FR3072212A1

FR3072212A1 - Dispositif electrique a transition entre des comportements isolant et semiconducteur

Info

Publication number: FR3072212A1
Application number: FR1759473A
Authority: FR
Inventors: Fabien Paumier; Thierry Girardeau; Cyril Dupeyrat
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Poitiers; Safran Electronics and Defense SAS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Poitiers; Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-04-12
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: FR3072212B1

Abstract

Un dispositif électrique comprend une couche granulaire (1) d'un premier matériau semiconducteur, et un substrat (2) qui est constitué d'un second matériau semiconducteur au niveau d'une surface (S) dudit substrat en contact électrique avec la couche. Le système constitué par la couche et le substrat présente une transition entre un comportement électrique isolant et un comportement semiconducteur, qui peut être proche d'une température ambiante. Un tel dispositif électrique peut être notamment un bolomètre ou une caméra d'imagerie thermique à base de microbolomètres.

Description

La présente invention concerne un dispositif électrique qui présente une transition entre un comportement électrique isolant et un comportement électrique semiconducteur. Elle concerne aussi une méthode de fabrication d’un tel dispositif.

Des dispositifs électriques, qui sont utilisés notamment dans des systèmes de mesure ou de détection, possèdent une sensibilité de mesure ou de détection qui dépend d’un coefficient de variation d’une résistance électrique en fonction de la température. Ce coefficient, couramment désigné par TCR pour «température coefficient of résistance», est la variation relative de la résistance avec la température. Il est égal à la dérivée de la résistance électrique par rapport à la température, divisée par la résistance électrique. La sensibilité de mesure ou de détection du système est d’autant plus grande que la valeur de ce coefficient TCR est élevée.

En particulier, les bolomètres sont des dispositifs électriques du type cidessus, qui sont très utilisés dans des configurations matricielles de microbolomètres pour détecter des images dans le domaine des rayonnements infrarouges thermiques : pour des longueurs d’onde comprises entre 3 pm (micromètre) et 5 pm, ou plus généralement entre 8 pm et 12 pm. Des matériaux qui sont usuellement utilisés pour réaliser des bolomètres, tels que l’oxyde de vanadium (VO_X) ou le silicium amorphe, ont des valeurs de coefficient TCR qui sont assez faibles, notamment de l’ordre de 0,03 K'¹. Toutefois, d’autres classes de matériaux peuvent présenter des valeurs du coefficient TCR qui sont bien plus élevées, mais leur température de transition reste faible. De tels bolomètres ou microbolomètres nécessitent alors d’être refroidis à basse température, pour présenter une valeur plus appropriée du coefficient TCR et réduire leur bruit thermique. Mais un tel refroidissement nécessaire au fonctionnement des bolomètres est très pénalisant et limite leur utilisation, notamment à cause du coût du système de refroidissement et de ses contraintes de mise en œuvre à bord d’engins porteurs de ces détecteurs à

-2bolomètres.

Il est connu d’utiliser des matériaux qui présentent une transition entre des comportements électriques différents, pour des dispositifs de détection ou de mesure dont la sensibilité dépend d’une valeur du coefficient TCR. En effet, le coefficient TCR présente des valeurs qui sont très supérieures lors de la transition de comportement électrique pour le matériau qui est utilisé, par rapport aux valeurs du coefficient TCR qui sont relatives au même matériau lorsqu’il reste dans l’un des deux comportements électriques. Outre sa sensibilité supérieure aux variations de température, un matériau qui est maintenu dans sa transition de comportement électrique, présente une sensibilité élevée de sa conductivité électrique par rapport à d’autres influences externes telles qu’un champ magnétique, une adsorption de gaz par sa surface ou une irradiation lumineuse. Mais pour cela, le matériau doit être maintenu à une température de mise en œuvre qui est très proche de sa température de transition de comportement électrique, ce qui correspond jusqu’à présent à des températures basses, qui nécessitent des systèmes de refroidissement coûteux, complexes et encombrants.

A partir de cette situation, un besoin existe donc encore pour des dispositifs électriques à transition entre des comportements électriques différents, mais qui ne présentent pas les inconvénients précités ou pour lesquels ces inconvénients sont réduits.

En particulier, le besoin existe pour des dispositifs électriques basés sur des transitions entre des comportements électriques différents qui se produiraient à des températures proches de la température ambiante, par exemple comprises entre 10°C et 60°C.

De tels besoins existent notamment pour des systèmes de détection infrarouge, tels que des détecteurs de points chauds dans un paysage, des caméras infrarouges qui sont appelées caméras de vision tout-temps pour l’équipement des voitures, et des thermomètres.

Pour satisfaire ces besoins dans une mesure améliorée, un premier aspect de la présente invention propose un dispositif électrique qui comprend une couche granulaire d’un premier matériau semiconducteur ayant une

-3première conduction électrique d’un premier type n ou p, et un substrat constitué, au moins au niveau d’une surface de ce substrat, d’un second matériau semiconducteur ayant une seconde conduction électrique d’un second type n ou p. Ce second type de conductivité peut être opposé au premier type, mais pas nécessairement. Le premier matériau semiconducteur de la couche et le second matériau semiconducteur du substrat sont en contact électrique l’un avec l’autre au niveau de la surface du substrat, dans une aire de cette surface appelée aire sensible. Le dispositif est alors adapté pour conduire un courant électrique, au moins partiellement dans la couche, parallèlement à la surface du substrat et à travers l’aire sensible, avec une conduction électrique effective qui varie en fonction d’une influence externe exercée sur la couche dans l’aire sensible lors d’un fonctionnement du dispositif.

Selon l’invention, la couche comprend des grains du premier matériau semiconducteur et des zones de connexion intergranulaires qui sont aussi constituées par du premier matériau semiconducteur. Les grains sont ainsi juxtaposés sur la surface du substrat, en étant reliés entre grains voisins par les zones de connexion intergranulaires au niveau de la surface du substrat, avec une épaisseur des grains qui est supérieure à une épaisseur des zones de connexion intergranulaires, ces épaisseurs étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat. Dans ces conditions, le dispositif produit une transition entre un comportement isolant et un comportement semiconducteur lorsque l’influence externe varie, ces comportements isolant et semiconducteur étant déterminés à partir d’une variation dans un rapport qui est au moins égal à dix, de la conductivité électrique effective du dispositif dans l’aire sensible pour le comportement semiconducteur par rapport au comportement isolant, entre deux valeurs de température du dispositif dans l’aire sensible qui sont séparées de moins de 30 K.

Ainsi, un dispositif conforme à l’invention utilise une transition entre deux comportements électriques différents, qui est produite par une structure complexe comprenant une couche granulaire, avec des grains qui sont connectés entre eux, et un substrat porteur de la couche granulaire et sur lequel reposent les connexions intergranulaires. En outre, la couche et le

-4substrat, pour ce dernier au moins au niveau de son contact avec la couche, sont constitués de matériaux semiconducteurs respectifs qui peuvent présenter des conductivités de types opposés, bien que deux conductivités d’un même type, notamment deux conductivités de type n, soient aussi possibles. Un tel système complexe, qui présente la transition de comportement électrique, possède des caractéristiques ajustables qui permettent de modifier certaines valeurs numériques de cette transition de comportement électrique, notamment la température médiane à laquelle se produit la transition. Ainsi, la température médiane de transition peut être rapprochée de la température ambiante, par exemple 25°C, afin de réduire le système de contrôle thermique du dispositif électrique.

Pour diverses applications, le dispositif électrique de l’invention peut être de l’un des types suivants :

- bolomètre ou microbolomètre, où l’influence externe est une variation de la température du dispositif dans l’aire sensible, provoquée par un rayonnement infrarouge qui est reçu dans l’aire sensible ;

- détecteur de gaz, où l’influence externe est une quantité d’un gaz qui est adsorbé sur la couche de premier matériau semiconducteur ; et

- lecteur magnétique, où l’influence externe est un champ magnétique qui est appliqué dans l’aire sensible.

Différents modes de réalisation de l’invention peuvent avantageusement utiliser l’un des perfectionnements suivants, pris isolément ou en combinaison de plusieurs de ces perfectionnements :

- les grains de la couche peuvent être cristallisés et avoir une orientation cristallographique qui est commune, celle-ci étant perpendiculaire ou parallèle à la surface du substrat. Dans ce cas, certaines des zones de connexion intergranulaires peuvent aussi être cristallisées, avec une orientation cristallographique dans ces zones qui peut être identique ou différente de celles dans certains des grains ;

- le premier matériau conducteur de la couche peut être un matériau transparent conducteur, notamment un oxyde transparent conducteur.

-5Ce matériau transparent conducteur de la couche peut être en particulier de l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Dans ce cas aussi, le second matériau semiconducteur du substrat peut posséder une conductivité électrique de type n ou p ;

- le second matériau semiconducteur du substrat peut être à base de silicium cristallin ;

- l’épaisseur des grains de la couche peut être comprise entre 0,1 pm et pm, et l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires peut être comprise entre 5 nm (nanomètre) et 200 nm, ces épaisseurs étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat ;

- la transition peut se produire entre un comportement isolant effectif lorsque la température du dispositif dans l’aire sensible est inférieure à une température limite de début de transition, et un comportement semiconducteur, notamment de type p, effectif lorsque la température du dispositif dans l’aire sensible est supérieure à une température limite de fin de transition ; et

- la transition entre le comportement isolant et le comportement semiconducteur peut se produire à l’intérieur d’un intervalle de température qui est compris entre 10°C et 60°C, de préférence entre 15°C et 45°C .

Un second aspect de l’invention propose une méthode de fabrication d’un dispositif électrique conforme au premier aspect, dans laquelle la couche granulaire est déposée sur le substrat par un procédé de dépôt directionnel. Ainsi, des atomes du premier matériau semiconducteur sont dirigés vers la surface du substrat par le procédé de dépôt directionnel selon des directions d’incidence qui sont regroupées autour d’une direction moyenne, de façon que les grains de la couche aient une forme allongée, ou colonnaire.

De préférence, la direction moyenne autour de laquelle sont regroupées les directions d’incidence des atomes du premier matériau semiconducteur lors du procédé de dépôt directionnel, peut être inclinée par rapport à une direction qui est perpendiculaire à la surface du substrat. L’inclinaison de cette direction moyenne peut produire une porosité dans la

-6couche du premier matériau semiconducteur. En outre, l’angle entre la direction moyenne et la direction perpendiculaire à la surface du substrat, peut être sélectionné pour ajuster une épaisseur des zones de connexion intergranulaires, par effet d’ombrage des grains sur ces zones de connexion intergranulaires, et pour ajuster un taux de porosité de la couche granulaire du premier matériau semiconducteur. Alors, l’ajustement de l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires et du taux de porosité dans la couche granulaire du premier matériau semiconducteur peut permettre d’augmenter ou de diminuer la température médiane de la transition entre les comportements isolant et semiconducteur.

En particulier, l’angle entre la direction moyenne autour de laquelle sont regroupées les directions d’incidence des atomes du premier matériau semiconducteur lors du procédé de dépôt directionnel, et la direction qui est perpendiculaire à la surface du substrat, peut être sélectionné de sorte qu’une direction d’élongation des grains de la couche forme un angle d’inclinaison avec la direction perpendiculaire à la surface du substrat, qui est compris entre 15° et 60°, de préférence entre 30° et 45°.

De préférence, mais de façon non-exclusive par rapport à d’autres procédés de dépôt tels que l’évaporation, le procédé de dépôt directionnel peut être un procédé de pulvérisation d’une cible qui est constituée d’un matériau source du premier matériau semiconducteur. Un tel procédé de pulvérisation peut être mis en œuvre dans une enceinte à pression interne qui est inférieure à 10'⁸ mbar (millibar), et la direction moyenne évoquée précédemment relie un point de la cible à un point de la surface du substrat dans l’aire sensible. En outre, un tel procédé de pulvérisation peut mettre en œuvre un canon ionique pour produire un faisceau de particules de bombardement qui est dirigé contre la cible.

Enfin et de façon générale, la couche de premier matériau semiconducteur peut être exposée à un flux de chaleur pendant ou après avoir été déposée sur le substrat.

D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non

-7 limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

-les figures 1a à 1c reproduisent trois vues formées par microscopie électronique à balayage, d’une couche qui appartient à un dispositif électrique conforme à l’invention ;

- la figure 2a est un diagramme qui montre des transitions de comportement électrique pour quatre dispositifs conformes à l’invention ;

- la figure 2b correspond à la figure 2a en montrant un comportement anisotrope pour l’un des quatre dispositifs ; et

- la figure 3 est une vue en coupe schématique d’un outil de dépôt par pulvérisation, pouvant être utilisé pour fabriquer un dispositif conforme à l’invention.

Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans la figure 3 ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.

La figure 1a est une vue de dessus d’une couche d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO pour «Indium-tin oxide») utilisée dans un dispositif électrique conforme à l’invention. Elle montre que la couche est constituée de grains qui apparaissent séparés les uns de autres à leurs sommets, avec des dimensions de grains dans le plan de la figure qui sont comprises entre 100 nm (nanomètre) environ et 600 nm environ. Les références 10 qui sont portées sur cette figure désignent des grains distincts. De façon connue, l’oxyde d’indium dopé à l’étain est un oxyde transparent conducteur, avec un comportement semiconducteur dégénéré de type n.

La figure 1b est une vue en coupe transverse de la même couche d’oxyde d’indium dopé à l’étain, dans un plan de section qui est perpendiculaire à la couche. Elle montre le substrat 2 dont une surface S est recouverte par la couche 1. Le substrat 2 peut être en silicium monocristallin, dopé pour présenter un comportement semiconducteur de type p, par exemple avec un

-8dopage de bore selon une concentration de dopage d’environ 6Ί0¹⁵ atomes/cm³. N désigne la direction perpendiculaire à la surface S du substrat 2, orientée vers l’extérieur du substrat (vers le haut sur la figure 1b). La figure 1b montre que les grains 10 sont des colonnes qui possèdent des directions longitudinales individuelles toutes parallèles entre elles, et inclinées par rapport à la direction N. La direction d’élongation des grains 10, ou direction longitudinale des colonnes de la couche 1, est notée D. L’angle d’inclinaison a, entre les directions N et D est environ égal à 44°. D’après la figure 1b, l’épaisseur de la couche 1 selon la direction N est environ égale à 1 pm dans l’exemple considéré.

D’après la figure 1c, pour laquelle la direction de prise de vue est sensiblement confondue avec la direction D, l’épaisseur des grains 10 est en moyenne de 200 nm environ, mesurée perpendiculairement à la direction D, et l’épaisseur des interstices intergranulaires est en moyenne de 100 nm environ, aussi mesurée perpendiculairement à la direction D.

Les grains 10 sont séparés entre eux par des interstices qui sont vides à distance de la surface S du substrat 2, et sont connectés entre grains voisins au niveau de la surface S du substrat 2, par des ponts continus 11 de matériau dont la composition chimique est sensiblement identique à celle des grains 10. Possiblement, des grains de hauteur réduite, désignés par la référence 12, sont aussi présents entre des grains 10 adjacents, à partir la surface du substrat 2 en étant limités à des hauteurs de sommets, pour ces grains 12, qui sont inférieures environ au tiers de l’épaisseur de la couche 1, mesurées selon la direction N. Les ponts continus 11 et les grains de hauteurs réduites 12 forment les zones de connexion intergranulaires de la couche 1.

Les grains 10 sont tous cristallisés et ont une orientation cristallographique commune selon la direction D. Cette orientation commune est la direction cristallographique [111] du réseau cristallin du matériau d’oxyde d’indium dopé à l’étain. Les grains 10 ont des orientations cristallographiques variables dans des plans perpendiculaires à la direction D.

Les grains de hauteurs réduites 12 dans les zones de connexion intergranulaires sont aussi cristallisés, avec en général des orientations

-9cristallographiques qui sont différentes de celles des grains 10.

Dans des réalisations alternatives, le matériau semiconducteur de la couche 1 peut être de l’oxyde de zinc (ZnO), possiblement dopé, de l’oxyde de vanadium (V2O5), possiblement avec des stœchiométries variables pour des dispositifs électriques différents, de l’oxyde d’étain dopé au fluor (SnC^F), ou d’autres oxydes ou mélanges d’oxydes conducteurs transparents.

La figure 2a est un diagramme de variation de la conductivité électrique de quatre systèmes S1-S4 formés chacun par un substrat et une couche similaires à ceux des figures 1a à 1c. La conductivité électrique a été mesurée par la méthode de Van der Pauw pour un courant électrique continu qui circule parallèlement à la surface du substrat entre des points qui sont distants d’environ 15 mm (millimètre). Chacune des courbes montre une augmentation rapide de la conductivité électrique, entre une température limite de début de transition et une température limite de fin de transition qui sont séparées de moins de 30 K. Les températures limites de début et de fin de transition sont respectivement 190 K environ et 215 K environ pour l’échantillon S1, 195 K environ et 225 K environ pour l’échantillon S2, 270 K environ et 292 K environ pour l’échantillon S3, et 320 K environ et 348 K environ pour l’échantillon S4. Pour chacun des échantillons S1-S4, la conductivité électrique est inférieure à 100 (Ω.cm)'¹ pour des valeurs de température qui sont intérieures à la température limite de début de transition, et supérieure ou égale à 2000 (Q.cm)'¹ à la température limite de fin de transition. Du fait de ces valeurs de conductivité électrique, le comportement électrique effectif de chacun des échantillons S1-S4 est dit isolant en dessous de sa température limite de début de transition, et semiconducteur au dessus de sa température limite de fin de transition. Toutefois, la conductivité électrique de chaque échantillon S1-S4 décroît en fonction de la température au dessus de sa température limite de fin de transition, pour le comportement électrique dit semiconducteur dans la présente description. De façon générale, la température médiane de transition pour un échantillon quelconque est la moyenne des deux températures limites de début et de fin de transition pour cet échantillon, déterminées à l’aide d’un diagramme similaire à celui de la figure 2a et établi pour l’échantillon concerné. L’échantillon S3 présente un intérêt particulier pour de multiples applications

- 10car sa température médiane de transition entre les comportements isolant et semiconducteur est environ 8°C, c’est-à-dire proche d’une température ambiante comprise entre -3°C et 25°C.

L’observation microscopique des échantillons S1-S4 montre que ceuxci se distinguent entre eux par la valeur d’un taux de porosité, défini comme la fraction volumique des interstices vides entre les grains 10 par rapport au volume total de chaque couche 2. L’ajustement de la valeur de ce taux de porosité, par exemple lors du dépôt de la couche sur le substrat comme expliqué plus loin, permet de décaler vers des valeurs de température supérieures ou inférieures, l’intervalle de température dans lequel se produit la transition entre les comportements isolant et semiconducteur. De cette façon, il est possible de fabriquer un système substrat-couche du type considéré, pour lequel transition entre les comportements isolant et semiconducteur se produit dans l’intervalle de température entre 10°C et 60°C, ou plus préférablement entre 15°C et 45°C.

En particulier, des systèmes substrat-couche qui sont conformes à l’invention présentent des valeurs du coefficient TCR qui sont supérieures à 0,20 K'¹ à la température médiane de transition de chaque système.

Les quatre échantillons S1-S4 présentent une anisotropie de conductivité électrique, entre les directions x et y telles qu’indiquées sur la figure 1c. Le facteur d’anisotropie, noté A_eff et défini comme étant le quotient la valeur de conductivité électrique qui est effective selon l’axe y (o_yy) par celle qui est effective selon l’axe x (σχχ), soit A_eff = σ_γγ/σ_ΧΧ: peut être ajusté par la répartition de la porosité de la couche 2 entre les deux directions x et y. Le facteur d’anisotropie A_eff varie entre environ 1,5 et environ 4 autour de la température de transition isolant-métal. Le diagramme de la figure 2b montre les variations des conductivités σ_χχ et σ_γγ, et celles du facteur d’anisotropie A_eff, en fonction de la température, notamment autour de la transition de comportement électrique, pour l’échantillon S3 de la figure 2a. Les valeurs de conductivité qui sont indiquées dans la figure 2a sont alors les valeurs moyennes de conductivité entre les deux directions x et y : (σ_γγ + σ_χχ)/2.

La figure 3 montre schématiquement une disposition possible pour les

-11 composants d’un outil de dépôt par pulvérisation, adapté pour produire une couche telle que montrée par les figures 1a à 1c. A l’intérieur d’une enceinte à basse pression 100, le substrat 2 est fixé sur un support 101, de préférence réglable en orientation. Pour un procédé de dépôt par pulvérisation d’une cible, un canon à ions 102 est disposé à l’intérieur de l’enceinte 100, pour produire un faisceau F1 de particules à énergie cinétique élevée en direction d’une cible 103. Pour cette raison, le faisceau F1 est appelé faisceau de particules de bombardement. Les particules du faisceau F1 peuvent être des ions d’argon (Ar) ou de xénon (Xe), neutralisés électriquement à la sortie du canon à ions 102.

La cible 103 est constituée d’un matériau source du matériau qui doit être déposé sur le substrat 2 pour former la couche 1. Par exemple, ce peut être une cible d’oxyde d’indium dopé à l’étain, de composition identique à celle de la couche 1 à former sur le substrat 2. Dans d’autres cas, par exemple pour déposer des couches d’oxyde de zinc ou d’oxyde de vanadium, la cible 103 peut être constituée de zinc ou de vanadium métallique, et le matériau d’oxyde de la couche 1 est obtenu par oxydation des atomes métalliques de la cible 103, pulvérisés puis déposés sur le substrat 2, en introduisant une quantité appropriée d’oxygène dans l’enceinte 100. Le faisceau F1 provoque une pulvérisation de la cible 103 sous forme d’atomes ou d’amas d’atomes qui sont émis par la surface de la cible 103 selon une direction moyenne d’émission M. Généralement, la direction moyenne d’émission M est symétrique de la direction d’incidence du faisceau F1 sur la cible 103, par rapport à une direction qui est perpendiculaire à la surface de la cible 103 au point d’impact du faisceau F1. En l’absence de dispositif pour dévier les atomes ou amas d’atomes qui proviennent de la surface de la cible 103, les directions d’incidence de ces atomes ou amas d’atomes sur la surface S du substrat 2 sont regroupées autour de cette direction moyenne d’émission M. Pour cette raison, un tel procédé de dépôt est dit directionnel. Il en résulte une croissance de la couche 1 sur le substrat 2 sous forme de grains allongés, ou colonnaires, dont la direction d’élongation D (figure 1b) peut être ou non confondue avec la direction moyenne M. Autrement dit, l’angle d’inclinaison a (figure 1b) des colonnes qui sont formées par les grains 10 n’est pas nécessairement égal à l’angle β (figure 3) entre les directions M et N, mais il varie en fonction de ce dernier. L’angle d’inclinaison a peut ainsi être ajusté au moyen de l’orientation angulaire réglable du support 101.

Alors, un grain 10 en cours de croissance obliquement par rapport à la surface S du substrat 2 pendant la poursuite du procédé de dépôt, selon l’angle d’inclinaison a, et dont la section dans un plan perpendiculaire à la direction D peut augmenter au cours la croissance, produit un effet d’ombrage par son sommet autour de la base de ce grain au niveau de la surface S. Il en résulte une porosité qui dépend de l’angle d’inclinaison a des colonnes des grains 10, et par suite de l’angle β entre les directions M et N.

En outre, l’effet d’ombrage cité ci-dessus n’intervient significativement qu’après une période initiale de croissance des grains 10, lors de laquelle les ponts continus 11 et les grains de hauteurs réduites 12 sont formés. Ainsi, l’inclinaison de la direction moyenne M par rapport à la direction N permet aussi d’ajuster l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires dans la couche 1. Selon l’invention, un tel ajustement du taux de porosité de la couche 1 et de l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires, par l’intermédiaire de l’angle β, permet de déplacer en température la transition de la couche 1 finale entre les comportements isolant et semiconducteur.

Un tel procédé de dépôt directionnel est dit à angle d’obliquité, ou GLAD pour «glancing-angle déposition» en anglais. Les paramètres de dépôt suivants on été utilisés par les inventeurs :

- énergie des particules dans le faisceau F1 : de 600 eV (électron-volt) à

1200 eV

- courant du canon à ions 102 : de 80 mA (milliampère) à 110 mA

-distance entre la cible 103 et un point central du substrat 2 : 23cm environ

-pression à l’intérieur de l’enceinte 100: préférablement inférieure à 10'⁸ mbar (millibar)

- introduction d’oxygène dans l’enceinte 100 pendant le dépôt : de 5 sccm (standard centimètre-cube par minute) à 20 sccm

- 13- angle β entre les directions M et N : de 0° à 85°

De cette façon, des valeurs comprises entre 15° et 60° ont été obtenues pour l’angle d’inclinaison a des colonnes des grains 10 dans la couche 1.

Possiblement, le dépôt de la couche 1 par le procédé de pulvérisation qui vient d’être décrit peut être assisté par un second faisceau de particules F2, produit par un second canon à ions 104. Les particules du faisceau F2 peuvent être des atomes d’oxygène. Le faisceau F2 a pour but d’ajuster dans une mesure supplémentaire le taux de porosité de la couche 1.

Possiblement aussi, la couche 1 déposée sur le substrat 2 peut être recuite avant son utilisation au sein d’un dispositif électrique conforme à l’invention. Un tel recuit peut être effectué dans l’enceinte 100, ou dans une autre enceinte à atmosphère contrôlée, et a pour but d’activer les propriétés électriques de la couche 1. Des modes de chauffage adaptés sont notamment un chauffage par diffusion de chaleur à partir d’un support chauffant du substrat 2, ou l’exposition de la couche 2 à un rayonnement infrarouge intense.

Eventuellement, le procédé de dépôt directionnel qui vient d’être décrit, par pulvérisation d’une cible, peut être remplacé par un procédé de dépôt par évaporation thermique. Un matériau source du matériau de la couche 1 est alors contenu dans un creuset à l’intérieur de l’enceinte à pression réduite, le creuset est chauffé à haute température, par exemple de l’ordre de 1000°C, et le substrat 2 est exposé à la vapeur du matériau source qui se condense sur le substrat 2 pour former la couche 1.

Le système constitué par le substrat 2 et la couche 1 déposée comme décrit ci-dessus présente la transition isolant-semiconducteur lors de laquelle la conductivité électrique de la couche 1 varie rapidement en fonction de la température. Un tel système est alors particulièrement avantageux pour des utilisations en tant que bolomètre, ou en tant que microbolomètre dans une caméra d’imagerie thermique, pour détecter du rayonnement de longueur d’onde comprise entre 3 pm et 5 pm, ou entre 8 pm et 12 pm.

Mais d’autres dispositifs de mesure ou de détection peuvent aussi tirer avantage de la sensibilité élevée de la conductivité électrique par rapport à des

-14influences externes, lorsque la couche est maintenue à une température à l’intérieur de son intervalle de transition entre les comportements isolant et semiconducteur. En particulier, la sensibilité à un gaz adsorbé sur la couche permet une utilisation comme détecteur de gaz, et la sensibilité à un champ 5 magnétique externe permet une utilisation comme lecteur magnétique.

Claims

REVEN DICATIONS

1. Dispositif électrique comprenant une couche granulaire (1) d’un premier matériau semiconducteur ayant une première conduction électrique d’un premier type n ou p, et un substrat (2) qui est constitué, au moins au niveau d’une surface (S) dudit substrat, d’un second matériau semiconducteur ayant une seconde conduction électrique d’un second type n ou p, dans lequel le premier matériau semiconducteur de la couche (1) et le second matériau semiconducteur du substrat (2) sont en contact électrique l’un avec l’autre au niveau de la surface (S) du substrat, dans une aire de ladite surface du substrat appelée aire sensible, le dispositif étant adapté pour conduire un courant électrique, au moins partiellement dans la couche (1), parallèlement à la surface (S) du substrat (2) et à travers l’aire sensible, avec une conduction électrique effective qui varie en fonction d’une influence externe exercée sur la couche dans l’aire sensible lors d’un fonctionnement dudit dispositif, caractérisé en ce que la couche (1) comprend des grains (10) du premier matériau semiconducteur et des zones de connexion intergranulaires (11, 12) aussi constituées par du premier matériau semiconducteur, les grains étant juxtaposés sur la surface (S) du substrat, et reliés entre grains voisins par les zones de connexion intergranulaires au niveau de la surface du substrat, avec une épaisseur des grains qui est supérieure à une épaisseur des zones de connexion intergranulaires, lesdites épaisseurs étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat, le dispositif produisant une transition entre un comportement isolant et un comportement semiconducteur lorsque l’influence externe varie, lesdits comportements isolant et semiconducteur étant déterminés à partir d’une variation dans un rapport qui est au moins égal à dix, de la conductivité électrique effective du dispositif dans l’aire sensible pour le comportement semiconducteur par rapport au comportement isolant, entre deux valeurs de

- 16température du dispositif dans l’aire sensible qui sont séparées de moins de 30 K.
2. Dispositif selon la revendication 1, de l’un des types suivants :

- bolomètre ou microbolomètre, où l’influence externe est une variation de la température du dispositif dans l’aire sensible, provoquée par un rayonnement infrarouge qui est reçu dans l’aire sensible ;

- détecteur de gaz, où l’influence externe est une quantité d’un gaz qui est adsorbé sur la couche de premier matériau semiconducteur ; et

- lecteur magnétique, où l’influence externe est un champ magnétique qui est appliqué dans l’aire sensible.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les grains (10) de la couche (1) sont cristallisés et ont une orientation cristallographique commune perpendiculaire ou parallèle à la surface (S) du substrat (2).
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel certaines au moins des zones de connexion intergranulaires (11, 12) sont aussi cristallisées.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau conducteur de la couche (1) est un matériau transparent conducteur, notamment un oxyde transparent conducteur.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le matériau transparent conducteur de la couche (1) est de l’oxyde d’indium dopé à l’étain, et le second matériau semiconducteur du substrat (2) possède une conductivité électrique de type p.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second matériau semiconducteur du substrat (2) est à base de silicium cristallin.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur des grains (10) de la couche (1) est comprise entre 0,1 pm et 5 pm, et l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires est

- 17 comprise entre 5 nm et 200 nm, lesdites épaisseurs étant mesurées perpendiculairement à la surface du substrat.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la transition se produit entre un comportement isolant effectif lorsque la température du dispositif dans l’aire sensible est inférieure à une température limite de début de transition, et un comportement semiconducteur effectif lorsque ladite température du dispositif dans l’aire sensible est supérieure à une température limite de fin de transition.
10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la transition entre le comportement isolant et le comportement semiconducteur se produit à l’intérieur d’un intervalle de température qui est compris entre 10°C et 60°C, de préférence entre 15°C et 45°C.
11. Méthode de fabrication d’un dispositif électrique conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, suivant laquelle la couche granulaire (1) est déposée sur le substrat (2) par un procédé de dépôt directionnel, des atomes du premier matériau semiconducteur étant dirigés vers la surface (S) du substrat (2) par ledit procédé de dépôt directionnel selon des directions d’incidence qui sont regroupées autour d’une direction moyenne (M), de sorte que les grains (10) de la couche (1) ont une forme allongée.
12. Méthode selon la revendication 11, suivant laquelle la direction moyenne (M) est inclinée par rapport à une direction (N) perpendiculaire à la surface (S) du substrat (2).
13. Méthode selon la revendication 12, suivant laquelle l’inclinaison de la direction moyenne (M) autour de laquelle sont regroupées les directions d’incidence des atomes du premier matériau semiconducteur lors du procédé de dépôt directionnel, produit une porosité dans la couche (1) dudit premier matériau semiconducteur.
14. Méthode selon la revendication 12 ou 13, suivant laquelle un angle (β) entre la direction moyenne (M) et la direction (N) perpendiculaire à la surface (S) du substrat (2), est sélectionné pour ajuster une épaisseur des zones de connexion intergranulaires (11, 12), par effet d’ombrage des grains (10) sur lesdites zones de connexion intergranulaires, et pour ajuster un taux de porosité de la couche granulaire (1) du premier matériau semiconducteur.
15. Méthode selon la revendication 14, suivant laquelle l’ajustement de l’épaisseur des zones de connexion intergranulaires (11, 12) et du taux de porosité dans la couche granulaire (1) produit une augmentation ou une diminution d’une température médiane de la transition entre les comportements isolant et semiconducteur.
16. Méthode selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, suivant laquelle l’angle (β) entre la direction moyenne (M) autour de laquelle sont regroupées les directions d’incidence des atomes du premier matériau semiconducteur lors du procédé de dépôt directionnel, et la direction perpendiculaire (N) à la surface (S) du substrat (2), est sélectionné de sorte qu’une direction d’élongation (D) des grains (10) de la couche (1) forme un angle d’inclinaison (a) avec ladite direction perpendiculaire à la surface du substrat, qui est compris entre 15° et 60°, de préférence entre 30° et 45°.
17. Méthode selon l’une quelconque des revendications 11 à 16, suivant laquelle le procédé de dépôt directionnel est un procédé de pulvérisation d’une cible (103) constituée d’un matériau source du premier matériau semiconducteur, le procédé de pulvérisation étant mis en œuvre dans une enceinte (100) à pression interne inférieure à 10'⁸mbar, et ladite direction moyenne (M) reliant un point de la cible à un point de la surface (S) du substrat (2) dans l’aire sensible.
18. Méthode selon la revendication 17, suivant laquelle le procédé de pulvérisation met en œuvre un canon ionique (102) pour produire un faisceau (F1) de particules de bombardement qui est dirigé contre la cible (103).
19. Méthode selon l’une quelconque des revendications 11 à 18, suivant laquelle la couche (1) de premier matériau semiconducteur est exposée à un flux de chaleur pendant ou après avoir été déposée sur le substrat (2).