FR2629274A1 - Detecteur de rayonnement infrarouge, et camera a infrarouges comportant ce detecteur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur de rayonnement infrarouge qui comprend un métal et un semi-conducteur dont la jonction s'effectue par l'intermédiaire d'une barrière de potentiel à effet de redressement. Le semi-conducteur comprend une couche épitaxiale de Si1 - x Gex de type p, sous contrainte, que l'on a fait croître sur un substrat de type p, x désignant la fraction atomique de Ge. Le métal peut être choisi dans le groupe constitué par Pt, un alliage de Pt et Si, et un alliage de Pt, Si et Ge. Le métal peut également être choisi dans le groupe constitué par Ir, un alliage de Ir et Si, et un alliage de Ir, Si et Ge. L'invention concerne également une caméra à infrarouges comportant un tel détecteur de rayonnement infrarouge.
Description
l
DETECTEUR DE RAYONNEMENT INFRAROUGE, ET CAMERA
A INFRAROUGES COMPORTANT CE DETECTEUR"
Cette invention concerne un détecteur de rayonnement infrarouge du type à diode à barrière de Schottky. Cette invention concerne également une caméra à infrarouges comportant un tel détecteur de rayonnement infrarouge. En principe, les détecteurs de rayonnement infrarouge sont du type pyroélectrique ou du type quantique. Quelques détecteurs de rayonnement infrarouge du type quantique utilisent la photoconductivité d'un semi-conducteur intrinsèque, comme HgCdTe, qui présente une largeur de bande interdite de 0,1 à 0,3 eV. Quelques autres détecteurs de rayonnement infrarouge du type quantique utilisent l'effet photoélectrique d'une diode à barrière de Schottky, telle que Pt/Si de type p, qui
présente une barrière de faible hauteur.
Les détecteurs perfectionnés d'image en lumière visible utllisent dejà des dlsposltifs à transfert de charge (DTC) à base de slllclum. On a souhaite combiner un détecteur de rayonnement infrarouge et un disposltlf à transfert de charge, pour' réaliser un détecteur d'image en rayonnement infrarouge et à dispositif à transfert de charge. Les détecteurs de rayonnement infrarouge du type pyroélectrlque presentent une taible vitesse de réponse, de sorte qu'ils ne conviennent pas pour des détecteurs
d'image en rayonnement infrarouge.
Les semi-conducteurs intrinsèques comme HgCdTe presentent des sensibilités élevées, ainsi qu'une excellente flexibilité des longueurs d'onde détectées, due au fait que l'on peut facilement faire varier la largeur de leurs bandes interdites. Cependant, il est généralement difficile de combiner un tel semi-conducteur intrinsèque à bande interdite étroite et un dispositif à transfert de charge à base de Si de façon à former un
détecteur d'image à DTC.
Les détecteurs de rayonnement infrarouge utilisant des barrières de Schottky Pt/Si de type p ou PtSi/Si de type p présentent d'excellentes caractéristiques d'adaptation aux DTC. La figure 3 présente un diagramme de bandes d'énergie d'une diode à barrière de Schottky PtSî/Si de type p. La hauteur de barrière de cette diode est d'environ 0,23 eV, et la hauteur de barrière est déterminée par la substance. En conséquence, la sensiblité photoélectrique d'un tel détecteur de rayonnement infrarouge devient inadéquate pour des longueurs d'onde de lumière infrarouge supérieures à environ 5 micromètres. En d'autres termes, la limite supérieure des longueurs d'onde détectables est d'environ mlcromètres. N. Yutanl et coll., Technical Digest of Int. Electron Device Meeting, 1987, pages 124-127, rapportent que, lorsque Pt est remplace par Ir dans PtSi/Si de type p. la hauteur de barrière diminue jusqu'a environ 0,17 eV, et que, comme le montre la figure 4, la limite supérieure des longueurs d'onde détectables est d'environ 7 mlcromètres. Cependant, la limite supérieure des longueurs d'onde détectables est déterminée par la substance, et il est généralement difficile de repousser
davantage cette limite supérieure.
Un objet de la présente invention est de fournir un détecteur de rayonnement infrarouge du type à barrière de Schottky, qui présente une sensibilité photoélectrique adéquate pour des grandes longueurs d'onde infrarouge, et
qui puisse facilement être associé à un DTC.
Le détecteur de rayonnement infrarouge de cette invention comprend un métal. et un semi-conducteur entre lesquels la jonction s'effectue à travers une barrière de potentiel à effet de redressement. Le semiconducteur comprend une couche épitaxiale d'alliage Sil-xGex de type p. sous contrainte, que l'on a fait croître sur un substrat de type p, l'indice x designant la fraction atomique de Ge dans l'alliage SiGe. Le métal peut être choisi dans le groupe constitue de Pt, un alliage de Pt et Si, et un alliage de Pt, Si et Ge. En outre, le métal peut également être cholsl dans le groupe constitué de Ir,
un alliage de Ir et Si, et un alliage de Ir, Si et Ge.
Une camera à infrarouges à DTC de la présente invention comprend un détecteur de rayonnement infrarouge comportant un metal et un semiconducteur entre lesquels La 3onction s'effectue par l'lntermédlalre d'une barrlere de potentiel a effet de redressement. Le semi-conducteur comprend une couche epitaxiaie d'alliage Sli-xGex de type p, sous contrainte, que l'on a fait croître sur un substrat de Si de type p, l'indice x désignant la
fraction atomique de Ge dans l'alliage.
Dans les dessins annexés: la figure i est un diagramme des bandes d'énergie d'une diode à barrière de Schottky PtSi/Sii-xGex de type p, selon l'invention; la figure 2 est un diagramme des caractéristiques tension/courant direct de diodes à barrière de Schottky PtSî/Sil-xGex de type p, à la température de 77'K, la fraction atomique x de Ge étant prise comme paramètre; la figure 3 est un graphique présentant la variation de la hauteur de barrière de Schottky en fonction de la fraction x de Ge, en comparaison avec la variation de la largeur de bande interdite; la figure 4 est un diagramme des bandes d'energie d'une diode à barrière de Schottky PtSi/Si de type p: la figure 5 est un diagramme des caractéristiques de réponse dans l'infrarouge d'une diode à barrière de Schottky IrSi/Si de type p; la figure 6 est un diagramme présentant les relations entre les largeurs de bandes interdites et les fractions atomiques de Ge dans les cristaux d'alliage Sll-xGe; la figure 7 est un diagramme présentant la relation entre l'épaisseur critique d'un film Sîl- xGex "commensurable" au substrat de Si et la fraction x de Ge; le terme "commensurable" signifie ici que certains paramètres de la maille cristalline du substrat de Si
sont conservés dans la couche d'alliage Sli-xGex.
Cette invention concerne de lagn générale un détecteur de rayonnement infrarouge comprenant une
jonction métal-semi-conducteur à effet de redressement.
Le semi-conducteur est constitué d'une couche épltaxlale de Si -xGex de type p, sous contrainte, que l'on a fait croître sur un substrat de Si de type p. Le métal se
trouve sous la forme d'un film s'étendant sur le semi-
conducteur. Le métal peut être constitué de Pt, d'un alliage de Pt et Si, ou d'un alliage de Pt, Si et Ge, ou bien de Ir, d'un alliage de Ir et Si, ou d'un alliage de
Ir, Si et Ge.
Cette invention concerne également une caméra à intrarouges comportant un dlsposltlf photosensible qui comprend le détecteur de rayonnement infrarouge mentionné cl-dessus. Au cours de la fabrication du détecteur de rayonnement infrarouge, un film de cristal d'alliage de Si et Ge est formé sur un substrat en Si, par croissance avec epltaxie. L'addition de Ge provoque une diminution de la largeur de la bande interdite, ainsi qu'une diminution de la hauteur de barrière de la diode à barrière de Schottky. Il en résulte que la senslbilite photoelectrlque du détecteur de rayonnement infrarouge est étendue jusqu'à des longueurs d'onde de lumèlere infrarouge plus grandes que dans le cas d'un détecteur de rayonnement infrarouge de la technique antérieure, qui utilise une diode à barrière de Schottky Pt/Si de type p. La figure 6 présente la largeur de la bande interdite d'un film de cristal d'alliage Sli-xGex, sous
contrainte ou sans contrainte, sur un substrat de Si.
Comme le montre la figure 6, les largeurs de bande interdite des films de cristal d'alliage Sii-xGex diminuent lorsque la fraction x de Ge augmente. En outre, la largeur de la bande interdite d'un film Sii-xGex sous contrainte (commensurable) est inférieure à celle d'un film Sii-xGe% sans contrainte (non-commensurable), pour
la même fraction x de Ge.
La figure 7 présente la variation de l'épaisseur critique de couche d'un film de cristal d'alliage Sii-xGex sous contrainte, que l'on a fait croître sur un substrat de Si. en fonction de la fraction de Ge. Dans une couche épltaxiale mince de Sil-xGex dans laquelle la constante de reseau de Ge (qui est supérieure à celle de Si) est égale à celle du substrat de Si. comme le montre la figure 7(b), on VOlt sur la figure 6 que la largeur de la bande interdite diminue d'environ 0,3 eV quand la fraction x de Ge augmente jusqu'à environ 0,3. Si la moltié de cette diminution de largeur de la bande interdite provient d'une augmentation du niveau d'énergie de la bande de valence, on s'attend à ce que la hauteur de la barrière de Schottky de PtSiiSio,7Geo,3 de type p soit lnferleure d'environ 0,15 eV à celle de PtSî/Si de type p. La figure I présente le diagramme des bandes d'énergie d'une structure fabriquée selon les étapes suivantes. Tout d'abord, on fait croître une couche de Si de type p sur un substrat de Si de type p+. En second lieu, on fait croître une couche de cristal d'alliage Sll-xGex de type p sur la couche de Si de type p. Dans la couche de cristal d'alliage Sii-xGex de type p, la fractionsx de Ge augmente de 0 à 0,3 à mesure que l'on s'éloigne de la couche de Si de type p. En troisième lieu, on fait croître une couche de cristal d'alliage Sio,7Ge0,3 de type p sur la couche de cristal d'alliage Sli- xGex de type p. Finalement, on forme une couche de PtSl sur la couche de cristal d'alliage Sio,7Geo,3 de type p. de façon à former une diode a barrlere de Schottky. Plus précisément, on fait croître la couche de Sli- xGex sur un substrat de Si (100) de Czochralskl de type p, en utilisant le procéde EFM (épltaxie à faisceaux moleculalres). La pression de base du dispositif d'EFM est d'environ.10- torr. On évapore Si à l'aide d'un canon à électrons et Ge à l'aide d'une cellule de Knudsen habituelle. Les intensités des faisceaux moléculaires de Si et Ge sont réglées à l'aide d'un capteur pour
spectroscopie d'emisslon sous chocs d'électrons (Inficon.
Co., Ltd.; Sentinel III).
On a fabriqué de la façon suivante un échantillon de detecteur de rayonnement infrarouge. Comme le montre la figure 1, on a falt croître, par épitaxle à faisceaux moléculaires, une couche de Si de type p sur un substrat de Si de type p+. Le substrat de Si de type p4 présentait une concentration de porteurs de 8.1018 cm-3. La couche de S1 de type p présentait une concentration de porteurs de 3.1016 cm-3 et une épaisseur de 200 nm. Ensuite, on a fait croître une couche de Si -xGex de type p sur la couche de Si de type p, par épitaxie & faisceaux moléculaires. Cette couche de Sia-xGex de type p présentait une concentration de porteurs de 3.1016 cm-3, et une épaisseur de 50 nm. Dans cette couche de Sia-xGex
de type p, la teneur en Ge variait graduellement, c'est-à-
dire que la fraction x de Ge augmentait de 0 à 0,3 quand on s'éloignait de la couche Si de type p. Ensuite, on a fait croître par épitaxle à faisceaux moléculaires une
couche de cristal d'alliage Slo,7Geo,3 de type p par-
dessus la couche de cristal d'alliage Siî-xGex de type p. Cette couche de cristal d'alliage Sio,7Geo,3 de type p présentait une concentration de porteurs de 3.1016 cm-3 et une épaisseur de 50 nm. De cette manière, on a produit un corps stratifié constitué du substrat et de couches epltaxlales. Sur ce corps stratifié, on forme une couche de Pt par dépôt sous vide. Plus précisément, la couche de Pt s'étend par-dessus la couche de cristal d'alliage S10o,7Geo,3 de type p. La couche de Pt présente une épalsseur de 10 nm. On chauffe l'ensemble formé par le corps stratifié et la couche de Pt, à 350 C pendant 15 minutes, de telle façon qu'il se forme un film mince d'un alliage de Pt et Si. De cette façon, on forme une diode à barrière de Schottky PtSi/Geo.3Sio,7 de type p. Il est à remarquer que l'alliage PtSi peut contenir du Ge, et que le film en alliage PtSi peut être remplacé par un film en un alliage de Ir et Si, ou par un film en
un alliage de Ir, Si et Ge.
On a fabriqué de façon similaire d'autres échantillons de détecteurs de rayonnement infrarouge dan_ lesquels la couche de cristal d'alliage Sio. 7Geo,3 de type p est remplacée par une couche de cristal d'alliage S10o, 93Geo,o7 de type p, une couche de cristal d'alliage Sio,s5Geo,15 de type p ou une couche de cristal d'alliage Slo,79Geo,21 de type p. On a compare les caractéristiques électriques de ces échantillons de détecteurs de
rayonnement infrarouge.
La figure 2 présente les caractéristiques tension/ courant direct des échantillons mentionnés précédemment, c'est-a-dlre des diodes a barrière de Schottky PtSi/ Sli-xGex de type p. La figure 2 présente également les caracterlstlques tension/courant direct d'une diode à barrèlere de Schottky PtSi/Si de type p. Les caracterlstiques tenslon/courant direct de la figure 2 ont été obtenues à 77' K. A partir des caractéristiques tenslon/courant de la figure 2, on a calculé de façon connue les hauteurs de barrière de ces diodes à barrière de Schottky PtSi. Les hauteurs de barrières calculées sont de 0,19 eV, 0,16 eV, 0,14 eV et 0,13 eV, respectivement pour une fraction x de Ge de 0, 0,07, 0,15 et 0,21. Ainsi, une augmentation de la fraction x de Ge diminue la hauteur de barrière et augmente donc la valeur limite supérieure des longueurs d'onde détectées du
rayonnement infrarouge.
Dans un autre échantillon de détecteur de rayonnement infrarouge, la couche de Si de type p présente une concentration de porteur_ de 3.1017 cm-3 et une épaisseur de 50 nm. La couche de Slî-xGex de type p présente une concentration de porteurs de 7.1017 cm-3 et une épaisseur de 150 nm. Dans cette couche de Sia-xGex de
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type p, la teneur en Ge varie progressivement, c'est-a-
dire que la fraction x de Ge augmente de 0 à 0,3 quand on s'éloigne de la couche de Si de type p. La couche de cristal d'alliage Sio,7Geo,3 de type p présente une concentration de porteurs de 7.i017 cm-3 et une épaisseur
de 30 nm.
Comme on l'a décrit précédemment, la fraction x de Ge dans la couche de Slî-xGex varie depuis 0 jusqu'à une valeur limite superleure prédéterminée. On a trouve expérimentalement que, dans le cas de détecteurs de rayonnement infrarouge à diodes PtSi/Sïl-xGex de type p, la valeur limite supérieure de la fraction x de Ge se trouve de préférence dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,35. Dans le cas de détecteurs de rayonnement infrarouge à diodes du type IrSî/Sii-xGex de type p. la valeur limite supérieure de la fraction x de Ge se trouve de
préférence dans l'intervalle allant de 0,20 à 0,30.
Claims (7)
1. Détecteur de rayonnement infrarouge comportant un metal et un semiconducteur dont la jonction s'effectue par l'intermédiaire d'une barrière de potentiel a effet de redressement, caractérisé en ce que le semiconducteur comporte une couche epltaxlale de cristal d'alliage Sli-xGex de type p. que l'on a fait croître sur un substrat de Si. l'indice x désignant la
fraction atomique de Ge.
2. Detecteur de rayonnement infrarouge conforme a la revendication 1, caractérisé en ce que la couche épitaxlale de Sil-xGex de type p se trouve sous
contrainte et est donc commensurable au substrat de Si.
3. Detecteur de rayonnement infrarouge conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est choisi dans le groupe constitué par Pt, un alllage de Pt
et Si, et un alliage de Pt, Si et Ge.
4. Détecteur de rayonnement infrarouge conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est choisi dans le groupe constitué par Ir, un alliage de Ir
et Si, et un alliage de Ir, Si et Ge.
5. Détecteur de rayonnement infrarouge conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on a fait croître par épitaxie à faisceaux moléculaires le cristal d'alliage Sii-xGex de type p.
6. Détecteur de rayonnement infrarouge conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de Sli-xGex comprend une couche dans laquelle la teneur en Ge augmente progressivement quand on va de la surface du
substrat vers la surface de la couche épltaxlale.
7. Camera a infrarouges a DTC. comprenant un detecteur de rayonnement infrarouge conforme à l'une
quelconque des revendications precédentes.
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