FR2929001A1 - Dispositif de detection de rayonnement ultraviolet de type ebcmos hybride comportant une membrane insensible au rayonnement solaire - Google Patents

Dispositif de detection de rayonnement ultraviolet de type ebcmos hybride comportant une membrane insensible au rayonnement solaire Download PDF

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs de détection du rayonnement ultra-violet, de type «EBCMOS» hybride comportant une photocathode (1) et un détecteur matriciel (3) agencé de façon à détecter les électrons émis par la dite photocathode, le détecteur comportant une membrane (2) collectrice desdits électrons. Dans le dispositif selon l'invention, la membrane est réalisée dans un matériau dit « solar-blind », c'est-à-dire dans un matériau dont la longueur d'onde de coupure est inférieure ou égale à 280 nanomètres. Le matériau peut être le diamant ou un des matériaux de ladite membrane est un matériau semiconducteur appartenant à la famille (Ga, AI)N.

Description

Dispositif de détection du rayonnement ultraviolet de type EBCMOS hybride comportant une membrane insensible au rayonnement solaire
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de détection du rayonnement ultraviolet dans la bande d'absorption du rayonnement solaire, c'est à dire dans une bande spectrale dont les longueurs d'onde sont inférieures à 280 nanomètres, domaine spectral connu sous l'appellation : solar-blind . On sait, en effet, que le rayonnement solaire émis dans ce domaine de l'ultraviolet est absorbé par la couche d'ozone. La figure 1 représente l'éclairement solaire E en fonction de la longueur d'onde exprimée en nanomètres. Entre 300 nanomètres et 280 nanomètres, l'éclairement E dû au rayonnement solaire chute de plus de dix ordres de grandeur et devient insignifiant. Par conséquent, on peut utiliser cette bande spectrale inférieure à 280 nanomètres pour détecter tout rayonnement d'origine humaine sans être parasité par le rayonnement solaire. Les applications tant industrielles que scientifiques ou militaires sont multiples.
Bien entendu, les flux à détecter dans ces longueurs d'onde sont généralement très faibles et on utilise généralement des dispositifs à photocathode permettant la détection d'événements photoniques uniques. Ces photocathodes ne sont pas spécifiquement sensibles qu'au rayonnement ultraviolet et il est nécessaire de filtrer le rayonnement visible.
Ce filtrage est réalisé par un filtre dit solar blind . Les contraintes de rejet du flux visible étant de plus de huit ordres de grandeur sur quelques nanomètres, le filtre n'est pas simple à réaliser et a une transmission limitée de l'ordre de 10% due à l'accumulation des matériaux de filtrage. II présente également une faible tolérance angulaire due à la nature interférentielle de certains éléments optiques qui le composent. Une photocathode est un matériau capable de convertir un rayonnement lumineux en électrons par émission secondaire. La photocathode peut être une couche de métal présentant un travail d'extraction électronique faible. Elle peut également être une couche en matériau semi-conducteur qui a l'avantage de présenter une meilleure sélectivité spectrale. Parmi ceux-ci, le nitrure de gallium GaN ou le nitrure d'aluminium-gallium AIGaN possèdent de plus une affinité électronique dite négative : le niveau d'énergie des électrons dans la bande de conduction est supérieur à celui du niveau dit du vide. En pratique, les électrons doivent passer la barrière de potentiel présente à la surface de la photocathode. On résout ce problème par un abaissement du niveau de la barrière obtenu par la métallisation de la couche en matériau semi-conducteur ou par une orientation adéquate des bandes de conduction. Le matériau de la photocathode est caractérisé par une structure et des niveaux atomiques positionnés par rapport au niveau du vide. Le niveau de Fermi caractérise le niveau de remplissage des niveaux électroniques. Le champ électrique appliqué à l'échantillon vers l'extérieur définit la différence de potentiel entre les niveaux de Fermi de part et d'autre de l'interface. II permet de dépasser la différence d'énergie existant entre l'énergie des électrons dans la bande de conduction et le niveau du vide au delà du matériau. Les électrons peuvent alors s'échapper avec une certaine énergie cinétique. La diminution du travail de sortie des électrons peut être réalisée en utilisant des dépôts à base de couches métalliques. Le matériau utilisé peut être du césium, un oxyde de césium ou du baryum. Les métaux permettent de fixer le niveau de Fermi en surface de manière à rapprocher le niveau d'énergie des électrons situés dans la bande de conduction du niveau du vide. Ceci permet de plus aux électrons d'être accélérés vers la surface. Des structures comportant une variation graduelle des pourcentages respectifs de matériaux semi-conducteurs de type AIGaN et InGaN permettent d'accentuer cette accélération. Dans les couches métalliques permettant de diminuer le travail de sortie des électrons photo émis, ceux ci sont fournis par le métal lui même. II est donc avantageux de remplacer le métal par un semi-conducteur préférentiellement de type p dans lequel les électrons pouvant être émis sont ceux qui succèdent à l'absorption d'un photon d'énergie supérieure au gap , c'est-à-dire à l'énergie séparant la bande de valence de la bande de conduction. On obtient ainsi une sélectivité spectrale. A titre d'exemple, on peut utiliser des semi-conducteurs à gap direct comme l'arséniure d'indium- gallium ou InGaAs pour le proche infrarouge ou le nitrure d'aluminium-gallium AIGaN pour le rayonnement ultraviolet. Un dispositif complet de détection du rayonnement ultraviolet comprend généralement une photocathode et un dispositif d'amplification électronique introduisant un gain dans la chaîne de détection. La technologie traditionnelle est basée sur l'emploi de photocathodes et de galettes d'amplification et de multiplication électronique, technologie dite MCP pour Multi Channel Plate . Elle est illustrée en figure 2. Elle comprend une photocathode d'émission 1 et une galette de micro- canaux 10 (dessin de gauche de la figure 2). Les micro-canaux 10 amplifient les électrons primaires e émis par la photocathode 1 sous l'effet d'un rayonnement photonique hv , chaque électron primaire e" donnant plusieurs électrons secondaires chaque fois qu'il heurte la paroi 11 d'un micro-canal comme montré sur le dessin de droite de la figure 2. Le flux électronique est finalement appliqué à un écran phosphorescent dont l'image est ensuite transférée à un capteur de type CCD par l'intermédiaire d'un adaptateur à fibre optique encore appelé taper . Sa fonction est d'adapter la dimension de l'image à celle d'un imageur classique de type CCD ou CMOS . D'autres solutions à base de serpentins à lignes à retard permettent une analyse temporelle du signal détecté avec une résolution temporelle de quelques nanosecondes. Une troisième voie met en oeuvre le bombardement électronique direct des électrons secondaires issus de la photocathode sur des capteurs de type CCD et/ou CMOS amincis pour être sensibles aux rayonnements pénétrants peu dans le matériau, tel le rayonnement ultraviolet ou les rayonnements électroniques. Ces dispositifs optimisés pour la détection de l'ultraviolet permettent de collecter les porteurs créés sur la face arrière du silicium en diminuant l'épaisseur du substrat jusqu'à une dizaine de microns. Ces dispositifs pour lesquels l'absorption a lieu dans les premières dizaines de nanomètres, permettent également de collecter des électrons absorbés sur des épaisseurs analogues. Ils sont connus sous les appellations EBCCD signifiant Electron Bombarbed Charge-Coupled Device ou EBCMOS signifiant Electron Bombarbed Complementary Metal-Oxide Semiconductor . Une telle structure est représentée en figure 3.
Elle comprend essentiellement une photocathode 1, une matrice d'amplification électronique 2 et un dispositif matriciel 3 de type CMOS ou CCD. Un CMOS ou un CCD est un composant monolithique. On trouvera une description plus précise de structures de ce type dans l'article du Jet Propulsion Laboratory (Morrissey et al, A novel low-voltage Electron-Bombarded CCD Readout, SPIE 2006). Dans les capteurs EBCCD ou EBCMOS , deux modes de transduction existent selon que les photons ont une énergie supérieure ou inférieure au gap de la photocathode en AIGaN. Les photons d'énergie supérieure au gap génèrent des électrons accélérés à quelques kilovolts donnant chacun environ un millier de paires électron-trou dans les CCD ou les CMOS. Les photons visibles hv' d'énergie inférieure au gap passent à travers la photocathode en AIGaN, éclairent la membrane et donnent au mieux une paire électron-trou par photon. En effet, ces capteurs en silicium ne sont pas solar-blind . La dynamique entre le signal produit par le rayonnement ultraviolet et le rayonnement visible est alors au mieux d'un facteur mille, ce qui est peu compte-tenu du faible flux de rayonnement ultraviolet. Pour réduire ce problème et augmenter la dynamique, le dispositif selon l'invention comporte une matrice de détection solar-blind connectée à un multiplexeur en configuration hybride CMOS , permettant de réduire considérablement l'effet des photons visibles. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de détection du rayonnement ultra-violet, de type EBCMOS hybride comportant une photocathode et un détecteur matriciel agencé de façon à détecter les électrons émis par la dite photocathode, ledit détecteur comportant une membrane collectrice desdits électrons, caractérisé en ce que ladite membrane est réalisée dans un matériau dit solar-blind , c'est-à-dire dans un matériau dont l'absorption optique est quasiment nulle pour un rayonnement optique dont les longueurs d'onde sont inférieures ou égales à 280 nanomètres. Plus particulièrement, le matériau de ladite membrane peut être le diamant ou au moins un des matériaux de ladite membrane est un matériau 35 semiconducteur appartenant à la famille (Ga, AI)N.
Avantageusement, la membrane est une structure de type diode Schottky comportant au moins trois couches d'AIGaN, la première couche comportant une première concentration en aluminium, la troisième couche comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche étant séparée de la troisième couche par une seconde couche dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la concentration de la troisième couche, la seconde couche étant dopée de type n.
Dans une autre variante, la membrane est une structure de type P.I.N. comportant au moins quatre couches d'AIGaN, la première couche comportant une première concentration en aluminium, la troisième couche comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche étant séparée de la troisième couche par une seconde couche dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la concentration de la troisième couche, la seconde couche étant dopée de type n, la quatrième couche étant dopée de type p. Plus précisément, la différence de concentration en aluminium entre la première et la troisième couche peut être de l'ordre de 20%. La photocathode peut être une structure comportant au moins une couche de matériau semi-conducteur appartenant à la famille (Ga,AI)N dans ce cas, la configuration cristallographique de la maille hexagonale de la molécule de GaN est soit (0001), soit (0001, soit (11-00), soit (1120.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà décrite représente la variation de l'éclairement solaire dans la bande spectrale comprise entre 260 et 400 nanomètres ; La figure 2 représente un dispositif selon l'art antérieur à technologie dite MCP ; La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'art antérieur à technologie dite EBCMOS ou EBCCD ; La figure 4 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention à technologie dite EBCMOS hybride ; La figure 5 représente une vue en coupe d'une première réalisation de la membrane du dispositif selon l'invention ; La figure 6 représente une vue en coupe d'une seconde réalisation de la membrane du dispositif selon l'invention. La différence entre un dispositif EBCCD ou EBCMOS selon l'art antérieur et un dispositif EBCMOS hybride selon l'invention réside essentiellement dans la mise en place d'une nouvelle membrane de type solar blind , c'est-à-dire dans un matériau dont l'absorption optique est quasiment nulle pour un rayonnement optique dont les longueurs d'onde sont inférieures ou égales à 280 nanomètres. On dit encore que sa longueur d'onde de coupure est inférieure ou égale à 280 nanomètres. On entend par longueur d'onde de coupure la longueur d'onde à partir de laquelle la transmission résiduelle diminue brutalement (sur quelques nanomètres) de plusieurs ordres de grandeur. Dans ce cas, comme illustré en figure 4, les photons hv' non absorbés dans la photocathode 1 passent à travers celle-ci puis sont absorbés par la membrane 2 sans produire d'électrons. Il peut, par exemple, s'agir d'une membrane réalisée en matériau de la famille (Ga,AI)N ou en diamant. La raideur du front de coupure tel que doit la présenter un filtre solar blind dans l'ultraviolet n'est pas requise dans la mesure où il n'y a pas nécessité à transmettre l'ultraviolet. Les électrons utiles issus de la photocathode et provenant du rayonnement ultraviolet sont amplifiés par la membrane 2 et sont recueillis par les contacts 31. Chaque contact électrique primaire 31 est relié à un dispositif matriciel de multiplexage ou multiplexor 3 par l'intermédiaire de billes de connexion 32, les contacts sont isolés entre eux par un diélectrique d'isolation 33. La couche 22 disposée en avant de la membrane est une couche sacrificielle permettant de diminuer le taux de dislocations et d'améliorer la qualité cristalline du matériau. Des protections électriques du multiplexor 34 complètent le dispositif. La membrane peut être réalisée en diamant. Le diamant présente 35 une mobilité importante qui permet de collecter les électrons absorbés en face arrière tout en préservant un substrat d'une centaine de microns. En revanche, le gap important du diamant (5.5eV), diminue le nombre de paires électronsûtrous formées par les porteurs accélérés.
Lorsque la membrane est réalisée en AIGaN, elle peut être une structure de type diode Schottky , une structure de type diode MSM ou une structure de type P.I.N . Dans le cas d'une structure Schottky telle qu'illustré en figure 5, la structure comporte au moins trois couches d'AIGaN disposée sur un substrat 20, la première couche 21 comportant une première concentration en aluminium, la troisième couche 23 comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche 21 étant séparée de la troisième couche par une seconde couche 22 dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la concentration de la troisième couche, la seconde couche étant dopée de type n. A titre d'exemple, l'épaisseur de la première couche peut être de 1 micron, l'épaisseur de la seconde couche peut être de 0.2 micron et celle de la troisième couche de 0.6 micron, le dopage de la seconde couche peut être fait avec une concentration de dopants égale ou supérieure à 2.109 particules.cm"3. La première couche peut être retirée partiellement avec le substrat pour faciliter la collection de porteurs. Une variante de ce dispositif consiste en une structure Métal û Semiconducteur - Métal (MSM) composée de deux contacts Schottky sous 25 polarisation où seules les couches 21 et 22 sont présentes.
Dans une autre variante illustrée en figure 6, la membrane est une structure de type P.I.N. comportant au moins quatre couches d'AIGaN disposées sur un substrat 20, la première couche 21 comportant une 30 première concentration en aluminium, la troisième couche 23 comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche 21 étant séparée de la troisième couche 23 par une seconde couche 22 dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la 35 concentration de la troisième couche, la seconde couche étant dopée de type n, la quatrième couche 24 étant dopée de type p. A titre d'exemple, l'épaisseur de la première couche peut être de 1 micron, l'épaisseur de la seconde couche peut être de 0.2 micron, l'épaisseur de la troisième couche de 0.6 micron et celle de la quatrième couche de 0.2 micron. Le dopage des seconde et quatrième couches peut être fait avec une concentration de dopants égal ou supérieur à 2.109 particules.cm-3. Quelque soit la variante de réalisation retenue, au cours du procédé de réalisation, la première couche peut être retirée partiellement avec le substrat pour faciliter la collection de porteurs.
Dans tous les cas, la différence de concentration en aluminium entre la première et la troisième couche peut être de l'ordre de 20%. Par exemple, la concentration peut varier entre 0 et 25% ou entre 45 et 65%.
Concernant la photocathode 1, on peut faciliter l'émission d'électrons en utilisant la polarité azote du matériau la plus appropriée à l'accélération des porteurs vers la surface tout en bénéficiant d'un travail de sortie faible. Typiquement, la photocathode peut être une structure comportant au moins une couche de matériau semi-conducteur appartenant à la famille (Ga,AI)N. Elle remplace le dipôle formé entre les atomes de césium et la couche de semi-conducteur. Elle fournit des électrons seulement après absorption de photons contrairement aux couches césurées qui sont quant à elles métalliques. Le dopage p ou un caractère isolant est alors requis. Dans ce cas, la configuration cristallographique de la maille 25 hexagonale de la molécule de GaN est soit (0001), soit (0001, soit (1100, soit (1120 en utilisant les notations classiques de la cristallographie.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection du rayonnement ultra-violet, de type EBCMOS hybride comportant une photocathode (1) et un détecteur matriciel (3) agencé de façon à détecter les électrons émis par la dite photocathode, ledit détecteur comportant une membrane (2) collectrice desdits électrons, caractérisé en ce que ladite membrane est réalisée dans un matériau dit solar-blind , c'est-à-dire dans un matériau dont l'absorption optique est quasiment nulle pour un rayonnement optique dont les longueurs d'onde sont inférieures ou égales à 280 nanomètres.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de ladite membrane est le diamant.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un des matériaux de ladite membrane est un matériau semiconducteur 15 appartenant à la famille (Ga, AI)N.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est une structure de type diode Schottky comportant au moins trois couches d'AIGaN, la première couche (21) comportant une première 20 concentration en aluminium, la troisième couche (23) comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche étant séparée de la troisième couche par une seconde couche (22) dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la 25 concentration de la troisième couche, la seconde couche (22) étant dopée de type n.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est une structure de type Métal û Semiconducteur - Métal 30 composée de deux contacts Schottky sous polarisation comportant au moins deux couches d'AIGaN, la première couche (21) comportant une premièreconcentration en aluminium, la troisième couche (23) comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration.
6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est une structure de type P.I.N. comportant au moins quatre couches d'AIGaN, la première couche (21) comportant une première concentration en aluminium, la troisième couche (23) comportant une seconde concentration en aluminium inférieure à la première concentration, la première couche étant séparée de la troisième couche par une seconde couche (22) dont la concentration en aluminium varie continûment de la valeur de la concentration de la première couche à la valeur de la concentration de la troisième couche, la seconde couche étant dopée de type n, la quatrième couche étant dopée de type p..
7. Dispositif selon l'une des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que la différence de concentration en aluminium entre la première couche (21) et la troisième couche (23) est de l'ordre de 20%.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 20 photocathode (1) est une structure comportant au moins une couche de matériau semiconducteur appartenant à la famille (Ga,AI)N.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la configuration cristallographique de la maille hexagonale de la molécule de 25 GaN est soit (0001, soit (0001), soit (11-00), soit (1120).
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