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(11) | EP 0 066 926 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Dispositif semiconducteur, émetteur d'électrons, dont la couche active possède un gradient de dopage |
| (57) L'invention concerne un dispositif semiconducteur capable d'émettre des électrons
dans le vide par une de ses surfaces, remarquable en ce qu'il comporte une couche
semiconductrice dite active (3), affleurant la surface émettrice dont le dopage croît
lorsque la distance à ladite surface émettrice diminue. Application: photocathodes, dynodes. |
[0001] L'invention concerne un dispositif semiconducteur capable d'émettre des électrons dans le vide par une de ses surfaces.
[0002] L'invention a trait aux dispositifs électroniques ou optoélectroniques, tels que les photocathodes utilisées dans les tubes- image et les photomultiplicateurs, qui assurent une conversion entre les photons et les électrons, ou les dynodes utilisées dans les photomultiplicateurs, qui fonctionnent par émission électronique secondaire.
[0003] Ces différents dispositifs émetteurs d'électrons, généralement dans le vide, sont connus de l'art antérieur, tant dans leur structure que leur procédé de fabrication, et l'on citera pour exemple le brevet des Etats-Unis d'Amérique, de numéro 3.959.038, délivré le 25 Mai 1976 et décrivant des photocathodes en GaAs, fonctionnant en transmission.
[0004] Ces dispositifs comprennent très généralement une couche active, affleurant la surface émettrice, qui est le siège de trois phénomènes physiques distincts : le premier est l'excitation d'un électron, par exemple sous l'effet du rayonnement dans le cas des photocathodes, le second est la diffusion de cet électron au sein de la couche active, et le troisième est son émission dans le vide. Ces trois phénomènes physiques distincts obéissent à des lois différentes et sont favorisés par des caractéristiques différentes du matériau semiconducteur formant ladite couche active.
[0005] L'invention a pour but d'obtenir des dispositifs semiconducteurs dont l'efficacité est améliorée, c'est-à-dire dont l'excitation, la diffusion et l'émission électronique sont simultanément améliorées.
[0007] Le dispositif semiconducteur selon la présente invention est remarquable en ce qu'il comporte une couche semiconductrice dite active, affleurant la surface émettrice, dont le dopage croît lorsque la distance à ladite surface émettrice diminue.
[0008] Ainsi, la couche active de ce dispositif présente des caractéristiques qui varient en fonction de la distance à la surface émettrice, de telle manière qu'en profondeur, la longueur de diffusion est élevée en raison d'un faible dopage, ce qui permet d'améliorer la diffusion des électrons excités, et qu'en surface, la probabilité d'émission est élevée en raison d'un fort dopage.
[0009] Selon une réalisation pratique de l'invention, la couche active semiconductrice se compose d'au moins deux zones de dopages différents, la zone proche de la surface émettrice étant relativement plus dopée.
[0010] Dans ce cas, le dopage varie "en escalier" au lieu de varier continûment, mais la séparation des fonctions diffusion et émission est également assurée.
[0011] Enfin, selon une réalisation particulière de l'invention, la couche active est en un composé III-V, par exemple de l'arséniure de gallium, de type de conductivité p, d'une épaisseur inférieure à 10 microns, et présente un dopage qui varie radialement entre 1018 et 1019 atomes/cm3 de façon continue ou discontinue.
[0012] La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention s'exécute et d'en apprécier sa portée.
[0013] Les dispositifs émetteurs d'électrons ressortissent généralement à deux types, selon leur mode de fonctionnement en transmission ou en réflexion. L'invention a vocation à s'appliquer aux dispositifs des deux types, mais par simplicité la description suivante fera plutôt référence à des dispositifs du premier type, sans que l'on puisse en tirer une quelconque limitation.
[0014] Ainsi, la figure 1 représente une photocathode à structure inversée, fonctionnant en transmission, capable d'émettre des électrons par suite de l'absorption de rayonnements lumineux. Ce transducteur photon-électron appartient bien aux dispositifs visés par la présente invention, et servira de base à sa description.
[0015] Une telle photocathode est constituée par le scellement sur un substrat de verre 1 (ou de corindon) d'une structure semiconductrice complexe, au moyen d'une couche de scellement 2, par exemple en un verre de type court tel que celui décrit dans la demande de brevet français, de numéro 75 03 429, déposée le 4 Février 1975, au nom de la Demanderesse. La structure semiconductrice se compose d'une couche semiconductrice 3, dite "couche active", généralement en arséniure de gallium, de type de conductivité p, et d'une couche supplémentaire 4, dite "couche de passivation", disposée entre le verre et la couche active et dont la fonction consiste à diminuer la vitesse de recombinaison à l'interface. Dans le cas d'une couche active 3 en GaAs (p), elle se compose d'arséniure de gallium et d'aluminium, Ga1-y Aly As, également de type de conductivité p. Cette couche 4 permet également de définir la limite inférieure en longueur d'onde de la bande spectrale passante du rayonnement ; par exemple, pour y = 0,50, elle autorise le passage du rayonnement dont la longueur d'onde est supérieure à 0,60 um.
[0016] Enfin, la couche semiconductrice active 3 présente sur sa face extérieure, destinée à être soumise au vide, un état d'affinité électronique apparente négative, obtenu par exemple, par un traitement de surface classique, bien connu de l'art antérieur, de couverture par du césium et de l'oxygène.
[0017] Un tel matériau composite verre-semiconducteur ne s'obtient pas immédiatement par simple collage, mais nécessite initialement la croissance d'une double hétéro-structure sur un substrat, puis la suppression ultérieure par décapage chimique de la première hétérostruc- ture.
[0018] Selon un procédé maintenant classique, la réalisation de cette structure nécessite donc la croissance épitaxiale, sur un substrat 5 en GaAs, représenté en pointillés à la figure 1 car destiné à disparaître, d'une première couche 6 de Ga1-x Alx A ,pour laquelle x égale typiquement 0,5, couche dite d'"arrêt chimique" (ou de bloquage, car elle permet d'arrêter le procédé de décapage du substrat, qui se poursuivrait sans cela dans la couche active 3), une deuxième couche de GaAs dite "couche active" 3, de type de conductivité p, obtenue par exemple par dopage au zinc (Zn) ou au germanium (Ge), et enfin une troisième couche 4 de Ga1-y Aly As, pour laquelle y varie entre 0,25 et 1, selon les caractéristiques souhaitées, couche dite de passivation, et dont les fonctions ont été précisées antérieurement.
[0019] La croissance de ces couches peut s'effectuer par épitaxie en phase liquide ou en phase vapeur, par exemple selon la méthode aux organo-métalliques. Cette structure est ensuite collée sur un substrat 1 de verre (ou de corindon), qui joue un rôle de support mécanique et de fenêtre optique, ce scellement pouvant s'effectuer au moyen d'une couche de verre 2, la couche 4 dite de passivation étant la plus proche du substrat de verre 1, ce qui explique notamment la mention de photocathode "à structure inversée".
[0020] Après scellement, le substrat 5 et la couche d'arrêt chimique 6 sont enlevés par décapage chimique ; un exemple de bain utilisé pour l'attaque chimique du substrat 1 de GaAs est une solution de NH4 OH (- 40 °o) à 5 % en volume dans H202 (- 30 %), bain qui présente l'avantage d'une vitesse d'attaque relativement importante et une excellente sélectivité vis-à-vis de la couche d'arrêt 6. Cette dernière couche 6 est ensuite enlevée, par exemple par un bain d'acide fluorhydrique (HF) dilué commercial (40 % V), bain qui n'attaque pratiquement pas le GaAs.
[0021] Enfin, après toutes ces opérations, la couche active 3 est mise si nécessaire à épaisseur optimale, par exemple par un léger décapage chimique, puis activée, dans un bâti à ultra-vide, afin d'obtenir une photocathode, si telle est sa destination.
[0022] Le fonctionnement de ces photocathodes est maintenant bien connu du physicien. L'absorption d'un photon dans le matériau semiconducteur provoque l'excitation d'un électron qui passe ainsi de la bande de valence à la bande de conduction, et qui va diffuser au sein du matériau, après thermalisation, pendant le temps durant lequel il demeure mobile (durée de vie T), sur une distance moyenne_LD (longueur de diffusion). Les atomes d'impuretés introduisent des niveaux d'énergie supplémentaires dans la bande interdite du matériau, dont l'emplacement et la densité modifient la durée de vie des porteurs de charge (pièges) et donc sa longueur de diffusion. D'une façon générale, cette longueur de diffusion est une fonction décroissante dû dopage, ce qui implique que pour accroître cette longueur, il convient de ne doper que faiblement le matériau.
[0023] Et, lorsque l'électron ainsi excité atteint l'interface GaAs/vide, il peut être émis dans le vide, à condition que le matériau soit placé en état d'affinité apparente négative. La probabilité d'émission électronique dépend de plusieurs facteurs, dont l'orientation cristalline, le dopage, etc... et en particulier, elle est d'autant plus grande que le niveau de dopage est élevé.
[0024] Ces deux critères sont donc parfaitement opposés, et la solution traditionnelle a été jusqu'à présent de réaliser un compromis dans la valeur du dopage. Les matériaux réalisés à ce jour sont considérés comme convenables, si la longueur de diffusion atteint 4 µm, pour un 19 3 dopage de 1.10 atomes/cm.
[0025] L'invention vise à améliorer la longueur de diffusion apparente en proposant une nouvelle structure de la couche active.
[0026] Conformément à la présente invention, la couche active 3 présente un dopage qui croît lorsque la distance à la surface émettrice diminue.
[0027] De cette manière, un électron excité par suite de l'absorption de rayonnement diffusera sur une longueur plus grande au sein du matériau par suite d'un dopage plus faible en profondeur, alors que sa probabilité d'émission dans le vide sera relativement élevée, du fait que le dopage au voisinage de la surface émettrice sera plus fort.
[0028] Selon un exemple de réalisation, effectuée par la Demanderesse, la couche active d'un photoémetteur est obtenue sous la forme de deux zones de dopages différents, dans de l'arséniure de gallium de type de conductivité p, dopé par un matériau à faible coefficient de diffusion tel que le germanium (Ge).
[0030] Une telle structure, d'une épaisseur totale de cinq microns, présente une longueur de diffusion apparente pour son fonctionnement en photoémetteur :
LD,app ≃7 µm
[0031] La réalisation d'une variation continue du dopage peut s'obtenir soit par un dosage variable d'impuretés en cours de croissance, par exemple dans le réacteur d'épitaxie en phase vapeur, soit par diffusion grâce au choix d'une impureté dopante à plus grand coefficient de diffusion, tel que le zinc (Zn).
[0032] Cette structure peut également être obtenue avec tout autre matériau semiconducteur, tel que des composés III-V ou II-VI binaires ou pseudo-binaires..., les valeurs des compositions, des dopages et des épaisseurs de couches étant alors adaptées à chaque cas et aisément calculables par le praticien, sans qu'il soit fait pour cela oeuvre d'esprit.
[0033] Il est bien entendu également que l'invention ne se limite pas aux photocathodes, mais trouve également son application pour la réalisation de dynodes, d'une manière générale dans tout dispositif semiconducteur émetteur d'électrons.
[0034] La figure 2 est un réseau de courbes théoriques, donnant un exemple de la variation de la sensibilité (en abscisses, en µ A/lumen) en lumière blanche (2854°K), des photocathodes à structure inversée, conformes à la présente invention, en fonction de l'épaisseur de la couche active 3 de GaAs (en ordonnées, en micron), pour différentes valeurs de la longueur de diffusion électronique apparente (paramètre, en micron), et pour lesquelles-P représente la probabilité d'émission des photoélectrons, et S la vitesse de recombinaison des photoélectrons à l'interface GaAs/GaAlAs.
[0035] Il est intéressant de souligner que le maximum de sensibilité croît avec la longueur de diffusion conformément à l'expérience, ce qui montre le parfait accord entre l'expérience et la théorie, mais également que l'épaisseur optimale de la couche active 3 de GaAs augmente,ce qui facilite sa réalisation et que les courbes s'aplatissent, ce qui rend moins critique le choix de cette épaisseur, effet secondaire non négligeable vis-à-vis de l'élaboration de ces structures.
1. Dispositif semiconducteur, capable d'émettre des électrons par une de ses surfaces,
caractérisé en ce qu'il comporte une couche semiconductrice dite active, affleurant
la surface émettrice, dont le dopage croit lorsque la distance à ladite surface émettrice
diminue.
2. Dispositif semiconducteur, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche
active se compose d'au moins deux zones de dopages différents, la zone proche de la
surface émettrice étant relativement plus dopée.
3. Dispositif semiconducteur, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que
le matériau semiconducteur est choisi parmi les composés III-V, II-VI, binaires ou
pseudo-binaires.
4 . Dispositif semiconducteur, selon la revendication 3, caractérisé en ce que le
matériau semiconducteur composant la couche active est en arséniure de gallium, de
type de conductivité p.
5. Dispositif semiconducteur, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dopage
de la couche active varie à partir de la surface émettrice entre 1019 et 10 accepteurs/cm3.
6. Photocathode selon l'une des revendications 1 à 5.
7. Dynode selon l'une des revendications 1 à 5.
8. Tube à image comportant au moins une photocathode, selon la revendication 7.
9. Photomultiplicateur comportant un dispositif semiconducteur émetteur d'électrons,
selon l'une des revendications 6 et 7.