'espacement des régions de type p6 est très nette-
ment inférieur à celui mesuré dans les dispositifs sensibles à rayonnement connus, de sorte que le dispositif selon la
figure 1 permet d'obtenir un pouvoir de résolution notable-
ment supérieur. De plus, la couche épitaxiale 3 est épuisée
sur la majeure partie de son épaisseur de sorte que, notam-
ment dans la gamme de longueurs d'onde comprise entre 400-
1100 nm, il ne se produit guère de contribution au courant
photoélectrique provoquée par diffusion de porteurs de char-
ge engendrés, ce qui rend le dispositif notamment plus ra-
pide. De plus, la surface semiconductrice de toute la région comprise entre les jonctions superficielles 6 est sensible au rayonnement incident, ce qui implique que de très étroits
faisceaux peuvent être détectés.
Selon un deuxième aspect de l'invention, le disposi-
tif comporte au moins un élément composant permettant d'ap-
pliquer une tension de blocage aux bornes de la diode sen-
sible à rayonnement telle que la région située entre des sous-éléments voisins peut être entièrement épuisée par les
régions d'épuisement correspondant aux sous-éléments.
Sur la figure 2, les sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D sont connectés à cet effet à une source de tension 11 par l'intermédiaire de résistances 14. Pour le contact, les sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D sont munis de métallisations de
contact 9A, 9B, 9C, 9D par l'intermédiaire de trous de con-
tact 8 ménagés dans la couche de passivation 7 recouvrant le
corps semiconducteur. La source de tension 11 permet d'ap-
pliquer une tension aux extrémités des jonctions pn 5 telle que la couche épitaxiale 3 peut être épuisée sur la majeure
partie de son épaisseur, ce qui fournit, ici aussi, les sus-
dits avantages en ce qui concerne la rapidité et la sensibi-
lité.
Les dispositifs représentés sur les dessins présen-
taient une caractéristique de réponse en fréquence dont la courbe était plane au-dessus de 100 MHz, ce qui veut dire qu'un sous-élément exposé à une série d'impulsions de signaux lumineux ne présentait pas de variations notables en ce qui
concerne la réponse au-delà d'une fréquence de signal supé-
rieure à 100 MHz.
Un courant photoélectrique engendré dans la jonction
pn 5 provoque une chute de tension dans la résistance corres-
pondante 14 et fournit un signal de sortie @. Or, lorsqu'un faisceau lumineux atteint la surface 4 perpendiculairement à -10- la zone médiane de la diode à quadrants (indiquée sur la figure 1 à l'aide de la partie hachurée 15), les courants photoélectriques engendrés dans les quatre sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D sont pratiquement égaux. Si la position du faisceau incident est plus ou moins décalée par rapport au centre 15, il se produit des différences dans les signaux de départ t A' B' 1t? C et I D. Ces signaux de départ
peuvent ensuite être amenés à un système de réglage qui as-
sure le calage correct du faisceau incident. L'article
'tOptical video disks with undulating tracks" par J.J.M.
BRAAT et G. BOUWHUIS dans le périodique "Applied Optics", volume 17, no 13, pages 2022-2028 (1er juillet 1978) décrit
l'application d'une telle diode à quadrants dans un dispo-
sitif reproducteur de vidéo disques.
La diode à quadrants selon les figures 1 et 2 com-
porte, outre les sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D, un sous-élé-
ment 6E qui entoure entièrement ces régions. La jonction pn E correspondant à ce sous-élément est bloquée à l'aide de la source de tension 11 de façon que la région d'épuisement correspondante 12E soit au moins en contact avec les régions d'épuisement 12 correspondant aux jonctions pn 5 comprises entre la couche épitaxiale 3 et les régions superficielles
6A, 6B, 6C, 6D. Cette disposition a pour effet que les por-
teurs de charge engendrés par la lumière dans la zone du sous-élément 6E n'atteignent pas les sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D. Ces porteurs de charge engendrés de façon parasite (provenant par exemple du bord du cristal) ne contribuent, en pratique, qu'à un courant traversant la jonction pn 5E, courant qui ne peut pas fournir de contribution parasite,
par suite de diffusion, au courant photoélectrique traver-
sant l'une des jonctions pn 5 des sous-éléments 6A, 6B, 6C, 6D. Le dispositif semiconducteur selon les figures 1 et 2 peut être réalisé à l'aide de techniques connues en général
dans la technologie des semiconducteurs. On part d'un subs-
-11 - trat de silicium de type n 2 sur lequel est formé, par
croissance, la couche épitaxiale de type n. Les régions su-
perficielles 6 s'obtiennent, par exemple, par implantation d'impuretés de type p suivie d'une étape de diffusion ou de recuit. Les régions superficielles 6 peuvent également être
appliquées de façon directe par diffusion.
La figure 3 illustre schématiquement une mesure per-
mettant de déterminer le pouvoir de résolution entre deux
jonctions sensibles au rayonnement dans un corps semiconduc-
teur commun, comme décrit ci-dessus. La figure 4 montre plu-
sieurs résultats demesurecomne eux obtenu d'un dispositif semicon-
ducteur o des dispositions ont été prises entre deux régions superficielles 6 afin d'occulter au rayonnement cet espace intermédiaire, aussi bien que ceux obtenus d'un dispositif o cela n'est pas le cas, par exemple du fait qu'après la réalisation la surface 4 a été nettoyée et munie ensuite
d'une couche antirêflectrice passivante 7.
Un faisceau 16, par exemple un rayonnement laser, se déplace sur la surface 4 du corps semiconducteur 1 qui fait
partie d'un dispositif semiconducteur conforme à l'invention.
Lorsque le faisceau 16 se trouve à l'endroit du point a, le
courant photoélectrique engendré dans la jonction pn sous-
jacente 5 ne se forme, en pratique, que dans une partie plane de cette jonction, parallèle à la surface 4. Il en résulte un courant d'une valeur I (courbes 17,19 sur la figure 4) à o travers cette jonction. Le courant traversant la jonction pn
voisine 5 est négligeable (courbes 18, 20 sur la figure 4).
* Tous les porteurs de charge engendrés par le faisceau 16 ne contribuent pas, au point a, au courant photoélectrique du fait qu'une partie se perd par recombinaison dans la région superficielle 6 (et également plus ou moins dans la partie éventuellement non épuisée de la couche épitaxiale 3) . Le rayonnement incident est réfléchi, bien que dans une faible mesure, par la couche passivante 7 et plus ou moins absorbé
dans la région superficielle 6 avant que ce rayonnement n'at-
-12- teigne la région d'épuisement de la jonction pn 5. Lorsque le faisceau 16 se trouve à l'endroit du point b, l'influence
de la courbure de la jonction pn 5 est perceptible. La dis-
tance comprise entre la surface 4 et la région d'épuisement est plus courte, de sorte que moins de porteurs de charge
se perdent par recombinaison et, également, moins de rayon-
nement est absorbé dans la région superficielle 6. Pour une
épaisseur égale de la couche 7, cela fournit une contribu-
tion additionnelle au courant photoélectrique (courbe 19 sur la figure 4). A mesure que le faisceau 16 se déplace davantage sur la surface 4, cette contribution additionnelle augmente d'abord rapidement jusqu'à une valeur I1 après quoi, au-delà du point c, à peu près au centre entre deux régions
superficielles, le courant photoélectrique 19 diminue rapi-
dement du fait que les champs électriques (indiqués par les flèches 13), dans la région d'épuisement 15, provoquent la contribution de pratiquement tous les porteurs de charge engendrés au courant photoélectrique à travers la jonction pn voisine. Le courant correspondant à cette jonction pn voisine augmente d'abord rapidement jusqu'à la valeur I lorsque le faisceau se déplace davantage pour diminuer
ensuite jusqu'à la valeur I0 (voir la courbe 20 dans la figu-
re 4).
La couche 7 entre les régions superficielles 6 peut présenter un épaississement 36, par exemple du fait que le
masque de diffusion initial ou le.masque d'implantation sub-
siste sur la surface 4. Cet épaississement 36 est choisi de
façon à réfléchir la majeure partie de la lumière incidente.
Les courants photoélectriques engendrés circulent alors pra--
tiquement suivant les courbes 17, 18 sur la figure 4, et non suivant les courbes 19, 20. De telles courbes aplaties 17,
18 conviennent mieux aux appareils de réglage que les cour-
bes 19, 20.
La mesure suivant la méthode de la figure 3 révéla
que la séparation optique relative entre les régions super-
-13- ficielles 6 est convenable. La diaphotie se produisant dans un dispositif conforme à l'invention entre deux jonctions pn voisines 5, à espacement des régions superficielles 6
d'environ 4/um, était inférieure à 60 dB, en d'autres ter-
mes, dans le cas d'exposition d'une jonction, la valeur du courant photoélectrique mesuré à travers la jonction voisine non exposée était inférieure à 1 0/o, de celle mesurée dans
la jonction exposée.
Les figures 5 et 6 montrent une photodiode o un seul
sous-élément 6A est muni d'une connexion permettant de dé-
tecter le courant photoélectrique engendré. Le corps semi-
conducteur 1 comporte un substrat à basse valeur ohmique 2
et une couche épitaxiale 3 formée par croissance sur le sub-
strat, tous les deux présentant le type n. La couche épita-
xiale présente une épaisseur d'environ 5 um et une résisti-
vité comprise entre 50-200 Ohm /cm. La surface 4 de la cou-
che épitaxiale 3 présente une région superficielle circu-
laire 6A et une deuxième région superficielle annulaire 6E entourant la région 6A. Les deux régions superficielles 6
sont de type p. L'espacement des régions 6E et 6A est d'en-
viron 4 um. Dans le cas d'une tension de blocage d'environ V dans la jonction pn 5 correspondant à la région 6A, la couche épitaxiale 3 est à peu près entièrement épuisée. Du
fait que les régions de déplétion 12 situées entre les ré-
gions 6A et 6E se touchent pour ainsi dire, les porteurs de charge engendrés sont rapidement évacués par la présence de champs électriques orientés (indiqués par les flèches 13) vers les régions 6A, 6E. Ainsi, on a obtenu une photodiode très rapide pratiquement exempte d'effets parasites. De plus, la contribution à la capacité de diode provenant du bord de la région 6A ne joue guère de rôle. Du reste, les chiffres
de référence ont les mêmes significations que sur les figu-
res 1 et 2.
Dans le corps semiconducteur 1 des figures 1 et 2,
peuvent être réalisés, outre les diodes photosensibles, éga-
-14-
lement d'autres éléments semiconducteurs comme des transis-
tors, des résistances, etc... De plus, il est possible d'in-
tégrer des phototransistors, par exemple dans le corps semi-
conducteur. Un corps semiconducteur 1 faisant partie d'un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement et conte- nant, outre des diodes, également des phototransistors F,
G, est représenté en plan sur la figure 7 alors que la figu-
re 8 montre une section transversale suivant le plan VIII-
VIII de la figure 7. Le dispositif selon les figures 7 et 8
comporte des jonctions pn séparées entre la couche épita-
xiale de type n 3 et les régions superficielles de type p 6.
Les régions superficielles de type p 6A, 6B, 6C, 6D consti-
tuent, avec la région environnante 6E, une diode à quadrants telle que celle décrite ci-dessus, alors que les régions superficielles de type p 6F, 6G constituent les bases de phototransistors présentant des régions émettrices de type
n 21F, 21G. La région superficielle 6E constitue un sous-
élément commun de la diode à quadrants et des deux photo- transistors F, G. Un tel ensemble semiconducteur peut être utilisé dans un
dispositif reproducteur de vidéodisques,
tant pour le positionnement que pour le suivi de pistes.
La figure 9 montre a titre d'exemple un tel disposi-
tif reproducteur. Un faisceau monochromatique 23 engendré par un laser 22 est dirigé sur un vidéodisque 27 à l'aide d'une lentille 24, d'un miroir 25 et d'un objectif 26. Le faisceau 23 modulé 23-28 par le vidéodisque 27 est réfléchi par l'intermédiaire de l'objectif 26 et du réflecteur 25 et
envoyé sur un détecteur 30 à l'aide d'un réflecteur de pola-
risation 29. Une lame -LX 31 sépare, en collaboration avec le réflecteur de polarisation 29, le faisceau aller d'avec le faisceau retour, ce dernier étant dirigé sur le détecteur
afin de tomber par exemple sur une diode à quadrants.
Pour la suite de piste, deux faisceaux additionnels sont en-
gendrés à l'aide d'une grille 32 et frappent la piste sur le vidéodisque, bien que de façon décentrée, tout juste devant -15- et tout juste après le faisceau 23. Après leur réflection,
ces faisceaux sont également dirigés sur le détecteur 30.
La différence en intensité lumineuse mesurée par les
photodiodes (ou transistors) équipant le détecteur consti-
tue une mesure pour une éventuelle fausse adaptation entre
la direction de la piste vidéo et l'appareil de lecture.
Pour empêcher cet inconvénient ou pour l'éliminer, les si-
gnaux engendrés par les photodiodes sont amenés à un systè-
me de réglage. Pour une description plus détaillée du dis-
positif reproducteur d'image et de son fonctionnement, il y a lieu de se référer aux articles "Laser beam reading of
video records" par C.H.F. Velzel dans Applied Optics, volu-
me 17, no 13, pages 2029-2034 (ler juillet 1978) et "The optical scanning system of the Philips "VLP" record player" par G. BOUWHUIS et P. BURGSTEDE dans Philips Technical
Review 33, n0 7, pages 186-189 (1973).
Lorsqu'un dispositif semiconducteur selon les figures 7 et 8 fait partie d'un détecteur 30 dans un dispositif reproducteur selon la figure 9, le faisceau modulé 28 est
dirigé sur la diode à quadrants, formée par les régions su-
perficielles 6A, 6B, 6C, 6D. Les deux faisceaux additionnels tombent sur les phototransistors F, G (les spots du faisceau 28 et les deux faisceaux additionnels sont représentés sur la figure 7 par des cercles hachurés 28, 33, 34). Par suite
de la présence de porteurs de charge engendrés par les fais-
ceaux additionnels, les phototransistors F, G deviennent conducteurs; le courant de base traversant les jonctions pn 5 est amplifié et les courants d'émetteur provoquent aux sorties des signaux IF, (fG qui peuvent être amenés au système de réglage pour la suite de piste. Toutefois,-lors de la réalisation du dispositif semiconducteur selon les figures 7 et 8, les dimensions et autres propriétés des transistors F et G peuvent différer mutuellement, dans une plus ou moins grande mesure, par suite des tolérances liées à leur fabrication. De ce fait, ces transistors risquent de -16- fournir des courants-différents pour une exposition égale et un même ajustage. Pour éliminer une telle différence de courant, le dispositif est muni d'une résistance réglable
permettant d'équilibrer le dispositif.
La figure 10 montre une vue en plan et la figure 11 une section transversale suivant le plan XI-XI de la figure d'un dispositif semiconducteur sensible au rayonnement conforme à l'invention, par exemple pour des applications
spectroscopiques (par exemple de la lumière à courte lon-
gueur d'onde, des rayons X). Lorsque, par suite du rayonne-
ment dans l'ambiance directe de la région correspondante 6, l'une des jonctions pn 5 fournit un courant photoélectrique,
il se produit une chute de tension dans la résistance cor-
respondante 14, ce qui donne lieu à un signal de départ 9.
L'endroit de la jonction pn 5 détermine quelle est la sortie appelée à fournir un signal. Du fait que les couches de
dépletion des diverses jonctions pn 5 se touchent pour ain-
si dire, le dispositif est rapide et sensible, sur prati-
quement toute sa superficie, au rayonnement incident. Afin de contrecarrer l'influence du rayonnement indésirable et des courants de fuite de bords, les régions superficielles 6 sont entourées d'une région superficielle annulaire 6E située à une distance telle que, lors de l'utilisation, la région d'épuisement 12 correspondant à la jonction pn 5 entre la région 6E et la couche épitaxiale 3 est au moins en contact avec les régions d'épuisement 12 correspondant aux autres jonctions pn 5. Du reste, les chiffres de référence
ont la même signification que dans les exemples précédents.
Les figures 12 et 13 montrent une variante du dispo-
sitif selon les figures 1 et 2. Les régions superficielles 6A, 6B, 6C, 6D constituent les bases des sous-éléments d'un
transistor à quadrants.
A la surface 4, les régions 6A, 6B, 6C, 6D sont munies de régions émettrices 21A, 21B, 21C, 21D qui peuvent être
connectées à une source de tension 11 (figure 13) par l'in-
-17-
termédiaire de contacts 9A, 9B, 9C, 9D.
Afin de détecter le courant engendré par les jonc-
tions sensibles au rayonnement 5, le dispositif comporte
des résistances 14 dans lesquelles est mesuré un signal.
Dans cet exemple, le dispositif selon les figures 12 et 13
convient à la détection de rayonnement corpusculaire du -
fait qu'une couche absorbant des corpuscules 37 est placée
entre les régions 6. Cette couche remplit une fonction ana-
logue à celle de la couche réflectrice de rayonnement 36 dans le dispositif selon les figures 1 et 2; notamment,
elle est destinée à réduire la quantité de porteurs de char-
ge engendrés dans la région comprise entre les régions su-
perficielles 6, ce qui permet d'éviter les courants de. crê-
te I1 (courbes 19, 20 sur la figure 4). Du reste, le fonc-
tionnement du dispositif est identique à celui du dispositif selon les figures 1 et 2, avec la réserve-que le courant engendré dans les jonctions pn 5 est amplifié par l'effet du transistor. Les autres chiffres de référence ont, ici
aussi, la même signification que dans les exemples précé-
dents.
Evidemment, l'invention n'est pas limitée aux exem-
ples de réalisation décrits ci-dessus, mais l'homme de l'art
ne sera pas en peine de trouver plusieurs variantes sans sor-
tir du cadre de la présente invention. C'est ainsi que les types de conduction du dispositif semiconducteur peuvent être inversés simultanément (ensemble avec la polarité de la
source de tension 11). De plus, d'autres matériaux semicon-
ducteurs que le silicium peuvent être utilisés à cet effet, comme par exemple le germanium ou les composés du genre
III-V, comme l'arséniure de gallium. Les régions d'épuise-
ment 12 peuvent non seulement être formées par la jonction pn 5, mais également à l'aide de contacts du genre Schottky
sur le matériau semiconducteur, ces contacts devant, évidem-
ment, être perméables au rayonnement. A cet effet, ils sont
réalisés par exemple en oxyde d'étain dopé à l'aide d'anti-
-18- moine, ou bien en oxyde d'indium dopé ou non à l'aide
d'étain (type p ou type n).
Les régions superficielles 6 peuvent être placées, non seulement dans la couche épitaxiale 3, mais également de façon directe dans le substrat, cas dans lequel le maté- riau de substrat présente une résistivité de 10 Ohm.cm par
exemple.
Dans le dispositif selon les figures 7, 8, la bande étroite du sousélément commun 6E entre les parties 6A,6B, 6C, 6D et les bases des phototransistors 6F, 6G peuvent être omises au besoin, pourvu que les régions d'épuisement 12 correspondant aux régions 6F et 6A, 6B et 6G et 6C, 6D
se touchent pour ainsi dire, grâce aux dispositions confor-
mes à l'invention.
Dans la diode selon les figures 5, 6, la région superficielle 6E peut être blindée au besoin par rapport au rayonnement incident à l'aide d'une couche métallique, alors que le dispositif peut être muni de moyens permettant de
mesurer le courant de fuite traversant la jonction pn 5.
Ainsi, le courant de fuite engendré thermiquement et traver-
sant la jonction pn pouvant être mesuré, sa valeur peut être utilisée pour corriger le signal, mesuré par l'intermédiaire
du sous-élément 6A, pour ce composant thermique.
De plus, au lieu de résistances 14, il est possible d'utiliser des transistors pour le traitement de signaux; ces transistors (bipolaires ou, au -besoin, à effet de champ) peuvent être intégrés dans le corps semiconducteur 1, tout
comme des composants pour lesdits systèmes de réglage.
Pour certaines longueurs d'onde, l'épaisseur de la couche de passivation 7 peut, en outre, être choisie de
façon qu'il ne se produise aucune réflection dans l'ensemble.
A cet effet, il est possible d'utiliser des couches d'oxyde-
nitrure. Au besoin, l'épaississement 36 situé entre les ré-
gions 6 peut être choisi de façon que les courbes 17, 18 de
la figure 4 présentent une allure optimale.
-19-
Claims (20)
1. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement dont une surface (4) pratiquement plane présente au moins
une diode sensible au rayonnement munie de plusieurs sous-
éléments (6), dont au moins l'un est muni d'une connexion permettant d'enregistrer le courant engendré par un rayonne- ment (16) traversant le sous-élément (6), caractérisé en ce que l'espacement des sous-éléments voisins est si petit que l'application d'une tension de blocage aux bornes (9, 10) de la diode sensible au rayonnement (16) permet de faire
épuiser entièrement les régions situées entre les sous-élé-
ments voisins par les régions d'épuisement (12) appartenant
auxdits sous-éléments (6).
2. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement
de deux sous-éléments (6) est d'au maximum 10/um.
3. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement
de deux sous-éléments (6) est d'environ SunM.
4. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que la diode sensible au rayonnement comporte plusieurs sous-éléments (6) situés symétriquement autour d'un point de
la surface (4).
5. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
la diode sensible au rayonnement comporte au moins une ran-
gée de sous-éléments (6) juxtaposés.
6. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que
la diode sensible au rayonnement comporte un sous-élément
(6E) qui entoure à peu près entièrement les autres sous-
éléments (6).
-20-
7. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que
plusieurs diodes sensibles au rayonnement comportent un
sous-élément (6) commun.
8. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
comportant un corps semiconducteur, dont une surface prati-
quement plane (4) comporte au moins une diode sensible au rayonnement munie de plusieurs sous-éléments (6), dont au
moins l'un est muni d'une connexion permettant d'enregis-
trer le courant engendré par le rayonnement (16) traversant le sousélément (6), caractérisé en ce que le dispositif
comporte un composant (11) permettant d'appliquer, aux bor-
nes (9, 10) de la diode sensible au rayonnement, une tension
de blocage telle que des régions situées entre des sous- -
éléments voisins sont entièrement épuisées par les régions
d'épuisement (12) correspondant auxdits sous-éléments (6).
9. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'espacement
de deux sous-éléments 16) est d'au maximum 10 /Um.
10. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'espacement
de deux sous-éléments (6)est d'environ 5 um.
11. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que
le dispositif comporte un détecteur de courant pour le cou-
rant engendré par le rayonnement (16) incident.
12. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon la revendication 11, caractérisé en ce que le détec-
teur de courant comporte une résistance (14) dans laquelle
est provoquée une chute de tension par le courant engendré.
13. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que
la diode sensible au rayonnement comporte plusieurs sous-
éléments (6) situés symétriquement autour d'un point de la
surface-(4).
-21-
14. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que
la diode sensible au rayonnement comporte au moins une ran-
gée de sous-éléments (6) juxtaposés.
15. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que
la diode sensible au rayonnement comporte un sous-élément
(6E) qui entoure pratiquement les autres sous-éléments (6).
16. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que
plusieurs diodes sensibles au rayonnement comportent un
sous-élément (6) commun.
17. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que
le dispositif comporte des moyens permettant de réduire le
rayonnement (16) s'infiltrant vers les endroits de la sur-
face (4) ou la région d'épuisement (12) peut atteindre cette surface (4), comparativement au rayonnement (16) à
d'autres endroits.
18. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement selon la revendication 17, caractérisé en ce que la surface (4) du corps semiconducteur est recouverte d'une couche
(7, 36) antiréflectrice pouvant réfléchir plus de rayonne-
ment à l'endroit des régions d'épuisement qu'à l'endroit des
sous-éléments.
19. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement pour la détection d'un rayonnement corpusculaire selon la
revendication 17, caractérisé en ce que les moyens compren-
nent une couché en un matériau de passivation, absorbant des
corpuscules.
20. Dispositif semiconducteur sensible au rayonnement
selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce
que les moyens comportent un masque de dopage par l'inter-
médiaire duquel des régions semiconductrices correspondant
aux sous-éléments (6) sont appliquât dans le corps semicon-
ducteur.
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