FR2852146A1 - Imager with direct conversion of photons to electrons, incorporating an epitaxial layer, for the detection of X rays for medical and industrial applications such as luggage examination at airports - Google Patents
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Abstract
Description
ii
La présente invention concerne un imageur pour la détection de rayons X à conversion directe de photons en électrons et son procédé de fabrication. The present invention relates to an imager for the detection of X-rays with direct conversion of photons to electrons and its manufacturing method.
Il existe deux catégories de détecteurs de photons X permettant une acquisition de l'image sous forme digitale. La première met en oeuvre une 5 couche photosensible (par exemple un phosphore) qui transforme les photons X en photons visibles, lesquels sont ensuite détectés par les techniques applicables à ces derniers. La seconde utilise des matériaux semiconducteurs qui transforment directement les photons X en électrons. Ces derniers détecteurs ont de nombreux avantages par rapport aux couches 10 photosensibles. Ils permettent en principe l'acquisition d'images à une cadence plus rapide et présentent des performances (efficacité de collection ou sensibilité, bruit, dynamique, vitesse d'acquisition) supérieures. There are two categories of X-ray photon detectors for image acquisition in digital form. The first uses a photosensitive layer (for example a phosphor) which transforms the X photons into visible photons, which are then detected by the techniques applicable to the latter. The second uses semiconductor materials which directly transform X photons into electrons. These latter detectors have many advantages over the photosensitive layers. In principle, they allow images to be acquired at a faster rate and have higher performance (collection efficiency or sensitivity, noise, dynamics, acquisition speed).
Les détecteurs de la seconde catégorie actuellement fabriqués avec un matériau semi-conducteur massif, comme le Silicium, le Tellurure de 15 Cadmium (CdTe) ou le CdZnTe (CZT) par exemple, utilisent une zone dite de déplétion dans laquelle il existe un champ électrique permettant à une paire électron-trou créée par l'absorption d'un photon d'être collectée pour former ainsi un signal électrique. Une telle zone de déplétion est obtenue en utilisant des structures p/n, p/i/n ou des barrières de Schottky. Cette zone active pour 20 la détection de particules pénétrant le détecteur, doit présenter une épaisseur importante pour absorber efficacement les photons X, de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres suivant l'énergie des photons et le matériau utilisé. The second category detectors currently manufactured with a solid semiconductor material, such as Silicon, Cadmium Telluride (CdTe) or CdZnTe (CZT) for example, use a so-called depletion zone in which there is an electric field allowing an electron-hole pair created by the absorption of a photon to be collected to thereby form an electrical signal. Such a depletion zone is obtained by using p / n, p / i / n structures or Schottky barriers. This active zone for detecting particles penetrating the detector must have a large thickness in order to efficiently absorb the X photons, of the order of several hundred micrometers depending on the energy of the photons and the material used.
Dans les matériaux massifs, la zone active peut avoir l'épaisseur suffisante du fait des défauts qu'ils contiennent, lesquels compensent les 25 porteurs libres (liés au dopage résiduel). Mais les matériaux massifs n'ont pas les qualités optima pour la détection, en particulier pour l'imagerie: les défauts qu'ils contiennent réduisent fortement la durée de vie des porteurs de charge et leurs propriétés électroniques, du fait de la répartition inhomogène des défauts, ne sont pas homogènes à l'échelle du détecteur. In solid materials, the active area may have sufficient thickness due to the defects they contain, which compensate for the free carriers (linked to residual doping). However, solid materials do not have the optimum qualities for detection, in particular for imaging: the defects that they contain greatly reduce the lifetime of charge carriers and their electronic properties, due to the inhomogeneous distribution of faults, are not homogeneous on the scale of the detector.
Il existe des matériaux ne contenant pas (ou très peu) de défauts permettant aux porteurs de charges d'avoir une durée de vie optimale et dont les propriétés sont homogènes sur de grandes surfaces: ce sont des couches obtenues par croissance épitaxiale. Dans ce cas, le dopage résiduel n'est pas compensé par les défauts, ce qui limite fortement la largeur de la zone de 35 déplétion. L'application d'une polarisation inverse peut permettre d'augmenter la largeur de cette zone mais il existe un seuil, la tension de claquage. Des tensions proches de cette valeur peuvent même s'avérer insuffisantes pour obtenir la déplétion complète de la structure. Par exemple, une couche possédant initialement 1 x 1013 cm-3 dopants résiduels (valeur limite rarement 5 atteinte en croissance épitaxiale) ne pourra subir une déplétion que sur une zone atteignant quelques dizaines de micromètres pour une tension acceptable de l'ordre de 50 V. Les structures de ces détecteurs peuvent donc s'avérer insuffisantes pour collecter l'ensemble des charges créées et atteindre les limites de détection de rayons X. On connaît par ailleurs des détecteurs dits à dérive en Silicium ("Silicon Drift Detector" - SDD) qui permettent de réaliser la déplétion totale de porteurs de charge. Un champ électrique ayant une forte composante parallèle à la surface du détecteur envoie les porteurs de charge, générés par l'absorption d'un photon, vers une électrode de collection disposée par 15 exemple au coeur d'un ensemble d'anneaux. Les porteurs peuvent dériver sur une distance importante parce que leur durée de vie est très grande dans ce matériau. There are materials which do not contain (or very few) defects allowing the charge carriers to have an optimal lifetime and whose properties are homogeneous on large surfaces: these are layers obtained by epitaxial growth. In this case, the residual doping is not compensated for by the defects, which greatly limits the width of the depletion zone. The application of a reverse polarization can make it possible to increase the width of this zone but there is a threshold, the breakdown voltage. Tensions close to this value may even prove to be insufficient to obtain complete depletion of the structure. For example, a layer initially having 1 x 1013 cm-3 residual dopants (limit value rarely 5 reached in epitaxial growth) can only undergo depletion in an area reaching a few tens of micrometers for an acceptable voltage of the order of 50 V The structures of these detectors may therefore prove to be insufficient to collect all of the charges created and reach the limits of detection of X-rays. We also know detectors known as drifting in Silicon ("Silicon Drift Detector" - SDD) which allow the complete depletion of charge carriers. An electric field having a strong component parallel to the surface of the detector sends the charge carriers, generated by the absorption of a photon, to a collection electrode arranged for example in the heart of a set of rings. Carriers can drift a long distance because their lifespan is very long in this material.
Ces chambres de dérive ne sont connues que pour des détecteurs individuels dont les surfaces actives sont de l'ordre d'une dizaine de mm2, 20 c'est-à-dire grandes devant les dimensions typiques de détecteurs individuels définissant les pixels d'un imageur. Ces détecteurs ne sont donc pas adaptés pour l'imagerie qui met en oeuvre une matrice de détecteurs individuels, dont le nombre peut aller jusqu'à plusieurs centaines de 1000. These drift chambers are only known for individual detectors whose active surfaces are of the order of ten mm 2, that is to say large compared to the typical dimensions of individual detectors defining the pixels of a imager. These detectors are therefore not suitable for imaging which implements an array of individual detectors, the number of which can range up to several hundreds of 1000.
On connaît enfin un dispositif et un procédé de fabrication, rapide et 25 non polluant, d'un détecteur électronique en GaAs présentant une forte sensibilité pour la détection de rayons X {Bourgoin J., WO 02061852}. Selon ce procédé, on forme sur un substrat n+ (ou p+) un matériau épitaxial ayant des propriétés électroniques très uniformes dont l'épaisseur est suffisante pour absorber efficacement les photons X. Le matériau épitaxial obtenu 30 présente un certain dopage résiduel, lequel peut être réduit dans une certaine limite une fois le détecteur fini, par irradiation uniforme avec des électrons de 1 MeV environ et à une dose ajustée. Cependant les qualités de ce détecteur peuvent encore être améliorées en maximisant la collection du signal généré par les radiations pénétrant le détecteur. Finally, there is known a device and a method for manufacturing, quickly and non-polluting, an electronic GaAs detector having a high sensitivity for the detection of X-rays {Bourgoin J., WO 02061852}. According to this process, an epitaxial material having very uniform electronic properties is formed on an n + (or p +) substrate with very uniform electronic properties, the thickness of which is sufficient to effectively absorb the X photons. The epitaxial material obtained has a certain residual doping, which can be reduced to a certain limit once the detector is finished, by uniform irradiation with electrons of about 1 MeV and at an adjusted dose. However, the qualities of this detector can be further improved by maximizing the collection of the signal generated by the radiation penetrating the detector.
L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif simple dans sa conception et dans son mode opératoire, rapide et économique, pour la réalisation d'imageurs utilisant des couches épitaxiales et présentant une sensibilité accrue pour la détection de rayons X en utilisant le principe de la chambre de dérive. The objective of the present invention is to propose a method and a device which is simple in its design and in its operating mode, rapid and economical, for producing imagers using epitaxial layers and having increased sensitivity for the detection of X-rays. using the drift chamber principle.
A cet effet, l'invention concerne un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X comportant une couche épitaxiale d'un matériau semi-conducteur non intentionnellement dopée ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite 10 couche étant formée sur un substrat n+ (ou p+), ledit imageur comportant des détecteurs individuels définissant chacun un pixel de l'imageur. To this end, the invention relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a forbidden band of the order 1.5 eV, said layer being formed on an n + (or p +) substrate, said imager comprising individual detectors each defining a pixel of the imager.
Selon l'invention, - chaque détecteur individuel comprend une première électrode comprenant ledit substrat n+ (ou p'), une deuxième électrode comportant une 15 couche n+ (ou p+) formée sur la couche épitaxiale externe et une troisième électrode comportant une couche p+ (ou n+) placée sur la même face du détecteur individuel que la deuxième électrode, - les première et deuxième électrodes sont reliées électriquement pour être au même potentiel électrique. According to the invention, - each individual detector comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p '), a second electrode comprising a layer n + (or p +) formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + ( or n +) placed on the same face of the individual detector as the second electrode, - the first and second electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.
Dans différents modes de réalisation particuliers de détecteurs individuels sur la surface externe de la couche, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles, suivant la taille du pixel: - la deuxième électrode couvre au moins 60% de la surface dudit 25 détecteur individuel, - la deuxième électrode couvre au moins 90% de la surface dudit détecteur individuel, - la couche épitaxiale non intentionnellement dopée a une épaisseur d' qui dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et qui est 30 comprise entre 100 prm et 1 mm, - l'imageur comporte au moins une ligne de contact pour relier électriquement les deuxièmes électrodes desdits détecteurs individuels au substrat n+ (ou p+), - la couche épitaxiale est en GaAs, - la couche épitaxiale est en InP, - la couche épitaxiale est en GaP, -la couche épitaxiale est en CdTe. In different particular embodiments of individual detectors on the external surface of the layer, each having its particular advantages and susceptible of numerous possible technical combinations, depending on the size of the pixel: the second electrode covers at least 60% of the surface of said 25 individual detector, - the second electrode covers at least 90% of the surface of said individual detector, - the unintentionally doped epitaxial layer has a thickness of which depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and which is included between 100 prm and 1 mm, - the imager comprises at least one contact line for electrically connecting the second electrodes of said individual detectors to the substrate n + (or p +), - the epitaxial layer is in GaAs, - the epitaxial layer is in InP , - the epitaxial layer is in GaP, - the epitaxial layer is in CdTe.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X, dans lequel -on forme sur un substrat n+ (ou p+) une couche épitaxiale d'un matériau semi-conducteur non intentionnellement dopée ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche épitaxiale ayant une épaisseur d' suffisante pour absorber efficacement les 10 photons X, - on diminue l'épaisseur du substrat par polissage mécano-chimique. The invention also relates to a method for manufacturing an imager with direct conversion of photons into electrons for detecting X-rays, in which an epitaxial layer of a semiconductor material is formed on an n + (or p +) substrate. unintentionally doped having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV, said epitaxial layer having a thickness of sufficient to efficiently absorb the 10 X photons, - the thickness of the substrate is reduced by chemical mechanical polishing .
Selon l'invention, - on implante des ions n+ (ou p+) sur la face externe de la couche épitaxiale, - on recuit ladite structure à une température 1 pendant un temps t1, - on définit des détecteurs individuels par masquage et décapage chimique, - on effectue une première passivation, - on réalise des premiers contacts ohmiques sur les deux faces après 20 masquage et une ligne de contact par évaporation métallique suivi d'un recuit, - on effectue une deuxième passivation de la surface externe entre détecteurs individuels, - on réalise des électrodes p+ (ou n') par masquage, décapage chimique et implantation d'ions p+ (ou n+) sur la face externe de la couche 25 épitaxiale, - on recuit ladite structure à une température 2 pendant un temps t2, - on réalise des deuxièmes contacts ohmiques sur lesdites électrodes de mesure après masquage. According to the invention, - n + (or p +) ions are implanted on the external face of the epitaxial layer, - said structure is annealed at a temperature 1 for a time t1, - individual detectors are defined by chemical masking and etching, - a first passivation is carried out, - first ohmic contacts are made on the two faces after masking and a contact line by metallic evaporation followed by annealing, - a second passivation of the external surface is carried out between individual detectors, - p + (or n ') electrodes are produced by masking, chemical etching and implantation of p + (or n +) ions on the external face of the epitaxial layer, - said structure is annealed at a temperature 2 for a time t2, - second ohmic contacts are made on said measurement electrodes after masking.
Dans différents modes de réalisation particuliers de détecteurs 30 individuels sur la surface externe de la couche, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: - l'épaisseur d' de la couche dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et est comprise entre 100 prm et 1 mm, - on réalise les contacts ohmiques par évaporation d'un alliage à base d'or suivi d'un recuit, - la couche épitaxiale est en GaAs, - la couche épitaxiale est en InP, - la couche épitaxiale est en GaP, - la couche épitaxiale est en CdTe. In different particular embodiments of individual detectors on the external surface of the layer, each having its particular advantages and susceptible of numerous possible technical combinations: the thickness of the layer depends on the energy of the X photons to be absorbed and of the material and is between 100 prm and 1 mm, - the ohmic contacts are produced by evaporation of a gold-based alloy followed by annealing, - the epitaxial layer is in GaAs, - the epitaxial layer is in InP, - the epitaxial layer is in GaP, - the epitaxial layer is in CdTe.
L'imageur ainsi réalisé peut être utilisé pour la détection de photons X d'énergie comprise entre quelque keV et 200 keV. Cet imageur peut également être utilisé pour des énergies de photons X supérieures mais le 10 plus faible coefficient d'absorption pour ces énergies en réduit la sensibilité. Il peut avantageusement être mis en oeuvre pour l'imagerie médicale (2 dimensions) et certaines applications industrielles (par exemple: examen de bagages d'aéroport (1 dimension)). The imager thus produced can be used for the detection of X photons with an energy between some keV and 200 keV. This imager can also be used for higher X photon energies but the lower absorption coefficient for these energies reduces the sensitivity. It can advantageously be used for medical imaging (2 dimensions) and certain industrial applications (for example: examination of airport baggage (1 dimension)).
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins 15 annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique des étapes successives la), lb), lc), ld), le), If), lg) et 1h) conduisant à la réalisation d'un imageur de rayons X, selon un mode de réalisation particulier de l'invention dans lequel l'électrode de mesure couvre au moins en partie la 20 deuxième électrode; - la figure 2 représente schématiquement un imageur en cours de fabrication comprenant une matrice (4x2) de détecteurs individuels (Fig. 2a) et une vue en coupe selon l'axe A-A de l'imageur avec l'électrode de mesure couvrant au moins en partie la deuxième électrode (Fig. 2b); - la figure 3 est une représentation schématique d'un détecteur individuel formé par une structure p/i/n montrant les lignes de potentiel guidant le signal de mesure généré dans la zone de déplétion (Fig. 3a) et d'un détecteur individuel avec ses lignes de potentiel d'un imageur X, selon un mode de réalisation de l'invention (Fig. 3b); Une des conditions requises pour l'application de détecteurs électroniques à l'imagerie, est que la dimension du matériau semi- conducteur sur lequel les détecteurs sont réalisés soit suffisamment grande et que ses propriétés soient homogènes. Or, l'obtention de couches épitaxiales de grande taille est liée à l'existence de barreaux monocristallins de grand 35 diamètre dans lesquels des substrats de bonne qualité cristallographique (mais dont les propriétés électroniques ne sont en général pas homogènes) peuvent être découpés. En outre, ces couches doivent être réalisées avec des matériaux à grand numéro atomique Z (i.e. ceux pour lesquels l'absorption des photons X est importante). L'imageur est donc constitué d'un 5 matériau semi-conducteur ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV. Le matériau semi-conducteur est alors choisi parmi l'un des matériaux présentant les caractéristiques requises, suivants: GaAs, InP et CdTe, GaP car les électrons libres dans ledit matériau ont une mobilité supérieure à 1000 cm2v-ls-' et une durée de vie grande. The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic representation of the successive steps la), lb), lc), ld), le), If), lg) and 1h ) leading to the production of an X-ray imager, according to a particular embodiment of the invention in which the measurement electrode at least partially covers the second electrode; - Figure 2 schematically shows an imager during manufacture comprising a matrix (4x2) of individual detectors (Fig. 2a) and a sectional view along the axis AA of the imager with the measuring electrode covering at least in part the second electrode (Fig. 2b); - Figure 3 is a schematic representation of an individual detector formed by a p / i / n structure showing the potential lines guiding the measurement signal generated in the depletion zone (Fig. 3a) and of an individual detector with its potential lines of an imager X, according to an embodiment of the invention (Fig. 3b); One of the conditions required for the application of electronic detectors to imaging is that the size of the semiconductor material on which the detectors are made is sufficiently large and that its properties are homogeneous. Now, obtaining large epitaxial layers is linked to the existence of monocrystalline bars of large diameter in which substrates of good crystallographic quality (but whose electronic properties are generally not homogeneous) can be cut. In addition, these layers must be made with materials with a large atomic number Z (i.e. those for which the absorption of X photons is important). The imager therefore consists of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV. The semiconductor material is then chosen from one of the materials having the following required characteristics: GaAs, InP and CdTe, GaP because the free electrons in said material have a mobility greater than 1000 cm2v-ls- 'and a duration of great life.
La figure 1 représente schématiquement dans le cas particulier du GaAs, les étapes successives du procédé conduisant à la fabrication d'un imageur de rayons X. La première étape la) consiste en la croissance de couches épitaxiales 1 d'épaisseur d' dépendant de l'énergie des photons à détecter sur un substrat n+ (ou p+). La méthode de croissance de couches 15 épitaxiales mise en oeuvre dans la présente invention a fait l'objet, dans un mode de réalisation particulier, d'une demande de brevet publiée WO 02061852 de la part de l'inventeur de la présente demande. Cette demande décrit un procédé et un dispositif de fabrication d'un détecteur électronique en GaAs pour la détection de rayons X. La croissance du matériau épitaxial 1 résulte d'une méthode visant à supprimer le transport des gaz jusqu'au substrat 2 pour obtenir un taux de croissance rapide. Pour cela, un matériau source ayant la même composition chimique que le matériau à faire croître (GaAs) est porté à une température Ti > 6000C (préférentiellement comprise entre 750 et 8500C) par une 25 chaufferette. Ladite chaufferette est constituée, par exemple, d'une résistance métallique recouverte de nitrure de bore. Le gaz réactif H20, sous une pression partielle bien définie interagit chimiquement avec le matériau source porté à la température Tl en créant des produits volatiles. Ces composés volatiles sont transportés par le gradient de pression jusqu'à un substrat n+ 30 (ou p+) porté à une température T2 < Ti (avantageusement inférieure d'au moins 500C) par une deuxième chaufferette identique à la première. Les produits volatiles recomposent alors à la surface du substrat n+ (ou p+) pour reformer GaAs et H20 gazeux. Ce dernier est alors de nouveau disponible pour participer au processus réactionnel. Il s'agit d'un système fermé: il n'est 35 donc pas besoin d'avoir un apport continu de gaz réactif. FIG. 1 schematically represents in the particular case of GaAs, the successive stages of the process leading to the manufacture of an X-ray imager. The first stage la) consists in the growth of epitaxial layers 1 of thickness dependent on l energy of the photons to be detected on an n + (or p +) substrate. The epitaxial layer growth method implemented in the present invention was the subject, in a particular embodiment, of a published patent application WO 02061852 from the inventor of the present application. This application describes a method and a device for manufacturing an electronic GaAs detector for detecting X-rays. The growth of the epitaxial material 1 results from a method aimed at suppressing the transport of gases to the substrate 2 to obtain a rapid growth rate. For this, a source material having the same chemical composition as the material to be grown (GaAs) is brought to a temperature Ti> 6000C (preferably between 750 and 8500C) by a heater. Said heater consists, for example, of a metal resistor covered with boron nitride. The reactive gas H20, under a well-defined partial pressure interacts chemically with the source material brought to the temperature Tl by creating volatile products. These volatile compounds are transported by the pressure gradient to a substrate n + 30 (or p +) brought to a temperature T2 <Ti (advantageously lower by at least 500C) by a second heater identical to the first. The volatile products then recompose on the surface of the substrate n + (or p +) to reform GaAs and H20 gas. The latter is then available again to participate in the reaction process. It is a closed system: there is therefore no need to have a continuous supply of reactive gas.
A cause de la différence de température relativement faible entre le matériau source et le substrat, imposée par la courte distance séparant lesdits éléments, la croissance de couche épitaxiale 1 s'effectue dans des conditions proches de l'équilibre réactionnel entre le cristal et le gaz réactif. Because of the relatively small temperature difference between the source material and the substrate, imposed by the short distance separating said elements, the growth of epitaxial layer 1 takes place under conditions close to the reaction equilibrium between the crystal and the gas. reagent.
La vitesse de croissance des couches épitaxiales 1 n'est fonction que des températures respectives, Tl et T2, du matériau source et du substrat n+ (ou p+), de la pression partielle p du gaz réactif. The growth rate of the epitaxial layers 1 is only a function of the respective temperatures, T1 and T2, of the source material and of the substrate n + (or p +), of the partial pressure p of the reactive gas.
Le matériau source est le matériau standard semi-isolant non intentionnellement dopé: il contient des dopants de type p et n en 10 concentration 1015 - 1016 cm-3 qui sont respectivement principalement C et Si d'après la littérature. Le matériau obtenu contient donc aussi ces impuretés dopantes mais dans des proportions différentes car leur transport dépend de la nature de celles-ci. The source material is the unintentionally doped semi-insulating standard material: it contains p and n type dopants in concentration 1015 - 1016 cm-3 which are respectively mainly C and Si according to the literature. The material obtained therefore also contains these doping impurities but in different proportions because their transport depends on the nature of these.
L'épaisseur d' de la couche 1 fabriquée dépend de l'énergie des 15 photons X à absorber et dans un mode de réalisation préféré, elle est comprise entre 100 prm et 1 mm. The thickness of the layer 1 produced depends on the energy of the 15 X photons to be absorbed and in a preferred embodiment, it is between 100 μm and 1 mm.
Après croissance de la couche épitaxiale 1, on diminue l'épaisseur du substrat 2 par polissage mécano-chimique (étape 2, Fig. lb)) pour uniformément ramener son épaisseur à moins de 10 pm. Dans une troisième 20 étape (Fig. lc)), on implante des ions pour former une couche 3 superficielle contrôlée en dopage (supérieur à 1018 cm-3) de type n+, respectivement p+. After growth of the epitaxial layer 1, the thickness of the substrate 2 is reduced by chemical mechanical polishing (step 2, FIG. Lb)) to uniformly reduce its thickness to less than 10 μm. In a third step (FIG. 1c), ions are implanted to form a doped controlled surface layer 3 (greater than 1018 cm-3) of type n +, respectively p +.
Dans un mode de réalisation et pour une couche épitaxiale en GaAs, on implante des ions Si+, respectivement Mg+ ou Be+, avec des énergies comprises entre 10 et 200 keV (avantageusement autour de 40 keV) et des 25 doses typiques (de l'ordre de 5 x 1013 atomes/cm2). Cette implantation est suivie d'un recuit thermique rapide à une température 1 (environ 850 OC) et pendant un temps court déterminé t1 (10s). On réalise ensuite un masquage par photolithographie et un décapage chimique (étape 4, Fig. ld)) pour former des détecteurs individuels 4, chacun desdits détecteurs 4 définissant un pixel 30 de l'imageur. Cette étape est suivie du dépôt d'une première couche isolante pour la passivation des surfaces décapées. On entend par "passivation", le dépôt d'un isolant sur les surfaces décapées afin de rendre celles-ci non conductrices, par exemple, par dépôt de nitrure de silicium (Si3N4) ou de silice (SiO2) (étape 5, Fig. le)). On effectue ensuite un masquage par 35 photolithographie pour réaliser une ouverture sur les pixels 4 afin de former des premiers contacts ohmiques 6 (étape 6, Fig. 1f)) sur les deux faces par évaporation d'un alliage métallique (multicouche) à base d'or, suivi d'un recuit à une température de l'ordre de 4000C et pendant un temps déterminé (de l'ordre de 300s). Cet alliage est par exemple AuGe ou NiAu pour les contacts 5 n+ et TiPtAu ou AuZn pour les contacts p+. Cette étape est suivie du dépôt d'une deuxième couche isolante 7 par dépôt de nitrure de silicium (Si3N4) ou de silice (SiO2) pour protection contre l'implantation p+, faite après ouverture de l'électrode de mesure. On réalise alors pour chaque détecteur individuel 4, une électrode de mesure 8 par masquage (étape 7, Fig. 1 g)) et implantations 10 d'ions p+ (ou n+) sur la face externe de la couche épitaxiale 1. Dans un mode de réalisation particulier, cette électrode de mesure 8 est disposée sur un des cotés latéraux du détecteur individuel 4. Les dimensions effectives de cette électrode de mesure 8 sont petites devant les dimensions du contact 9 n+ (ou p+) formé sur la même face du détecteur individuel 4. Avantageusement, ledit 15 contact 9 n+ (ou p+) couvre au moins 60% de la surface du détecteur individuel 4 et de préférence au moins 90%. Pour former cette électrode de mesure 8, on implante des ions Mg+ ou Be+, respectivement Si+, avec des énergies comprises entre 10 et 200 keV (avantageusement autour de 40 keV) et des doses typiques (de l'ordre de 5 x 1013 atomes/cm2). Cette implantation 20 est suivie d'un recuit thermique rapide à une température 2 (environ 850 0C) et pendant un temps court t2 (10s). On réalise ensuite un masquage après révélation et après révélation de la résine un décapage chimique pour former des deuxièmes contacts ohmiques 10 (étape 8, Fig. 1h)) sur lesdites électrodes de mesure 8 par évaporation d'un alliage à base d'or, suivi d'un 25 recuit à une température de l'ordre de 4000C et pendant un temps déterminé (300s). Cet alliage est par exemple AuGe ou NiAu pour les contacts n+ et TiPtAu ou AuZn pour les contacts p+. Ces deuxièmes contacts ohmiques 10 peuvent couvrir l'entière surface du pixel (Fig. 1h), ce qui permet une surface apparente pour l'électrode de mesure 8 bien supérieure à sa surface 30 effective. In one embodiment and for a GaAs epitaxial layer, Si + ions, respectively Mg + or Be +, are implanted, with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 x 1013 atoms / cm2). This implantation is followed by rapid thermal annealing at a temperature 1 (approximately 850 ° C.) and for a short determined time t1 (10s). Masking is then carried out by photolithography and chemical etching (step 4, FIG. 1d)) to form individual detectors 4, each of said detectors 4 defining a pixel 30 of the imager. This step is followed by the deposition of a first insulating layer for the passivation of the pickled surfaces. The term "passivation" means the deposition of an insulator on the etched surfaces in order to render them non-conductive, for example, by deposition of silicon nitride (Si3N4) or of silica (SiO2) (step 5, Fig. the)). Masking is then carried out by photolithography to make an opening on the pixels 4 in order to form first ohmic contacts 6 (step 6, Fig. 1f)) on both sides by evaporation of a metal alloy (multilayer) based on 'gold, followed by annealing at a temperature of the order of 4000C and for a determined time (of the order of 300s). This alloy is for example AuGe or NiAu for the 5 n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts. This step is followed by the deposition of a second insulating layer 7 by deposition of silicon nitride (Si3N4) or silica (SiO2) for protection against implantation p +, made after opening the measurement electrode. A measuring electrode 8 is then produced for each individual detector 4 by masking (step 7, FIG. 1 g)) and implantations 10 of p + (or n +) ions on the external face of the epitaxial layer 1. In a mode of particular embodiment, this measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4. The effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the contact 9 n + (or p +) formed on the same face of the detector Advantageously, said contact 9 n + (or p +) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%. To form this measurement electrode 8, Mg + or Be + ions, respectively Si +, are implanted with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 × 1013 atoms / cm2). This implantation 20 is followed by rapid thermal annealing at a temperature 2 (approximately 850 ° C.) and for a short time t2 (10s). Masking is then carried out after revelation and after revelation of the resin, a chemical etching to form second ohmic contacts 10 (step 8, FIG. 1h)) on said measurement electrodes 8 by evaporation of a gold-based alloy, followed by annealing at a temperature of the order of 4000C and for a determined time (300s). This alloy is for example AuGe or NiAu for the n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts. These second ohmic contacts 10 can cover the entire surface of the pixel (FIG. 1h), which allows an apparent surface for the measurement electrode 8 much greater than its effective surface 30.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas o la deuxième électrode 9 couvre au moins 90% de la surface du détecteur individuel 4. This embodiment is particularly advantageous in the case where the second electrode 9 covers at least 90% of the surface of the individual detector 4.
On relie électriquement le contact électrique 9 n+ (ou p+) formé sur la 35 couche externe du matériau épitaxial 1 et le substrat n+ (ou p+) 2. Ces deux électrodes 2, 9 sont ainsi au même potentiel électrique. On entend par "même potentiel électrique", un potentiel électrique sensiblement égal et pour le moins très différent du potentiel appliqué sur l'électrode de mesure 8. Dans un mode de réalisation préférentiel, après ou pendant la formation des 5 premiers contacts ohmiques 6 (étape 6, Fig. 1f)) mais avant le dépôt d'une deuxième couche isolante 7, on forme donc une ligne de contact 11 par évaporation métallique pour relier électriquement ces deux électrodes 2, 9. The electrical contact 9 n + (or p +) formed on the outer layer of the epitaxial material 1 and the substrate n + (or p +) 2 are electrically connected. These two electrodes 2, 9 are thus at the same electrical potential. The term "same electrical potential" means an electrical potential which is substantially equal and at the very least very different from the potential applied to the measuring electrode 8. In a preferred embodiment, after or during the formation of the first 5 ohmic contacts 6 ( step 6, Fig. 1f)) but before the deposition of a second insulating layer 7, a contact line 11 is therefore formed by metallic evaporation to electrically connect these two electrodes 2, 9.
Cette ligne de contact 11 peut être fermée par évaporation métallique à base d'or. This contact line 11 can be closed by metallic evaporation based on gold.
Le procédé de fabrication d'un imageur de rayons X de l'invention ne saurait être limité à la description qui précède et est susceptible de modifications avec l'évolution des technologies. Des substitutions et/ou des modifications dans les étapes du présent procédé peuvent être réalisées par un homme du métier sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Ainsi 15 certaines étapes du procédé peuvent être modifiées pour que les recuits d'implantation soient réalisés en même temps et avant la formation des premiers et deuxièmes contacts ohmiques. The manufacturing process of an X-ray imager of the invention cannot be limited to the above description and is subject to modification with the evolution of technologies. Substitutions and / or modifications in the steps of the present process can be carried out by a person skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Thus, certain steps of the method can be modified so that the implantation anneals are carried out at the same time and before the formation of the first and second ohmic contacts.
De même, les détecteurs individuels peuvent être fabriqués sur la face du substrat 2, après diminution de son épaisseur par polissage mécano20 chimique, au lieu de la face externe de la couche épitaxiale 1. Les étapes du procédé de l'invention conduisant à la fabrication d'un imageur restent identiques. Toutefois, les étapes conduisant à la formation des détecteurs individuels sont appliquées sur la face externe du substrat et donc l'épaisseur de la couche à décaper chimiquement est plus importante. Elle est en effet un 25 peu supérieure à l'épaisseur résiduelle du substrat 2 afin d'atteindre la couche épitaxiale 1. Similarly, the individual detectors can be manufactured on the face of the substrate 2, after its thickness has been reduced by chemical mechanical polishing, instead of the external face of the epitaxial layer 1. The steps of the process of the invention leading to the manufacture of an imager remain the same. However, the steps leading to the formation of the individual detectors are applied to the external face of the substrate and therefore the thickness of the layer to be chemically etched is greater. It is in fact slightly greater than the residual thickness of the substrate 2 in order to reach the epitaxial layer 1.
L'imageur ainsi réalisé permet avantageusement une irradiation du côté de la face externe de la couche épitaxiale 1 dans laquelle des ions n+ (ou p+ ) 3 ont été implantés. L'épaisseur de cette couche implantée et inactive 30 pour la détection, étant très inférieure à 1 pm et donc bien inférieure à l'épaisseur du substrat n+ (ou p') 2 de l'ordre de 10 pm, la fraction de charges induites par l'absorption de photons incidents dans le matériau épitaxial est ainsi augmentée par rapport à un imageur dans lequel les détecteurs individuels seraient réalisés sur la face externe de la couche épitaxiale. The imager thus produced advantageously allows irradiation on the side of the external face of the epitaxial layer 1 in which n + (or p +) ions 3 have been implanted. The thickness of this implanted and inactive layer 30 for detection, being much less than 1 μm and therefore much less than the thickness of the substrate n + (or p ′) 2 of the order of 10 μm, the fraction of charges induced by the absorption of incident photons in the epitaxial material is thus increased compared to an imager in which the individual detectors would be produced on the external face of the epitaxial layer.
L'invention concerne également un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X comportant une couche épitaxiale 1 d'un matériau semi-conducteur ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche 1 étant formée sur 5 un substrat n+ (ou p') 2. Le matériau semi-conducteur est alors choisi parmi l'un des matériaux présentant les caractéristiques requises, suivants: GaAs, InP, CdZnTe, CdTe et GaP. Dans un mode de réalisation préféré, l'épaisseur d' de la couche épitaxiale 1 dépend de l'énergie des photons X à absorber et elle est comprise généralement entre 100 prm et 1 mm. The invention also relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer 1 of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV, said layer 1 being formed on 5 a substrate n + (or p ') 2. The semiconductor material is then chosen from one of the materials having the required characteristics, the following: GaAs, InP, CdZnTe, CdTe and GaP. In a preferred embodiment, the thickness of the epitaxial layer 1 depends on the energy of the X photons to be absorbed and it is generally between 100 μm and 1 mm.
Cet imageur comporte des détecteurs individuels 4 définissant chacun un pixel. Chaque détecteur individuel 4 comprend une première électrode comprenant ledit substrat n+ (ou p+) 2, une deuxième électrode comportant une couche n' (ou p') 9 formée sur la couche épitaxiale externe et une troisième électrode comportant une couche p+ (ou n+) 8 placée sur la même 15 face du détecteur individuel 4 que la deuxième électrode 9. Les première 2 et deuxième 9 électrodes sont reliées électriquement pour être au même potentiel électrique. This imager includes individual detectors 4 each defining a pixel. Each individual detector 4 comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p +) 2, a second electrode comprising a layer n '(or p') 9 formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + (or n +) 8 placed on the same face of the individual detector 4 as the second electrode 9. The first 2 and second 9 electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.
Dans un mode de réalisation particulier, l'électrode de mesure 8 est disposée sur un des cotés latéraux du détecteur individuel 4. Les dimensions 20 effectives de cette électrode de mesure 8 sont petites devant les dimensions de la deuxième électrode 9 placée sur la même face du détecteur individuel. In a particular embodiment, the measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4. The effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the second electrode 9 placed on the same face of the individual detector.
Avantageusement, la deuxième électrode 9 comprenant le contact n+ (ou p+) couvre au moins 60% de la surface du détecteur individuel 4 et de préférence au moins 90%. La surface apparente de l'électrode de mesure 8 peut être 25 augmentée par rapport aux dimensions effectives de ladite électrode en formant les deuxièmes contacts ohmiques 10 sur ladite électrode de mesure 8 et sur l'isolant 7 couvrant la deuxième électrode 9 (Figure 2b). Advantageously, the second electrode 9 comprising the contact n + (or p +) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%. The apparent surface of the measurement electrode 8 can be increased relative to the effective dimensions of said electrode by forming the second ohmic contacts 10 on said measurement electrode 8 and on the insulator 7 covering the second electrode 9 (FIG. 2b) .
La Figure 3a montre schématiquement un détecteur individuel 12 formé par une jonction p/i/n. Par l'application d'une polarisation en sens inverse sur 30 les électrodes, la largeur de la zone de déplétion 13 est W. Les lignes de champ électrique 14 créées dans la structure p/i/n sont représentées en pointillés. L'absorption d'un photon dans la zone de déplétion 13 crée une charge induite 15 qui sous l'influence du potentiel existant dans ladite zone est rapidement collectée pour former un signal électrique de base. Les lignes 35 de champ électrique 14 guident ladite charge induite 15 vers les électrodes. il Figure 3a schematically shows an individual detector 12 formed by a p / i / n junction. By applying reverse polarization to the electrodes, the width of the depletion zone 13 is W. The electric field lines 14 created in the structure p / i / n are shown in dotted lines. The absorption of a photon in the depletion zone 13 creates an induced charge 15 which under the influence of the potential existing in said zone is rapidly collected to form a basic electrical signal. The electric field lines 35 14 guide said induced charge 15 towards the electrodes. he
Si la largeur W de la zone de déplétion ne s'étend pas totalement à travers la structure p/i/n, par exemple en raison d'un dopage résiduel, la charge induite peut être perdue pour la détection. Cependant une fraction est collectée par diffusion. If the width W of the depletion zone does not extend completely through the structure p / i / n, for example due to residual doping, the induced charge may be lost for detection. However, a fraction is collected by diffusion.
La collection des charges induites 15 dans la zone de déplétion 13 peut cependant être améliorée avec l'imageur X selon la présente invention. The collection of the charges induced 15 in the depletion zone 13 can however be improved with the imager X according to the present invention.
La Figure 3b montre les lignes de champ électrique créées dans la structure d'un détecteur individuel 4 de l'imageur X. Les lignes de champ 14 partent des première 2 et deuxième 9 électrodes qui sont au même potentiel 10 électrique pour rejoindre la troisième électrode placée, par exemple, latéralement sur la surface du détecteur individuel 4. Au coeur de la zone de déplétion les lignes de champ 14 dirigent parallèlement à la surface du détecteur les charges induites 15 vers la troisième électrode 8. L'ensemble des charges induites est donc guidé à travers la zone de déplétion 13 vers 15 l'électrode de mesure. FIG. 3b shows the electric field lines created in the structure of an individual detector 4 of the imager X. The field lines 14 start from the first 2 and second 9 electrodes which are at the same electric potential 10 to join the third electrode placed, for example, laterally on the surface of the individual detector 4. At the heart of the depletion zone the field lines 14 direct the induced charges 15 towards the third electrode parallel to the surface of the detector. All of the induced charges are therefore guided through the depletion zone 13 towards the measuring electrode.
Cet imageur peut avantageusement être utilisé par exemple lorsque le matériau épitaxial est en GaAs pour l'imagerie médicale (mammographie, soins dentaires, ...), certaines applications industrielles (exemple: examen des bagages d'aéroport), la diffraction en rayonnement synchrotron. This imager can advantageously be used for example when the epitaxial material is made of GaAs for medical imaging (mammography, dental care, etc.), certain industrial applications (example: examination of airport baggage), diffraction in synchrotron radiation .
. 20..CLMF: REVENDICATIONS. 20..CLMF: CLAIMS
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