FR2872345A1 - Procede de formation d'une zone de passivation sur un dispositif semi-conducteur, reseau de photodiodes sensibles au rayonnement infrarouge, son procede de fabrication et procede de passivation d'une surface d'un corps. - Google Patents
Procede de formation d'une zone de passivation sur un dispositif semi-conducteur, reseau de photodiodes sensibles au rayonnement infrarouge, son procede de fabrication et procede de passivation d'une surface d'un corps. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un réseau de photodiodes, et notamment un procédé de passivation d'une telle photodiodeUne couche (16) de passivation est déposée sur des surfaces exposées d'une jonction de diode p-n (15), la couche de passivation ayant une composition graduée constituée d'atomes du Groupe II qui diffusent dans une surface de la jonction (15). La couche de passivation possède une bande d'énergie interdite plus large que celle de la matière sous-jacente de la diode, de façon à repousser les trous et les électrons de la surface de la diode et à conférer à cette dernière de meilleures caractéristiques de fonctionnement.Dommaine d'appplication : fabrication de photodiodes, de photoconducteurs, de dispositifs à couplage de charges, de dispositifs métal-isolant-semi-conducteur, etc.
Description
2872345 1
L'invention concerne d'une façon générale des dispositifs semiconducteurs des Groupes II-VI, et en particulier un photodétecteur d'infrarouge du type HgCdTe, qui possède une couche de passivation des Groupes II-VI de composition graduelle, à bande interdite plus large, formée par un processus de substitution de cations.
Des photodiodes au tellurure de mercure-cadmium (Hg(1_X)CdXTe, où x est compris entre environ zéro et 1,0 et possède des valeurs habituelles allant de 0,2 à 0,4) sont habituellement fabriquées en réseaux à deux dimensions et comprennent une couche de passivation appliquée sur la surface supérieure du réseau, la couche de passivation comprenant du SiO2 photochimique à basse température, du ZnS évaporé ou du CdS obtenu par croissance anodique. Bien que convenant à certaines applications d'imagerie, il est apparu que, durant certaines étapes subséquentes de traitement qui impliquent le réseau, telles qu'un cycle de cuisson sous vide poussé, à 100 C, pour dégazer un vase de Dewar à vide qui renferme le réseau de photodiodes, une telle couche classique de passivation peut être désavantageuse. Par exemple, on a observé une dégradation de paramètres de performances essentiels tels que le courant de fuite, le rendement quantique, le bruit (en particulier aux basses fréquences), la réponse spectrale et l'aire optique. Cette dégradation est particulièrement évidente dans des détecteurs à grandes longueurs d'ondes où des variations du potentiel de surface approchent l'énergie de la bande interdite. La porosité de la couche de passivation et le manque d'adhérence sur la surface de HgCdTe sous- jacente sont également des problèmes courants observés avec les couches de passivation classiques décrites précédemment.
En outre, attendu que ces matières classiques de passivation ne forment pas plus qu'un revêtement sur la surface de HgCdTe, il est difficile ou impossible de 2872345 2 maîtriser les niveaux d'énergie à l'interface HgCdTe/passivation. Une limitation de ces revêtements classiques est qu'il est nécessaire à la fois d'établir et de maintenir des conditions de bande plate à l'interface HgCdTe/passivation si le réseau doit conserver un niveau souhaité de paramètres de performances, en particulier pendant et après un traitement à haute température et un stockage.
Les problèmes ci-dessus sont surmontés et d'autres avantages sont obtenus par une photodiode à infrarouge et un réseau de ces photodiodes réalisés conformément à l'invention. Selon un procédé de l'invention, il est décrit la formation d'une zone de passivation sur un dispositif semi- conducteur, qui comprend les étapes consistant à utiliser un corps constitué d'une matière des Groupes II-VI ayant une énergie ou des énergies de bande interdite caractéristiques; à préparer une zone de surface du corps; à former une couche constituée d'atomes du Groupe II recouvrant la surface préparée du corps; et à former une zone de passivation dans la zone de surface préparée, dans laquelle les atomes du Groupe II occupent des sites de cations en concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone de la surface. La surface peut être préparée par un processus d'attaque chimique de surface qui appauvrit la zone de surface d'atomes du Groupe II, ce qui a pour résultat des sites vacants de cations qui ont une concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone de surface. En conséquence, les atomes du Groupe II qui occupent ces sites de cations ont également une concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur.
Conformément à l'invention, l'étape consistant à utiliser un corps en une matière des Groupes II-VI peut 35 être réalisée par l'utilisation d'un corps de (Hgl_x)CdXTe Hg(l_x)ZnxTe ou de HgCdZnTe, et l'étape de formation d'une couche peut être réalisée par la formation d'une couche constituée de Cd, Zn, CdTe, ZnTe ou de HgCdTe ou HgZnTe ayant une énergie de bande interdite plus large que l'énergie ou les énergies de bande interdite caractéristiques du corps.
La zone de passivation peut être formée par recuit du corps et de la couche le recouvrant dans une atmosphère saturée en mercure.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1A est une vue en perspective schématique, non à l'échelle, d'une partie d'un réseau 1 de photodiodes 2 des Groupes II-VI ayant, conformément à l'invention, une couche 5 de passivation de composition graduelle qui est constituée d'une matière des Groupes II-VI; la figure 1B est une vue en coupe transversale d'une photodiode 10 ayant une couche 12 de base d'absorption de rayonnement, en HgCdTe, une couche 14 de coiffe en HgCdTe et une couche 16 de passivation graduelle; la figure 2 est un diagramme représentatif d'une bande d'énergie interdite de la photodiode passivée au CdTe ou au CdZnTe de la 1figure 1B; les figures 3A à 3F sont des vues en coupe transversale montrant diverses étapes d'un procédé selon l'invention pour la fabrication d'une couche de passivation graduelle sur une photodiode; les figures 4A à 4D sont des vues en coupe transversale représentatives d'une surface appauvrie d'une couche de HgCdTe, montrant la substitution de cations d'atomes du Groupe II dans la surface appauvrie; la figure 5 est un graphique montrant la 35 concentration de Cd en fonction de la profondeur et en 2872345 4 fonction du temps de recuit à 400 C dans une vapeur de Hg saturée; les figure 6A et 6B montrent une comparaison des courbes I-V pour une diode passivée conformément à l'invention et pour une photodiode passivée à SiO2 classique, respectivement, pour rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde; et les figures 7A et 7B montrent une comparaison de la valeur RoA en fonction du temps de stockage à 100 C pour un réseau classique de 5x5 diodes à passivation au SiO2, pour rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde, et à CdTe à couche graduelle, et pour des diodes isolées à surface variable, respectivement.
Bien que l'invention soit décrite dans le contexte d'un détecteur photovoltaïque de rayonnement de type mésa, éclairé par l'arrière, il convient de noter que les indications de l'invention s'appliquent aussi à des détecteurs de rayonnement photoconducteurs et à des détecteurs de rayonnement éclairés par l'avant. L'invention s'applique également à des dispositifs du type à homo-jonction et du type à hétérojonction, ainsi qu'à des dispositifs de type planaire dans lesquels une couche de base d'un type donné de conductivité possède des régions ou zones, ou encore "caissons", d'un type opposé de conduc- tivité, formés dans sa surface supérieure. Comme il apparaîtra ci-après, l'invention englobe aussi la passivation superficielle de dispositifs autres que des photo-diodes, tels que d'autres dispositifs bipolaires, ainsi que des dispositifs à couplage de charge et des dispositifs à métal- isolant-semi-conducteur qui comprennent une zone de matière semi- conductrice volumineuse des Groupes II-VI.
En référence d'abord à la figure 1A, il est montré une vue en perspective schématique, de dessus, d'une partie d'un réseau 1 de photodiodes 2, la vue n'étant pas à l'échelle. Les photodiodes sont constituées d'une matière 2872345 5 des Groupes II-VI, telle que Hg(1_x)CdxTe, Hg(1_x)ZnxTe ou HgCdZnTe. La matière est différenciée en une matière ayant un premier type de conductivité et une matière ayant un second type de conductivité pour former plusieurs jonctions de diodes. On peut voir que le réseau 1 comprend plusieurs photodiodes 2 qui sont disposées en un réseau régulier, à deux dimensions. Un rayonnement infrarouge incident, qui peut être de grande longueur d'onde, de longueur d'onde moyenne ou de courte longueur d'onde, arrive sur une surface du réseau 1. Celui-ci illustre une forme de réalisation de l'invention comprenant une couche de base 3 absorbant le rayonnement, formée d'une matière semi-conductrice du type Hg(1_x) CdxTe, la valeur de x déterminant la sensibilité du réseau à un rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde, de longueur d'onde moyenne ou de courte longueur d'onde. Chacune des photodiodes 2 est définie par une structure mésa 6, les mésas étant habituellement formés par gravure de gorges de forme en V, se croisant, dans la couche de base, à travers une couche de coiffe la recouvrant, qui possède un type de conductivité opposé à celui de la couche de base. Chacune des photo- diodes 2 présente une zone de métallisation de contact 4 sur sa surface supérieure, la métallisation servant à coupler électriquement une photodiode sous-jacente à un dispositif de lecture ou d'affichage (non représenté), habituellement par l'intermédiaire d'un bossage ou d'un plot d'indium (non représenté). La surface supérieure du réseau 1 comporte aussi, conformément à l'invention, une couche 5 de passivation constituée d'une couche de matière des Groupes II-VI dont la composition est graduée en fonction de la profondeur.
En référence à présent à la figure 1B, celle-ci montre en coupe transversale l'une des photodiodes du réseau 1, en particulier une photodiode 10 à hétérojonction en HgCdTe, à double couche, ayant une surface inférieure 2872345 6 destinée à recevoir un rayonnement infrarouge. La photo-diode 10 comprend une couche de base 12 dans laquelle le rayonnement incident est absorbé, ce qui a pour effet de générer des porteurs de charges. La couche de base 12 absorbant le rayonnement peut être en une matière semi-conductrice de type p ou de type n et elle comporte une couche 14 de coiffe qui est d'un type de conductivité opposé pour former une jonction p-n 15. Par conséquent, si la couche de base 12 absorbant le rayonnement est en HgCdTe de type p, la couche de coiffe 14 est en HgCdTe de type n. Les porteurs de charges générés par l'absorption d'un rayonnement infrarouge provoquent la circulation d'un courant à travers la jonction 15, cette circulation de courant étant détectée par un circuit de lecture (non représenté) qui est couplé à la photodiode 10.
Par exemple, la couche de base 12 peut être de type p et peut être dopée à l'arsenic à une concentration d'environ 5x1015 à environ 5x1016 atomes/cm3. La couche de coiffe 14 peut être de type n par dopage à l'indium à une concentration d'environ 1016 à environ 1017 atomes/cm3.
Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, les surfaces supérieures de la couche de base 12 en Hg(1_x)CdxTe et de la couche de coiffe 14 sont passivées par gradation de la composition chimique, ou valeur x, perpendiculairement à la surface, la composition chimique étant graduée à partir de celle de la matière active du détecteur jusqu'à une valeur x plus grande suffisante pour engendrer une zone de bande interdite plus large et générer ainsi une barrière réfléchissante à la fois pour les électrons et les trous. Une telle couche de passivation graduée 16 fonctionne avantageusement de façon à séparer électriquement la matière active du détecteur de la surface du dispositif. Par exemple, des photodétecteurs ayant une longueur d'onde de coupure d'environ 12 micromètres peuvent avoir une valeur x d'environ 0,2 qui est 2872345 7 graduée, conformément à l'invention, jusqu'à une valeur x d'environ 0,5 S x -< 1, 0 à la surface extérieure de la couche de passivation.
Selon un procédé préféré de l'invention, la graduation de la couche 16 de passivation est réalisée par un processus de substitution de cations dans lequel des atomes d'une substance du Groupe II, tels que du Cd ou du Zn, sont diffusés sous température élevée dans la surface d'une matière sousjacente des Groupes II-VI. La matière sous-jacente peut comprendre du HgCdTe. Les atomes diffusés occupent des sites de cations précédemment occupés par des atomes de Hg et/ou Cd. On obtient de meilleures performances et une meilleure stabilité du dispositif car la jonction de diode p-n 15, et une zone d'appauvrissement de jonction de diode associée, sont enfouies au-dessous de la couche de passivation graduée 16 et sont ainsi isolées électriquement des désordres de la surface et des impuretés qui dégradent autrement le comportement ou les performances de la diode.
On peut apprécier que la zone graduée de la couche 16 de passivation forme une hétérostructure avec la matière sous-jacente du détecteur. Autrement, la structure cristalline de la couche 16 de passivation est sensiblement continue avec la structure cristalline des couches absorbant le rayonnement. Cette continuité cristalline prolonge avantageusement de façon continue la structure de bande interdite des couches 12 et 14 de HgCdTe, qui possèdent des énergies habituelles de 0,016 à 0,048 aJ, jusqu'à la bande interdite plus large de la couche de passivation graduée 16. Les couches 12 et 14 de HgCdTe peuvent avoir des bandes d'énergie interdites similaires ou différentes, inférieures à celle de la couche 16.
Par exemple, le CdTe possède une bande interdite d'environ 0,256 aJ. Il en résulte une inflexion de la bande de conduction vers le haut, repoussant ainsi 2872345 8 les électrons de l'interface HgCdTe/CdTe. Cette bande interdite plus large a en outre pour résultat d'infléchir la bande de valence vers le bas, repoussant ainsi les trous de l'interface. Ceci est montré sur la figure 2 et sera décrit plus en détail ci-après.
En référence de nouveau à la figure 1B, la diode 10 peut également comprendre une surcouche vitreuse 18 qui peut être constituée de toute matière diélectrique convenable telle que Si3N4, SiO2 ou ZnS. Le contact 20 peut être constitué d'une matière convenable quelconque pouvant être utilisée pour former un contact ohmique avec la couche de coiffe 14. Le contact métallique 20 ne diffuse avantageusement pas notablement dans la couche de coiffe 14. Des métaux qui conviennent pour former le contact 20 compren- nent le palladium et le titane.
En référence à présent à la figure 2, il est représenté un diagramme de bandes d'énergie idéalisé de la photodiode 10 de la figure 1B, dans laquelle la couche 16 de passivation à bande interdite plus large est constituée de CdTe et la matière de bande interdite plus étroite comprend soit la couche de base 12 en HgCdTe, soit la couche de coiffe 14 en HgCdTe. Comme on peut le voir, il est représenté une énergie potentielle variant de façon continue dans les bandes de conduction et de valence de façon que la bande de conduction soit infléchie vers le haut et la bande de valence soit infléchie vers le bas. Il en résulte la répulsion à la fois des électrons et des trous, respectivement, à partir de l'interface HgCdTe/pas- sivation graduée. Cette répulsion à la fois des électrons et des trous à partir de l'interface, dans laquelle la densité relativement élevée de dislocations réticulaires et d'impuretés provoquerait autrement des courants excessifs par génération d'état en surface et une durée de vie réduite des porteurs, a pour résultat que la photodiode de l'invention présente un comportement supérieur à celui des 2872345 9 photodiodes classiques passivées au SiO2.
En outre, la surface supérieure de la couche de passivation graduée 16 peut être dopée de façon à isoler des charges présentes, par exemple, sur la surface du CdTe, de la surface de HgCdTe sous-jacente. Sur le diagramme de la figure 2, la surface supérieure de la couche 16 de passivation en CdTe a été dopée avec une impureté de type n. Si cela est souhaité, on peut utiliser, à la place, une impureté de type p. Une concentration habituelle de dopage de la surface supérieure de la couche 16 de passivation est d'environ 1017 atomes/cm3.
En référence aux figures 3A à 3F, il est illustré un procédé avantageux de fabrication d'une couche de passivation à hétérojonction graduée. Bien que les figures 3A à 3F illustrent ce procédé avantageux en liaison avec une photodiode de type mésa, il convient de noter que le procédé de l'invention peut également s'appliquer à des photodiodes en HgCdTe de type planaire et à des réseaux de ces photodiodes.
La figure 3A montre une vue en coupe transversale d'une structure 30 d'hétérojonction HgCdTe à double couche ayant une couche de base 32 en HgCdTe et une couche de coiffe 34 en HgCdTe. Les couches 32 et 34 de base et de coiffe peuvent être dopées chacune avec une impureté convenable de manière que l'une soit une matière conductrice de type p et l'autre une matière conductrice de type n, ou bien elles peuvent être réalisées au type n ou au type p par tout procédé connu convenable.
La figure 3B montre la structure de la figure 3A après que des mésas 36 ont été gravés pour isoler des diodes individuelles, chaque mésa définissant une photo- diode. Les mésas 36 peuvent être engendrés par l'utilisa- tion de techniques classiques de photolithographie et de gravure ou attaque chimique. On procède ensuite à une étape de préparation de surface. Selon un procédé de l'invention, 2872345 10 l'étape de préparation de surface comprend un processus de gravure ou d'attaque chimique de la surface qui enlève sélectivement à la fois du Cd et du Hg de zones de surface exposées de la matière HgCdTe, appauvrissant ainsi la zone de surface d'atomes du Groupe II. Ce processus d'attaque de la surface est décrit plus en détail ci-après. Une couche de matière de source 38 est ensuite appliquée sur la surface extérieure des mésas 36 et des parties exposées de la couche de base 32 absorbant le rayonnement. Cette couche de matière de source est représentée sur la figure 3C. Sur la figure 3D, on peut voir que des parties de la couche 38 de matière de source sont ensuite enlevées pour définir des zones où une métallisation de contact sera ensuite déposée. Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche 38 de matière de source est constituée de CdTe qui est appliqué par un processus d'évaporation thermique. Il convient cependant de noter que tout processus convenable de dépôt peut être utilisé pour déposer la couche 38. De plus, la couche 38 peut comprendre une matière autre que le CdTe. Par exemple, la couche 38 peut être constituée de Cd élémentaire, de Zn élémentaire, d'un alliage de zinc tel que ZnTe, de HgCdTe ou de HgZnTe qui possède une bande d'énergie interdite plus large que celle de la matière sous-jacente ou que toute matière convenable du Groupe II ayant une valence de +2.
La figure 3E montre la structure 30 de la photodiode à la suite d'un processus de chauffage qui provoque une diffusion du Cd de la couche 38 de matière de source dans les couches 32 et 34 de base et de coiffe en Hg(l_x)CdxTe, respectivement. Ce processus de chauffage a également pour résultat une diffusion correspondante de Hg dans une direction opposée. Cette diffusion du Cd vers l'intérieur provoque une gradation de la composition, ou valeur x, d'environ x=1,0 à la surface extérieure de la couche 38 à la valeur de x du HgCdTe qui constitue les 2872345 11 couches 32 et 34 de base et de coiffe. Cette couche diffusée, ou zone graduée, est montrée schématiquement sur la figure 3E sous la forme de plusieurs normales 39 à la surface.
Sur la figure 3F, il est représenté une partie achevée du réseau de photodiodes après l'application d'une métallisation 40 de contact sur les photodiodes individuelles. La figure 3F montre aussi la surcouche vitreuse facultative 42.
En référence aux figures 4A à 4D, il est illustré une zone de surface qui est appauvrie en Hg et Cd, ainsi que la diffusion vers l'intérieur du Cd ou du Zn pendant un processus de substitution de cations. Le mécanisme qui réalise la gradation de la composition de la zone de surface est lié à la diffusion des atomes de Cd de la couche 36 de source dans la surface de HgCdTe sous-jacente dans laquelle les atomes de Cd occupent des sites de cations proches de la surface, occupés précédemment par des atomes de Hg et de Cd. Ce processus de substitution de cations a lieu à des températures élevées en raison de l'instabilité thermique de la liaison Hg-Te. Une fois que la liaison Hg-Te est rompue par une activation thermique, un atome de Cd diffusant vers l'intérieur peut se lier à l'atome de Te. Au fur et à mesure qu'un nombre croissant de sites de cations est occupé par des atomes de Cd, la valeur x des surfaces des couches de base et de coiffe de HgCdTe augmente. Le profil de gradation qui en résulte est donc une fonction directe du profil de la diffusion du Cd. En conséquence, la bande d'énergie interdite de la zone graduée est accrue, en même temps que sont améliorées les stabilités chimique et thermique de cette zone.
Les atomes de Hg et de Cd peuvent être éliminés de la zone de surface supérieure pendant le processus précité de gravure ou d'attaque de la surface qui peut utiliser une solution de brome et d'éthylène-glycol, la 2872345 12 concentration de brome étant habituellement de 0,25 % en volume. La solution d'attaque peut être laissée en contact avec la surface pendant environ une à deux minutes. Comme on peut le voir sur la figure 4A, la zone de surface de la masse du HgCdTe est ainsi appauvrie à la fois en Hg et en Cd, le degré d'appauvrissement étant une fonction de la profondeur dans la masse de la matière. Comme on peut le voir sur la figure 4B, la couche 36 de source a été appliquée sur la zone de surface supérieure appauvrie. La partie extérieure de la surface supérieure devient habituellement contaminée par une couche d'oxyde et/ou d'hydrocarbure. Cette couche contaminée peut avoir une profondeur d'environ 10 nanomètres. Au-dessus de cette couche de surface contaminée se trouve la couche épuisée dans laquelle sont disponibles un certain nombre de sites vacants de cations qui, conformément à l'invention, sont occupés, par exemple, par des atomes de Cd qui diffusent vers l'intérieur à partir de la couche 36 de source durant un processus de recuit. Pendant ce recuit, certains atomes de Hg diffusant vers l'extérieur à partir de la masse de la matière peuvent également entrer dans la couche riche en Cd. Cependant, du fait de la différence importante entre les énergies des liaisons Cd-Te et Hg-Te, ces atomes de Hg ne se lient pas ou ne restent pas liés au Te du fait de la température élevée utilisée pendant le recuit. Par conséquent, ces atomes de Hg ne contribuent pas notablement à la composition de cette couche qui est donc enrichie en Cd. Cette couche enrichie en Cd, comme cela a été indiqué, est d'une composition graduée en fonction de la profondeur et possède aussi une bande d'énergie interdite plus large que celle de la masse de matière sous-jacente de HgCdTe. La couche enrichie en Cd peut avoir une profondeur d'environ plusieurs dizaines de nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres, une valeur de 500 nanomètres étant habituelle suivant le processus de préparation de surface et le temps 2872345 13 et la température de recuit. Il convient de noter que les atomes de Cd diffusant vers l'intérieur remplissent des sites vacants de cations engendrés par le processus de préparation de surface, à l'intérieur d'une zone d'une épaisseur d'environ 10 nanomètres, et diffusent aussi vers l'intérieur à des profondeurs beaucoup plus grandes. Ces atomes de Cd remplacent les atomes de Hg pour former une zone de composition graduée ayant une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres. Ainsi, environ 1000 couches moléculaires de HgCdTe peuvent exister à l'intérieur de la zone enrichie, les couches plus près de la surface étant plus riches en Cd que celles plus près de la masse de la matière du fait, en partie, du profil d'appauvrissement engendré durant le processus d'attaque de la surface. Par conséquent, cette couche enrichie est d'une composition graduée telle que la valeur de x est la plus élevée à la surface supérieure de la couche enrichie et approche progressivement de la valeur de x de la masse de la matière sous-jacente.
La préparation de la zone de surface supérieure peut provoquer ou non un appauvrissement des atomes du Groupe II. Dans une forme de réalisation de l'invention, la surface est préparée de façon qu'elle soit stoechiométrique (c'est-à-dire qu'il n'y ait pas d'appauvrissement de Cd ou de Hg). Cette zone de surface stoechiométrique est ensuite recuite afin que des atomes de Hg, qui sont libérés de la structure sous les effets de la chaleur, soient remplacés par des atomes de Cd. Cette préparation de surface et le recuit qui suit provoquent donc un élargissement, par substitution de cations, de la bande interdite à la surface extérieure. Cette substitution a lieu de la manière suivante. A 400 C (dans une atmosphère saturée en Hg), l'énergie thermique est suffisante pour rompre les liaisons Hg-Te, libérant ainsi des atomes de Hg dans le réseau cristallin de HgCdTe. Ensuite, des atomes de Cd, qui 2872345 14 pénètrent par diffusion dans le HgCdTe à partir de la matière de source de Cd recouvrant le réseau, se combinent avec les atomes de Te pour former les liaisons Cd/Te thermiquement plus stables.
La figure 4C montre une structure analogue pour le composé ternaire Hg(l_X)ZnXTe, dans laquelle du Zn est diffusé vers l'intérieur à partir de la couche 36 de source pour occuper des sites vacants de cations rendus disponibles par les processus précités d'attaque ou de gravure de surface et de diffusion.
Ainsi qu'on peut l'apprécier, la couche riche en Cd, à bande interdite plus large, sert aussi à isoler la matière HgCdTe sous-jacente de la couche de surface contaminée, réduisant ainsi avantageusement les effets de recombinaison en surface et de courant de fuite. Autrement dit, des porteurs de charges se trouvant dans le HgCdTe sous-jacent sont repoussés à l'écart de la surface contaminée par la couche riche en Cd, à bande interdite plus large. Le procédé de l'invention peut donc être mis en oeuvre avantageusement pendant la fabrication de divers types de dispositifs de photodétection, d'autres types de dispositifs à jonction bipolaire, de dispositifs à couplage de charges ainsi que de dispositifs du type métal-isolantsemi-conducteur, tels que des condensateurs MIS. L'inven- tion peut également être mise en oeuvre avantageusement pour la fabrication de photoconducteurs sensibles à un rayonnement infrarouge.
Comme montré sur la figure 4D, le procédé de l'invention peut être utilisé pour former une couche de passivation graduée, à bande interdite plus large, ayant une composition quaternaire. Autrement dit, la masse de la matière sous-jacente peut être constituée de HgCdTe, tandis que la couche 36 de source peut être constituée de Zn ou de ZnTe. La composition résultante de la couche de passivation est donc l'alliage quaternaire HgCdZnTe. En variante, la 2872345 15 matière de la masse peut comprendre du HgZnTe et la couche de source peut comprendre du Cd.
Selon un procédé avantageux de l'invention, la structure 30 des figures 3A à 3F est d'abord recuite à environ 400 C pendant environ 4 heures dans une atmosphère de vapeur de Hg saturée pour que l'on obtienne le profil de graduation souhaité. Ce premier recuit est suivi d'un second recuit à environ 150 C pendant environ 4 heures pour établir une quantité stoechiométrique de Hg dans la zone massive d'absorption. Ces étapes de recuit sont habituellement effectuées dans une ampoule renfermant une pression partielle de Hg.
La figure 5 montre la concentration de Cd, mesurée expérimentalement, en fonction de la profondeur et en fonction du temps de recuit à 400 C dans une vapeur saturée de Hg. Ainsi qu'on peut le voir, la concentration de Cd varie perpendiculairement à la surface et diminue graduellement.
Les figures 6A et 6B montrent une comparaison des courbes I-V pour des diodes passivées conformément à l'invention et pour des photodiodesclassiques passivées au SiO2, pour rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde, respectivement, les deux types de diodes étant fabriqués à partir de la même tranche de HgCdTe.
Les figures 7A et 7B montrent une comparaison des valeurs RoA en fonction d'un temps de stockage à 100 C pour un réseau de 5x5 diodes au CdTe à couche graduée et de diodes classiques passivées au SiO2, pour rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde, et de diodes isolées à surface variable, respectivement.
On peut aisément voir, sur les figures 6A, 6B, 7A et 7B que des photodiodes à infrarouge, réalisées conformément à l'invention, présentent des caractéristiques de fonctionnement supérieures à celles des photodiodes réalisées de façon à comporter une couche classique de 2872345 16 passivation au SiO2.
Comme on l'a déjà indiqué, des formes de réalisation actuellement préférées de l'invention ont été décrites ici. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux formes de réalisation décrites et représentées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, bien que les formes actuellement préférées de réalisation de l'invention aient été décrites dans le contexte d'un réseau de photodiodes de type mésa, on doit comprendre que les indications de l'invention s'appliquent aussi à des photodiodes de type planaire et, d'une façon générale, à tous dispositifs, tels que des photo-conducteurs, des dispositifs à couplage de charges ou des dispositifs métal-isolant-semi-conducteur, constitués de matières des Groupes II-VI.
2872345 17
Claims (50)
1. Procédé pour former une zone de passivation sur un dispositif semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un corps (12) constitué d'une matière des Groupes II-VI ayant une ou plusieurs bandes d'énergie interdites caractéristiques, à préparer une zone de surface (14) du corps, à former une couche (16) constituée d'atomes du Groupe II recouvrant la surface préparée du corps, et à former une zone de passivation dans la zone de surface préparée, les atomes du Groupe II occupant des sites de cations en concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone de surface.
2. Procédé selon la revendicaton 1, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation d'un corps en matière des Groupes II-VI consiste à utiliser un corps de Hg(1_x)CdxTe, Hg(1_x)ZnxTe ou HgCdZnTe.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une couche consiste à former une couche constituée de Cd, Zn, CdTe, ZnTe ou de HgCdTe ou de HgZnTe ayant une bande d'énergie interdite plus large que la ou les bandes d'énergie interdites caractéristiques du corps.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à doper une surface 25 supérieure de la zone de passivation.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une zone de passivation consiste à recuire le corps à une température prédéterminée pendant un intervalle de temps prédéterminé.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de recuit est exécutée à environ 400 C pendant environ 4 heures dans une atmosphère de vapeur saturée de Hg.
7. Procédé selon la revendication 6, carac-35 térisé en ce que l'étape de recuit comprend une autre étape 2872345 18 de recuit à environ 250 C pendant environ 4 heures.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à former une couche (18) constituée d'une matière diélectri- que sur une surface de la zone de passivation.
9. Procédé de formation d'une zone de passivation sur un dispositif semiconducteur (10), caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un corps (12) constitué d'une matière des Groupes II-VI ayant une ou plusieurs bandes d'énergie interdites caractéristiques, à appauvrir une zone de surface supérieure (14) du corps d'atomes du Groupe II pour y former des sites vacants de cations, à former une couche (16) constituée d'atomes du Groupe II recouvrant la zone appauvrie, et à former une zone de passivation à l'intérieur, au moins, de la zone de la surface supérieure du corps, dans laquelle les atomes du Groupe II occupent les sites vacants de cations en concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone.
10. Procédé selon la revendication 9, carac- térisé en ce que l'étape d'utilisation d'un corps en matière des Groupes II-VI consiste à utiliser un corps de Hg(1_X)CdXTe, Hg(1_X)ZnXTe ou HgCdZnTe.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une couche consiste à former une couche constituée de Cd, Zn, CdTe, ZnTe ou de HgCdTe ou de HgZnTe, ayant une bande d'énergie interdite plus large que la bande ou les bandes d'énergie interdites caractéristiques du corps.
12. Procédé selon la revendication 9, carac-30 térisé en ce qu'il consiste en outre à doper une surface supérieure de la zone de passivation.
13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une zone de passivation comprend une étape consistant à recuire le corps à une température prédéterminée pendant un inter- 2872345 19 valle de temps prédéterminé.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape de recuit est exécutée à environ 400 C pendant environ 4 heures dans une atmosphère de vapeur saturée de Hg.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de recuit comprend une autre étape de recuit à environ 250 C pendant environ 4 heures.
16. Procédé selon la revendication 9, carac- térisé en ce qu'il consiste en outre à former une couche (18) constituée d'une matière diélectrique sur une surface de la zone de passivation.
17. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape d'appauvrissement est effectuée par attaque ou gravure chimique d'une surface du corps.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la surface est gravée avec une solution de brome.
19. Réseau de photodiodes (10) sensibles à un rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé qui consiste à utiliser une couche (12) d'absorption de rayonnement ayant une surface destinée à recevoir un rayonnement infrarouge pour générer des porteurs de charges à partir du rayonnement infrarouge absorbé, la couche d'absorption de rayonnement comprenant une matière des Groupes II-VI ayant un premier type de conductivité électrique, à former plusieurs zones (14) en contact avec la couche, les zones comprenant une matière des Groupes II-VI qui possède un type de conductivité électrique opposé à celui de la couche afin de former plusieurs jonctions de diode p-n (15) avec cette couche à l'interface entre celle-ci et chacune des zones, à préparer des zones au moins de surfaces exposées des jonctions de diode p-n, et à former une zone (16) de passivation dans les zones de surfaces préparées, la zone de passivation 2872345 20 étant constituée d'atomes du Groupe II diffusés dans les zones de surfaces préparées, les atomes du Groupe II occupant des sites de cations en concentration décroissante en fonction de la profondeur dans les zones de surfaces préparées, la couche d'absorption de rayonnement et les zones ayant une première bande d'énergie interdite et une deuxième bande d'énergie interdite, respectivement, et la zone de passivation ayant une troisième bande d'énergie interdite qui est plus large que l'une ou l'autre des première et deuxième bandes d'énergie interdites.
20. Réseau de photodiodes selon la revendication 19, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et les diverses zones sont constituées de HgCdTe et en ce que les sites de cations sont occupés par des atomes de cadmium ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans les zones de surfaces préparées.
21. Réseau de photodiodes selon la revendication 19, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et les diverses zones sont constituées de HgCdTe et en ce que les sites de cations sont occupés par des atomes de zinc ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone de surface préparée.
22. Réseau de photodiodes selon la revendication 19, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et chacune des diverses zones sont constituées de HgZnTe et en ce que les sites de cations sont occupés par des atomes de cadmium ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans les zones de surfaces préparées.
23. Réseau de photodiodes selon la revendica- tion 19, caractérisé en ce que la couche d'absorption de.
rayonnement et chacune des zones sont constituées de HgZnTe et en ce que les sites de cations sont occupés par des 2872345 21 atomes de zinc ayant un profil de concentration décroissant progressivement en fonction de la profondeur dans les zones de surfaces préparées.
24. Réseau de photodiodes selon la revendica-5 tion 19, caractérisé en ce qu'une surface supérieure de la zone de passivation est dopée.
25. Procédé de fabrication d'un réseau de photodiodes (10) à infrarouge, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une couche de base (12) absorbant les rayonnements infrarouges et plusieurs zones (14) en contact avec la couche de base, la couche de base et chacune des zones étant constituées d'une matière des Groupes II-VI et ayant des types opposés de conductivité électrique afin de définir, à une interface entre elles, plusieurs jonctions de diodes p-n (15), la couche de base ayant une première bande d'énergie interdite caractéristique et les zones ayant une deuxième bande d'énergie interdite caractéristique, à préparer une zone de surface supérieure d'au moins chacune des jonctions de diodes p-n, à déposer une couche (16) constituée d'une matière du Groupe II sur les zones de surfaces préparées, et à recuire la couche déposée et la matière sous-jacente des Groupes II-VI à une première température prédéterminée pendant un premier intervalle de temps prédéterminé de manière que des atomes du Groupe II de la couche déposée diffusent dans les zones de surfaces préparées sous- jacentes dans lesquelles les atomes du Groupe II réagissent avec des atomes du Groupe VI, afin que soit formée une zone de passivation ayant une bande d'énergie interdite plus large que celle de la matière sous- jacente des Groupes II-VI.
26. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et les zones sont constituées de HgCdTe et en ce que la zone de passivation comprend une zone enrichie en atomes de cadmium ayant un profil de concentration décroissant 2872345 22 graduellement en fonction de la profondeur dans la surface de chacune des jonctions de diodes p-n.
27. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et les zones sont constituées de HgCdTe et en ce que la zone de passivation comprend une zone enrichie en atomes de zinc ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la zone de chacune des jonctions de diodes p-n.
28. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et chacune des zones sont constituées de HgZnTe et en ce que la zone de passivation comprend une zone enrichie en atomes de cadmium ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la surface de chacune des jonctions de diodes p-n.
29. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche d'absorption de rayonnement et chacune des zones sont constituées de HgZnTe et en ce que la zone de passivation comprend une zone enrichie en atomes de zinc ayant un profil de concentration décroissant graduellement en fonction de la profondeur dans la surface de chacune des jonctions de diodes p-n.
30. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche de base absorbant le rayonnement et chacune des zones sont constituées de Hg(1_x)CdxTe et en ce que la couche déposée est constituée de Cd.
31. Procédé selon la revendication 30, caractérisé en ce que la zone de passivation est une zone graduée constituée de Hg(l_x)CdxTe ayant une valeur de x comprise entre environ 0,5 et environ 1,0 à sa surface supérieure, la valeur de x étant graduée perpendiculaire-ment à la surface de façon que la valeur de x, à une profondeur prédéterminée, soit approximativement égale à la 2872345 23 valeur de x de la couche de base sous-jacente et des zones.
32. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche de base absorbant le rayonnement et chacune des zones sont constituées de Hg(l_x)ZnxTe et en ce que la couche déposée est constituée de Zn.
33. Procédé selon la revendication 32, caractérisé en ce que la zone de passivation est une zone graduée constituée de Hg(l_x)ZnxTe ayant une valeur de x comprise entre environ 0,5 et environ 1,0 à sa surface supérieure, la valeur de x étant graduée perpendiculaire-ment à la surface de manière que la valeur de x à une profondeur prédéterminée soit approximativement égale à la valeur de x de la couche de base sousjacente et des zones.
34. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que l'étape de recuit est exécutée à une température d'environ 400 C pendant environ 4 heures dans une ampoule contenant une pression partielle de Hg.
35. Procédé selon la revendication 34, caractérisé en ce que l'étape de recuit comprend une étape supplémentaire de recuit à une température d'environ 250 C pendant environ 4 heures dans une ampoule contenant une pression partielle de Hg.
36. Procédé selon la revendication 25, 25 caractérisé en ce qu'il consiste en outre à doper une surface supérieure de la zone de passivation.
37. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que l'étape de préparation consiste à graver ou attaquer chimiquement la surface.
38. Procédé selon la revendication 37, caractérisé en ce que la surface est attaquée avec une solution de brome.
39. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche de base absorbant le rayonnement et chacune des zones sont, constituées de HgZnTe 2872345 24 et en ce que la couche déposée est constituée de Zn.
40. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce que la couche de base absorbant le rayonnement et chacune des zones sont constituées de HgCdZnTe et en ce que la couche déposée est constituée de Cd.
41. Procédé de passivation d'une surface d'un corps constitué d'une matière des Groupes II-VI, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser le corps (12) en matière des Groupes II-VI, à appauvrir une zone de surface (14) à passiver d'atomes du Groupe II pour y engendrer des sites vacants de cations, à déposer une couche (16) constituée d'atomes du Groupe II sur la zone de surface appauvrie, et à recuire le corps et la couche à une température donnée pendant une période de temps donnée afin que les atomes du Groupe II se trouvant dans la couche diffusent dans la zone de surface appauvrie et se substituent dans les sites vacants de cations pour élargir une bande d'énergie interdite de la zone de surface et passiver la surface.
42. Procédé selon la revendication 41, caractérisé en ce que l'étape d'appauvrissement engendre des sites vacants de cations en nombres décroissant graduellement en fonction de la profondeur à partir de la surface.
43. Procédé selon la revendication 42, caractérisé en ce que la surface passivée comprend des atomes du Groupe II en concentration décroissant graduelle-ment en fonction de la profondeur à partir de la surface.
44. Procédé selon la revendication 42, caractérisé en ce que l'étape d'appauvrissement consiste à graver ou attaquer chimiquement la surface avec une solution de brome.
45. Procédé selon la revendication 41, 35 caractérisé en ce qu'il consiste en outre à doper la 2872345 25 surface passivée.
46. Procédé selon la revendication 41, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation d'un corps en matière des Groupes II-VI consiste à utiliser un réseau de photodiodes (10) sensibles à un rayonnement infrarouge.
47. Procédé selon la revendication 41, caractérisé en ce que l'étape d'utilisation d'un corps en matière des Groupes II-VI consiste à utiliser un réseau de photoconducteurs sensibles à un rayonnement infrarouge.
48. Procédé de passivation de la surface d'un corps constitué d'une matière des Groupes II-VI, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un corps (12) en matière des Groupes II-VI de composition sensiblement stoechiométrique, à déposer une couche (16) constituée d'atomes du Groupe II sur une surface du corps, et à recuire le corps et la couche afin que des atomes du Groupe II provenant de la couche occupent des sites vacants de cations à l'intérieur du corps, les sites vacants de cations étant engendrés au moins par des effets thermiques provoqués par l'étape de recuit.
49. Procédé selon la revendication 48, caractérisé en ce que l'étape de recuit engendre des sites vacants de cations en nombres décroissant graduellement en fonction de la profondeur à partir de la surface.
50. Procédé selon la revendication 48, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à doper la surface passivée.
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