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WO2004081604A2 - Direct-conversion x-ray imager and production method thereof - Google Patents

Direct-conversion x-ray imager and production method thereof Download PDF

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Publication number
WO2004081604A2
WO2004081604A2 PCT/FR2004/050096 FR2004050096W WO2004081604A2 WO 2004081604 A2 WO2004081604 A2 WO 2004081604A2 FR 2004050096 W FR2004050096 W FR 2004050096W WO 2004081604 A2 WO2004081604 A2 WO 2004081604A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
epitaxial layer
imager
electrode
layer
substrate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2004/050096
Other languages
French (fr)
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WO2004081604A3 (en
Inventor
Jacques Bourgoin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Pierre et Marie Curie
Original Assignee
Universite Pierre et Marie Curie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Pierre et Marie Curie filed Critical Universite Pierre et Marie Curie
Publication of WO2004081604A2 publication Critical patent/WO2004081604A2/en
Publication of WO2004081604A3 publication Critical patent/WO2004081604A3/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10Integrated devices
    • H10F39/12Image sensors
    • H10F39/191Photoconductor image sensors
    • H10F39/195X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers

Definitions

  • the present invention relates to an imager for the detection of X-rays with direct conversion of phoions to electrons and its manufacturing process.
  • X-ray photon detectors for image acquisition in digital form.
  • the first uses a photosensitive layer (for example a phosphor) which transforms the X photons into visible photons, which are then detected by the techniques applicable to the latter.
  • the second uses semiconductor materials which directly transform X photons into electrons.
  • These latter detectors have many advantages over photosensitive layers. In principle, they allow images to be acquired at a faster rate and have higher performance (collection efficiency or sensitivity, noise, dynamics, acquisition speed).
  • the detectors of the second category currently manufactured with a solid semiconductor material such as Silicon, Cadmium Telluride (CdTe) or CdZnTe (CZT) for example, use a so-called depletion zone in which there is an electric field allowing an electron-hole pair created by the absorption of a photon to be collected to thereby form an electrical signal.
  • a depletion zone is obtained by using p / n, p / i / n structures or Schottky barriers.
  • This active zone for the detection of particles penetrating the detector must have a large thickness to effectively absorb the X photons, of the order of several hundred micrometers depending on the energy of the photons and the material used.
  • the active area can have sufficient thickness due to the defects they contain, which compensate for the free carriers (linked to residual doping).
  • solid materials do not have the optimum qualities for detection, in particular for imaging: the defects that they contain greatly reduce the lifetime of charge carriers and their electronic properties, due to the inhomogeneous distribution of faults, are not homogeneous on the scale of the detector.
  • materials which do not contain (or very few) defects allowing the charge carriers to have an optimal lifetime and whose properties are homogeneous on large surfaces these are layers obtained by epitaxial growth. In this case, the residual doping is not compensated for by the defects, which greatly limits the width of the depletion zone.
  • SDDs Silicon Drift Detectors
  • An electric field having a strong component parallel to the surface of the detector sends the charge carriers, generated by the absorption of a photon, to a collection electrode placed for example at the heart of a set of rings.
  • Carriers can drift a long distance because their lifespan is very long in this material.
  • These drift chambers are only known for individual detectors whose active surfaces are of the order of ten mm 2 , that is to say large compared to the typical dimensions of individual detectors defining the pixels of a imager. These detectors are therefore not suitable for imaging which implements an array of individual detectors, the number of which can range up to several hundreds of 1000.
  • an electronic GaAs detector having a high sensitivity for the detection of X-rays ⁇ Bourgoin J., WO 02061852 ⁇ .
  • an n + (or p + ) substrate is formed on epitaxial material having very uniform electronic properties, the thickness of which is sufficient to efficiently absorb the X photons.
  • the epitaxial material obtained has a certain residual doping, which can be reduced within a certain limit once the detector is finished, by uniform irradiation with electrons of approximately 1 MeV and at an adjusted dose.
  • the qualities of this detector can be further improved by maximizing the collection of the signal generated by the radiation penetrating the detector.
  • the objective of the present invention is to provide a method and a device which is simple in its design and in its operating mode, rapid and economical, for producing imagers using epitaxial layers and having increased sensitivity for the detection of X-rays. using the drift chamber principle.
  • the invention relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a forbidden band of the order 1.5 eV, said layer being formed on an n + (or p + ) substrate, said imager comprising individual detectors each defining a pixel of the imager.
  • each individual detector comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p + ), a second electrode comprising a layer n + (or p + ) formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + (or n + ) placed on the same face of the individual detector as the second electrode,
  • the first and second electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.
  • the second electrode covers at least 60% of the surface of said individual detector, the second electrode covers at least 90% of the surface of said individual detector,
  • the unintentionally doped epitaxial layer has a thickness of which depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and which is between 100 ⁇ m and 1 mm,
  • the imager comprises at least one contact line for electrically connecting the second electrodes of said individual detectors to the substrate n + (or p + ),
  • the epitaxial layer is made of GaAs
  • the epitaxial layer is made of InP
  • the epitaxial layer is made of GaP
  • the epitaxial layer is in CdTe.
  • the invention also relates to a method for manufacturing an imager with direct conversion of photons into electrons for detecting X-rays, in which
  • an epitaxial layer of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV is formed on a substrate n + (or p + ), said epitaxial layer having a thickness d 'sufficient to efficiently absorb the X photons,
  • the thickness of the substrate is reduced by chemical mechanical polishing.
  • first ohmic contacts are made on both sides after masking and a contact line by metallic evaporation followed by annealing
  • p + (or n + ) electrodes are produced by masking, chemical etching and implantation of p + (or n + ) ions on the external face of the epitaxial layer,
  • Second ohmic contacts are made on said measurement electrodes after masking.
  • the thickness of the layer depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and is between 100 ⁇ m and 1 mm,
  • - ohmic contacts are made by evaporation of a gold-based alloy followed by annealing
  • the epitaxial layer is made of GaAs
  • the epitaxial layer is in InP
  • the epitaxial layer is made of GaP
  • the epitaxial layer is in CdTe.
  • the imager thus produced can be used for the detection of X photons with an energy between some keV and 200 keV. This imager can also be used for higher X photon energies, but the lower absorption coefficient for these energies reduces its sensitivity. It can advantageously be used for medical imaging (2 dimensions) and certain industrial applications (for example: examination of airport baggage (1 dimension)).
  • FIG. 1 is a schematic representation of the successive steps 1a), 1b), 1c), 1d), 1e), 1f), 1g) and 1h) leading to the production of an X-ray imager, according to one mode of particular embodiment of the invention in which the measurement electrode at least partially covers the second electrode;
  • FIG. 2 schematically shows an imager during manufacture comprising a matrix (4x2) of individual detectors (Fig. 2a) and a sectional view along the axis AA of the imager with the measurement electrode covering at least partially the second electrode (Fig. 2b);
  • FIG. 3 is a schematic representation of an individual detector formed by a p / i / n structure showing the potential lines guiding the measurement signal generated in the depletion zone (Fig. 3a) and of an individual detector with its potential lines of an imager X, according to an embodiment of the invention (Fig. 3b);
  • the imager therefore consists of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV.
  • the semiconductor material is then chosen from one of the materials having the following required characteristics: GaAs, InP and CdTe, GaP because the free electrons in said material have a mobility greater than 1000 cmVV 1 and a long lifetime.
  • FIG. 1 schematically represents in the particular case of GaAs, the successive stages of the process leading to the manufacture of an X-ray imager.
  • the first stage 1a) consists in the growth of epitaxial layers 1 of thickness dependent on l energy of the photons to be detected on an n + (or p + ) substrate.
  • the method of growing epitaxial layers implemented in the present invention was the subject, in a particular embodiment, of a published patent application WO 02061852 on the part of the inventor of the present application. This application describes a method and a device for manufacturing an electronic GaAs detector for detecting X-rays.
  • the growth of the epitaxial material 1 results from a method aimed at suppressing the transport of gases to the substrate 2 in order to obtain a rapid growth rate.
  • a source material having the same chemical composition as the material to be grown is brought to a temperature Ti> 600 ° C (preferably between 750 and 850 ° C) by a heater.
  • Said heater consists, for example, of a metal resistor covered with boron nitride.
  • the reactive gas H 2 O under a well-defined partial pressure, interacts chemically with the source material brought to the temperature Ti, creating volatile products.
  • These volatile compounds are transported by the pressure gradient to a substrate n + (or p + ) brought to a temperature T 2 ⁇ T 1 (advantageously at least 50 ° C.) by a second heater identical to the first .
  • epitaxial layer 1 takes place under conditions close to the reaction equilibrium between the crystal and the gas. reagent.
  • the growth rate of the epitaxial layers 1 is only a function of the respective temperatures, Ti and T 2 , of the source material and of the substrate n + (or p + ), of the partial pressure p of the reactive gas.
  • the source material is the unintentionally doped semi-insulating standard material: it contains p and n type dopants in a concentration of 10 15 - 10 16 cm "3 which are respectively mainly C and Si according to the literature.
  • the material obtained contains therefore also these doping impurities but in different proportions because their transport depends on the nature of these.
  • the thickness d 'of the layer 1 produced depends on the energy of the X photons to be absorbed and in a preferred embodiment, it is between 100 ⁇ m and 1 mm.
  • the thickness of the substrate 2 is reduced by chemical mechanical polishing (step 2, Fig. 1b)) to uniformly reduce its thickness to less than 10 ⁇ m.
  • ions are implanted to form a doped controlled surface layer 3 (greater than 10 18 cm "3 ) of type n + , respectively p + .
  • Si + ions are implanted with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 ⁇ 10 13 atoms / cm 2 ).
  • This implantation is followed by rapid thermal annealing at a temperature ⁇ i (approximately 850 ° C.) and for a short determined time t t (10 s).
  • Masking is then carried out by photolithography and chemical etching (step 4, Fig. 1d)) to form individual detectors 4, each of said detectors 4 defining a pixel of the imager.
  • This step is followed by the deposition of a first insulating layer 5 for the passivation of the etched surfaces.
  • passivation the deposition of an insulator on surfaces pickled to make them non-conductive, for example, by deposition of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silica (SiO 2 ) (step 5, Fig. 1e)).
  • Masking is then carried out by photolithography to make an opening on the pixels 4 in order to form first ohmic contacts 6 (step 6, Fig. 1f)) on both sides by evaporation of a metallic alloy (multilayer) based on gold, followed by annealing at a temperature of the order of 400 ° C and for a determined time (of the order of 300s).
  • This alloy is for example AuGe or NiAu for the n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts.
  • This step is followed by the deposition of a second insulating layer 7 by deposition of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silica (SiO 2 ) for protection against implantation p + , made after opening the measurement electrode. .
  • a measurement electrode 8 is then produced for each individual detector 4 by masking (step 7, FIG. 1g)) and implantations of p + (or n + ) ions on the external face of the epitaxial layer 1. In a mode of particular embodiment, this measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4.
  • this measurement electrode 8 The effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the contact 9 n + (or p + ) formed on the same face of Individual detector 4.
  • said contact 9 n + (or p + ) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%.
  • Mg + or Be + ions, respectively Si + are implanted with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 x 10 13 atoms / cm 2 ). This implantation is followed by rapid thermal annealing at a temperature ⁇ 2 (approximately 850 ° C) and for a short time t 2 (10s).
  • Second ohmic contacts 10 are then carried out after revelation and after revelation of the resin, a chemical etching to form second ohmic contacts 10 (step 8, FIG. 1h)) on said measuring electrodes 8 by evaporation of a gold-based alloy, followed by annealing at a temperature of the order of 400 ° C and for a determined time (300s).
  • This alloy is for example AuGe or NiAu for the n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts.
  • These second ohmic contacts 10 can cover the entire surface of the pixel (FIG. 1h), which allows an apparent surface for the measurement electrode 8 much greater than its effective surface.
  • This embodiment is particularly advantageous in the case where the second electrode 9 covers at least 90% of the surface of the individual detector 4.
  • the electrical contact 9 n + (or p + ) formed on the outer layer of the epitaxial material 1 and the substrate n + (or p + ) 2 are electrically connected. These two electrodes 2, 9 are thus at the same electrical potential.
  • the term “same electrical potential” is understood to mean an electrical potential which is substantially equal and at least very different from the potential applied to the measuring electrode 8.
  • a contact line 11 is therefore formed by metallic evaporation to electrically connect these two electrodes 2, 9. This contact line 11 can be closed by evaporation metallic based on gold.
  • the individual detectors can be manufactured on the face of the substrate 2, after its thickness has been reduced by chemical mechanical polishing, instead of the external face of the epitaxial layer 1.
  • the steps of the method of the invention leading to the manufacturing an imager remain the same.
  • the steps leading to the formation of the individual detectors are applied to the external face of the substrate and therefore the thickness of the layer to be chemically etched is greater. It is in fact slightly greater than the residual thickness of the substrate 2 in order to reach the epitaxial layer 1.
  • the imager thus produced advantageously allows irradiation on the side of the external face of the epitaxial layer 1 in which n + ions (or p + ) 3 have been implanted.
  • this implanted and inactive layer for detection being much less than 1 ⁇ m and therefore much less than the thickness of the substrate n + (or p + ) 2 of the order of 10 ⁇ m, the fraction of charges induced by the absorption of incident photons in the epitaxial material is thus increased compared to an imager in which the individual detectors would be produced on the external face of the epitaxial layer.
  • the invention also relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer 1 of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV, said layer 1 being formed on a substrate n + (or p + ) 2.
  • the semiconductor material is then chosen from one of the materials having the required characteristics, following: GaAs, InP, CdZnTe, CdTe and GaP.
  • the thickness of the epitaxial layer 1 depends on the energy of the X photons to be absorbed and it is generally between 100 ⁇ m and 1 mm.
  • This imager includes individual detectors 4 each defining a pixel.
  • Each individual detector 4 comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p + ) 2, a second electrode comprising a layer n + (or p + ) 9 formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + (or n + ) 8 placed on the same face of the individual detector 4 as the second electrode 9.
  • the first 2 and second 9 electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.
  • the measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4.
  • the effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the second electrode 9 placed on the same face of the individual detector.
  • the second electrode 9 comprising the contact n + (or p + ) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%.
  • the apparent surface of the measurement electrode 8 can be increased relative to the effective dimensions of said electrode by forming the second ohmic contacts 10 on said measurement electrode 8 and on the insulator 7 covering the second electrode 9 (FIG. 2b).
  • Figure 3a schematically shows an individual detector 12 formed by a p / i / n junction.
  • the width of the depletion zone 13 is W.
  • the electric field lines 14 created in the structure p / i / n are shown in dotted lines.
  • the absorption of a photon in the depletion zone 13 creates an induced charge 15 which under the influence of the potential existing in said zone is rapidly collected to form a basic electrical signal.
  • the electric field lines 14 guide said induced charge 15 towards the electrodes. If the width W of the depletion zone does not extend completely through the structure p / i / n, for example due to residual doping, the induced charge may be lost for detection. However, a fraction is collected by diffusion.
  • Figure 3b shows the electric field lines created in the structure of an individual detector 4 of the imager X.
  • the field lines 14 start from the first 2 and second 9 electrodes which are at same electrical potential for joining the third electrode placed, for example, laterally on the surface of the individual detector 4.
  • the field lines 14 direct the induced charges 15 towards the third electrode 8 parallel to the surface of the detector All of the induced charges are therefore guided through the depletion zone 13 towards the measurement electrode.
  • This imager can advantageously be used for example when the epitaxial material is made of GaAs for medical imaging.

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

The invention relates to an imager with direct photon-to-electron conversion for the detection of X-rays, and to the production method thereof. The inventive imager comprises an epitaxial layer (1) of semiconductor material having a high atomic number and a forbidden band of the order of 1.5 eV, said layer (1) being formed on a substrate n+ (or p+) (2), with individual detectors (4) each defining one pixel of the imager. According to the invention, each individual detector (4) comprises a first electrode (2) comprising the aforementioned substrate n+ (or p+), a second electrode (9) comprising a layer n+ (or p+) which is formed on the outer epitaxial layer and a third electrode (8) comprising a layer p+ (or n+) which is placed on the same face of the individual detector (4) as the second electrode (9). Moreover, said first (2) and second (9) electrodes are electrically connected such that they are at the same electrical potential.

Description

Imageur à conversion directe et son procédé de fabrication Direct conversion imager and its manufacturing process

La présente invention concerne un imageur pour la détection de rayons X à conversion directe de phoions en électrons et son procédé de fabrication.The present invention relates to an imager for the detection of X-rays with direct conversion of phoions to electrons and its manufacturing process.

Il existe deux catégories de détecteurs de photons X permettant une acquisition de l'image sous forme digitale. La première met en oeuvre une couche photosensible (par exemple un phosphore) qui transforme les photons X en photons visibles, lesquels sont ensuite détectés par les techniques applicables à ces derniers. La seconde utilise des matériaux semi-conducteurs qui transforment directement les photons X en électrons. Ces derniers détecteurs ont de nombreux avantages par rapport aux couches photosensibles. Ils permettent en principe l'acquisition d'images à une cadence plus rapide et présentent des performances (efficacité de collection ou sensibilité, bruit, dynamique, vitesse d'acquisition) supérieures.There are two categories of X-ray photon detectors for image acquisition in digital form. The first uses a photosensitive layer (for example a phosphor) which transforms the X photons into visible photons, which are then detected by the techniques applicable to the latter. The second uses semiconductor materials which directly transform X photons into electrons. These latter detectors have many advantages over photosensitive layers. In principle, they allow images to be acquired at a faster rate and have higher performance (collection efficiency or sensitivity, noise, dynamics, acquisition speed).

Les détecteurs de la seconde catégorie actuellement fabriqués avec un matériau semi-conducteur massif, comme le Silicium, le Tellurure de Cadmium (CdTe) ou le CdZnTe (CZT) par exemple, utilisent une zone dite de déplétion dans laquelle il existe un champ électrique permettant à une paire électron-trou créée par l'absorption d'un photon d'être collectée pour former ainsi un signal électrique. Une telle zone de déplétion est obtenue en utilisant des structures p/n, p/i/n ou des barrières de Schottky. Cette zone active pour la détection de particules pénétrant le détecteur, doit présenter une épaisseur importante pour absorber efficacement les photons X, de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres suivant l'énergie des photons et le matériau utilisé.The detectors of the second category currently manufactured with a solid semiconductor material, such as Silicon, Cadmium Telluride (CdTe) or CdZnTe (CZT) for example, use a so-called depletion zone in which there is an electric field allowing an electron-hole pair created by the absorption of a photon to be collected to thereby form an electrical signal. Such a depletion zone is obtained by using p / n, p / i / n structures or Schottky barriers. This active zone for the detection of particles penetrating the detector must have a large thickness to effectively absorb the X photons, of the order of several hundred micrometers depending on the energy of the photons and the material used.

Dans les matériaux massifs, la zone active peut avoir l'épaisseur suffisante du fait des défauts qu'ils contiennent, lesquels compensent les porteurs libres (liés au dopage résiduel). Mais les matériaux massifs n'ont pas les qualités optima pour la détection, en particulier pour l'imagerie : les défauts qu'ils contiennent réduisent fortement la durée de vie des porteurs de charge et leurs propriétés électroniques, du fait de la répartition inhomogène des défauts, ne sont pas homogènes à l'échelle du détecteur. Il existe des matériaux ne contenant pas (ou très peu) de défauts permettant aux porteurs de charges d'avoir une durée de vie optimale et dont les propriétés sont homogènes sur de grandes surfaces: ce sont des couches obtenues par croissance épitaxiale. Dans ce cas, le dopage résiduel n'est pas compensé par les défauts, ce qui limite fortement la largeur de la zone de déplétion. L'application d'une polarisation inverse peut permettre d'augmenter la largeur de cette zone mais il existe un seuil, la tension de claquage. Des tensions proches de cette valeur peuvent même s'avérer insuffisantes pour obtenir la déplétion complète de la structure. Par exemple, une couche possédant initialement 1 x 1013 cm"3 dopants résiduels (valeur limite rarement atteinte en croissance épitaxiale) ne pourra subir une déplétion que sur une zone atteignant quelques dizaines de micromètres pour une tension acceptable de l'ordre de 50 V. Les structures de ces détecteurs peuvent donc s'avérer insuffisantes pour collecter l'ensemble des charges créées et atteindre les limites de détection de rayons X.In solid materials, the active area can have sufficient thickness due to the defects they contain, which compensate for the free carriers (linked to residual doping). However, solid materials do not have the optimum qualities for detection, in particular for imaging: the defects that they contain greatly reduce the lifetime of charge carriers and their electronic properties, due to the inhomogeneous distribution of faults, are not homogeneous on the scale of the detector. There are materials which do not contain (or very few) defects allowing the charge carriers to have an optimal lifetime and whose properties are homogeneous on large surfaces: these are layers obtained by epitaxial growth. In this case, the residual doping is not compensated for by the defects, which greatly limits the width of the depletion zone. The application of a reverse polarization can make it possible to increase the width of this zone but there is a threshold, the breakdown voltage. Tensions close to this value may even prove to be insufficient to obtain complete depletion of the structure. For example, a layer initially having 1 x 10 13 cm "3 residual dopants (limit value rarely reached in epitaxial growth) can only undergo depletion in an area reaching a few tens of micrometers for an acceptable voltage of the order of 50 V The structures of these detectors may therefore prove to be insufficient to collect all of the charges created and reach the X-ray detection limits.

On connaît par ailleurs des détecteurs dits à dérive en Silicium ("Silicon Drift Detector" - SDD) qui permettent de réaliser la déplétion totale de porteurs de charge. Un champ électrique ayant une forte composante parallèle à la surface du détecteur envoie les porteurs de charge, générés par l'absorption d'un photon, vers une électrode de collection disposée par exemple au cœur d'un ensemble d'anneaux. Les porteurs peuvent dériver sur une distance importante parce que leur durée de vie est très grande dans ce matériau. Ces chambres de dérive ne sont connues que pour des détecteurs individuels dont les surfaces actives sont de l'ordre d'une dizaine de mm2, c'est-à-dire grandes devant les dimensions typiques de détecteurs individuels définissant les pixels d'un imageur. Ces détecteurs ne sont donc pas adaptés pour l'imagerie qui met en œuvre une matrice de détecteurs individuels, dont le nombre peut aller jusqu'à plusieurs centaines de 1000.Furthermore, so-called Silicon Drift Detectors (SDDs) are known which allow the total depletion of charge carriers. An electric field having a strong component parallel to the surface of the detector sends the charge carriers, generated by the absorption of a photon, to a collection electrode placed for example at the heart of a set of rings. Carriers can drift a long distance because their lifespan is very long in this material. These drift chambers are only known for individual detectors whose active surfaces are of the order of ten mm 2 , that is to say large compared to the typical dimensions of individual detectors defining the pixels of a imager. These detectors are therefore not suitable for imaging which implements an array of individual detectors, the number of which can range up to several hundreds of 1000.

On connaît enfin un dispositif et un procédé de fabrication, rapide et non polluant, d'un détecteur électronique en GaAs présentant une forte sensibilité pour la détection de rayons X {Bourgoin J., WO 02061852}. Selon ce procédé, on forme sur un substrat n+ (ou p+) un matériau epitaxial ayant des propriétés électroniques très uniformes dont l'épaisseur est suffisante pour absorber efficacement les photons X. Le matériau epitaxial obtenu présente un certain dopage résiduel, lequel peut être réduit dans une certaine limite une fois le détecteur fini, par irradiation uniforme avec des électrons de 1 MeV environ et à une dose ajustée. Cependant les qualités de ce détecteur peuvent encore être améliorées en maximisant la collection du signal généré par les radiations pénétrant le détecteur.Finally, there is a device and a method of manufacturing, fast and non-polluting, an electronic GaAs detector having a high sensitivity for the detection of X-rays {Bourgoin J., WO 02061852}. According to this process, an n + (or p + ) substrate is formed on epitaxial material having very uniform electronic properties, the thickness of which is sufficient to efficiently absorb the X photons. The epitaxial material obtained has a certain residual doping, which can be reduced within a certain limit once the detector is finished, by uniform irradiation with electrons of approximately 1 MeV and at an adjusted dose. However, the qualities of this detector can be further improved by maximizing the collection of the signal generated by the radiation penetrating the detector.

L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif simple dans sa conception et dans son mode opératoire, rapide et économique, pour la réalisation d'imageurs utilisant des couches épitaxiales et présentant une sensibilité accrue pour la détection de rayons X en utilisant le principe de la chambre de dérive.The objective of the present invention is to provide a method and a device which is simple in its design and in its operating mode, rapid and economical, for producing imagers using epitaxial layers and having increased sensitivity for the detection of X-rays. using the drift chamber principle.

A cet effet, l'invention concerne un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X comportant une couche épitaxiale d'un matériau semi-conducteur non intentionnellement dopée ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche étant formée sur un substrat n+ (ou p+), ledit imageur comportant des détecteurs individuels définissant chacun un pixel de l'imageur.To this end, the invention relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a forbidden band of the order 1.5 eV, said layer being formed on an n + (or p + ) substrate, said imager comprising individual detectors each defining a pixel of the imager.

Selon l'invention,According to the invention,

- chaque détecteur individuel comprend une première électrode comprenant ledit substrat n+ (ou p+), une deuxième électrode comportant une couche n+ (ou p+) formée sur la couche épitaxiale externe et une troisième électrode comportant une couche p+ (ou n+) placée sur la même face du détecteur individuel que la deuxième électrode,each individual detector comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p + ), a second electrode comprising a layer n + (or p + ) formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + (or n + ) placed on the same face of the individual detector as the second electrode,

- les première et deuxième électrodes sont reliées électriquement pour être au même potentiel électrique.- The first and second electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.

Dans différents modes de réalisation particuliers de détecteurs individuels sur la surface externe de la couche, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles, suivant la taille du pixel:In different particular embodiments of individual detectors on the external surface of the layer, each having its particular advantages and capable of numerous possible technical combinations, depending on the size of the pixel:

- la deuxième électrode couvre au moins 60% de la surface dudit détecteur individuel, - la deuxième électrode couvre au moins 90% de la surface dudit détecteur individuel,the second electrode covers at least 60% of the surface of said individual detector, the second electrode covers at least 90% of the surface of said individual detector,

- la couche épitaxiale non intentionnellement dopée a une épaisseur d' qui dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et qui est comprise entre 100 μm et 1 mm,the unintentionally doped epitaxial layer has a thickness of which depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and which is between 100 μm and 1 mm,

- l'imageur comporte au moins une ligne de contact pour relier électriquement les deuxièmes électrodes desdits détecteurs individuels au substrat n+ (ou p+),the imager comprises at least one contact line for electrically connecting the second electrodes of said individual detectors to the substrate n + (or p + ),

- la couche épitaxiale est en GaAs, - la couche épitaxiale est en InP,- the epitaxial layer is made of GaAs, - the epitaxial layer is made of InP,

- la couche épitaxiale est en GaP,- the epitaxial layer is made of GaP,

- la couche épitaxiale est en CdTe.- the epitaxial layer is in CdTe.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X, dans lequelThe invention also relates to a method for manufacturing an imager with direct conversion of photons into electrons for detecting X-rays, in which

- on forme sur un substrat n+ (ou p+) une couche épitaxiale d'un matériau semi-conducteur non intentionnellement dopée ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche épitaxiale ayant une épaisseur d' suffisante pour absorber efficacement les photons X,- an epitaxial layer of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV is formed on a substrate n + (or p + ), said epitaxial layer having a thickness d 'sufficient to efficiently absorb the X photons,

- on diminue l'épaisseur du substrat par polissage mécano- chimique.- the thickness of the substrate is reduced by chemical mechanical polishing.

Selon l'invention,According to the invention,

- on implante des ions n+ (ou p+) sur la face externe de la couche épitaxiale,- n + (or p + ) ions are implanted on the external face of the epitaxial layer,

- on recuit ladite structure à une température θi pendant un temps- said structure is annealed at a temperature θi for a time

- on définit des détecteurs individuels par masquage et décapage chimique, - on effectue une première passivation,- individual detectors are defined by masking and chemical pickling, - a first passivation is carried out,

- on réalise des premiers contacts ohmiques sur les deux faces après masquage et une ligne de contact par évaporation métallique suivi d'un recuit,- first ohmic contacts are made on both sides after masking and a contact line by metallic evaporation followed by annealing,

- on effectue une deuxième passivation de la surface externe entre détecteurs individuels, - on réalise des électrodes p+ (ou n+) par masquage, décapage chimique et implantation d'ions p+ (ou n+) sur la face externe de la couche épitaxiale,- a second passivation of the external surface is carried out between individual detectors, p + (or n + ) electrodes are produced by masking, chemical etching and implantation of p + (or n + ) ions on the external face of the epitaxial layer,

- on recuit ladite structure à une température θ2 pendant un temps -2,- said structure is annealed at a temperature θ 2 for a time -2,

- on réalise des deuxièmes contacts ohmiques sur lesdites électrodes de mesure après masquage.- Second ohmic contacts are made on said measurement electrodes after masking.

Dans différents modes de réalisation particuliers de détecteurs individuels sur la surface externe de la couche, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles:In different particular embodiments of individual detectors on the external surface of the layer, each having its particular advantages and capable of numerous possible technical combinations:

- l'épaisseur d' de la couche dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et est comprise entre 100 μm et 1 mm,the thickness of the layer depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and is between 100 μm and 1 mm,

- on réalise les contacts ohmiques par évaporation d'un alliage à base d'or suivi d'un recuit,- ohmic contacts are made by evaporation of a gold-based alloy followed by annealing,

- la couche épitaxiale est en GaAs,- the epitaxial layer is made of GaAs,

- la couche épitaxiale est en InP,- the epitaxial layer is in InP,

- la couche épitaxiale est en GaP,- the epitaxial layer is made of GaP,

- la couche épitaxiale est en CdTe. L'imageur ainsi réalisé peut être utilisé pour la détection de photons X d'énergie comprise entre quelque keV et 200 keV. Cet imageur peut également être utilisé pour des énergies de photons X supérieures mais le plus faible coefficient d'absorption pour ces énergies en réduit la sensibilité. Il peut avantageusement être mis en oeuvre pour l'imagerie médicale (2 dimensions) et certaines applications industrielles (par exemple: examen de bagages d'aéroport (1 dimension)).- the epitaxial layer is in CdTe. The imager thus produced can be used for the detection of X photons with an energy between some keV and 200 keV. This imager can also be used for higher X photon energies, but the lower absorption coefficient for these energies reduces its sensitivity. It can advantageously be used for medical imaging (2 dimensions) and certain industrial applications (for example: examination of airport baggage (1 dimension)).

L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels:The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which:

- la figure 1 est une représentation schématique des étapes successives 1a), 1 b), 1c), 1d), 1e), 1f), 1g) et 1h) conduisant à la réalisation d'un imageur de rayons X, selon un mode de réalisation particulier de l'invention dans lequel l'électrode de mesure couvre au moins en partie la deuxième électrode;- Figure 1 is a schematic representation of the successive steps 1a), 1b), 1c), 1d), 1e), 1f), 1g) and 1h) leading to the production of an X-ray imager, according to one mode of particular embodiment of the invention in which the measurement electrode at least partially covers the second electrode;

- la figure 2 représente schématiquement un imageur en cours de fabrication comprenant une matrice (4x2) de détecteurs individuels (Fig. 2a) et une vue en coupe selon l'axe A-A de l'imageur avec l'électrode de mesure couvrant au moins en partie la deuxième électrode (Fig. 2b);- Figure 2 schematically shows an imager during manufacture comprising a matrix (4x2) of individual detectors (Fig. 2a) and a sectional view along the axis AA of the imager with the measurement electrode covering at least partially the second electrode (Fig. 2b);

- la figure 3 est une représentation schématique d'un détecteur individuel formé par une structure p/i/n montrant les lignes de potentiel guidant le signal de mesure généré dans la zone de déplétion (Fig. 3a) et d'un détecteur individuel avec ses lignes de potentiel d'un imageur X, selon un mode de réalisation de l'invention (Fig. 3b);- Figure 3 is a schematic representation of an individual detector formed by a p / i / n structure showing the potential lines guiding the measurement signal generated in the depletion zone (Fig. 3a) and of an individual detector with its potential lines of an imager X, according to an embodiment of the invention (Fig. 3b);

Une des conditions requises pour l'application de détecteurs électroniques à l'imagerie, est que la dimension du matériau semi- conducteur sur lequel les détecteurs sont réalisés soit suffisamment grande et que ses propriétés soient homogènes. Or, l'obtention de couches épitaxiales de grande taille est liée à l'existence de barreaux monocristallins de grand diamètre dans lesquels des substrats de bonne qualité cristallographique (mais dont les propriétés électroniques ne sont en général pas homogènes) peuvent être découpés. En outre, ces couches doivent être réalisées avec des matériaux à grand numéro atomique Z (i.e. ceux pour lesquels l'absorption des photons X est importante). L'imageur est donc constitué d'un matériau semi-conducteur ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV. Le matériau semi-conducteur est alors choisi parmi l'un des matériaux présentant les caractéristiques requises, suivants : GaAs, InP et CdTe, GaP car les électrons libres dans ledit matériau ont une mobilité supérieure à 1000 cmVV1 et une durée de vie grande.One of the conditions required for the application of electronic detectors to imaging is that the size of the semiconductor material on which the detectors are made is sufficiently large and that its properties are homogeneous. However, obtaining large epitaxial layers is linked to the existence of monocrystalline bars of large diameter in which substrates of good crystallographic quality (but whose electronic properties are generally not homogeneous) can be cut. In addition, these layers must be made with materials with a large atomic number Z (ie those for which the absorption of X photons is important). The imager therefore consists of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV. The semiconductor material is then chosen from one of the materials having the following required characteristics: GaAs, InP and CdTe, GaP because the free electrons in said material have a mobility greater than 1000 cmVV 1 and a long lifetime.

La figure 1 représente schématiquement dans le cas particulier du GaAs, les étapes successives du procédé conduisant à la fabrication d'un imageur de rayons X. La première étape 1a) consiste en la croissance de couches épitaxiales 1 d'épaisseur d' dépendant de l'énergie des photons à détecter sur un substrat n+ (ou p+). La méthode de croissance de couches épitaxiales mise en œuvre dans la présente invention a fait l'objet, dans un mode de réalisation particulier, d'une demande de brevet publiée WO 02061852 de la part de l'inventeur de la présente demande. Cette demande décrit un procédé et un dispositif de fabrication d'un détecteur électronique en GaAs pour la détection de rayons X. La croissance du matériau epitaxial 1 résulte d'une méthode visant à supprimer le transport des gaz jusqu'au substrat 2 pour obtenir un taux de croissance rapide. Pour cela, un matériau source ayant la même composition chimique que le matériau à faire croître (GaAs) est porté à une température Ti > 600°C (préférentiellement comprise entre 750 et 850°C) par une chaufferette. Ladite chaufferette est constituée, par exemple, d'une résistance métallique recouverte de nitrure de bore. Le gaz réactif H2O, sous une pression partielle bien définie interagit chimiquement avec le matériau source porté à la température T-i en créant des produits volatiles. Ces composés volatiles sont transportés par le gradient de pression jusqu'à un substrat n+ (ou p+) porté à une température T2 < T1 (avantageusement inférieure d'au moins 50°C) par une deuxième chaufferette identique à la première. Les produits volatiles recomposent alors à la surface du substrat n+ (ou p+) pour reformer GaAs et H2O gazeux. Ce dernier est alors de nouveau disponible pour participer au processus réactionnel. Il s'agit d'un système fermé: il n'est donc pas besoin d'avoir un apport continu de gaz réactif.FIG. 1 schematically represents in the particular case of GaAs, the successive stages of the process leading to the manufacture of an X-ray imager. The first stage 1a) consists in the growth of epitaxial layers 1 of thickness dependent on l energy of the photons to be detected on an n + (or p + ) substrate. The method of growing epitaxial layers implemented in the present invention was the subject, in a particular embodiment, of a published patent application WO 02061852 on the part of the inventor of the present application. This application describes a method and a device for manufacturing an electronic GaAs detector for detecting X-rays. The growth of the epitaxial material 1 results from a method aimed at suppressing the transport of gases to the substrate 2 in order to obtain a rapid growth rate. For this, a source material having the same chemical composition as the material to be grown (GaAs) is brought to a temperature Ti> 600 ° C (preferably between 750 and 850 ° C) by a heater. Said heater consists, for example, of a metal resistor covered with boron nitride. The reactive gas H 2 O, under a well-defined partial pressure, interacts chemically with the source material brought to the temperature Ti, creating volatile products. These volatile compounds are transported by the pressure gradient to a substrate n + (or p + ) brought to a temperature T 2 <T 1 (advantageously at least 50 ° C.) by a second heater identical to the first . The volatile products then recompose on the surface of the substrate n + (or p + ) to reform GaAs and H 2 O gas. The latter is then available again to participate in the reaction process. It is a closed system: there is therefore no need to have a continuous supply of reactive gas.

A cause de la différence de température relativement faible entre le matériau source et le substrat, imposée par la courte distance séparant lesdits éléments, la croissance de couche épitaxiale 1 s'effectue dans des conditions proches de l'équilibre réactionnel entre le cristal et le gaz réactif.Because of the relatively small temperature difference between the source material and the substrate, imposed by the short distance separating said elements, the growth of epitaxial layer 1 takes place under conditions close to the reaction equilibrium between the crystal and the gas. reagent.

La vitesse de croissance des couches épitaxiales 1 n'est fonction que des températures respectives, T-i et T2, du matériau source et du substrat n+ (ou p+), de la pression partielle p du gaz réactif.The growth rate of the epitaxial layers 1 is only a function of the respective temperatures, Ti and T 2 , of the source material and of the substrate n + (or p + ), of the partial pressure p of the reactive gas.

Le matériau source est le matériau standard semi-isolant non intentionnellement dopé : il contient des dopants de type p et n en concentration 1015 - 1016 cm"3 qui sont respectivement principalement C et Si d'après la littérature. Le matériau obtenu contient donc aussi ces impuretés dopantes mais dans des proportions différentes car leur transport dépend de la nature de celles-ci.The source material is the unintentionally doped semi-insulating standard material: it contains p and n type dopants in a concentration of 10 15 - 10 16 cm "3 which are respectively mainly C and Si according to the literature. The material obtained contains therefore also these doping impurities but in different proportions because their transport depends on the nature of these.

L'épaisseur d' de la couche 1 fabriquée dépend de l'énergie des photons X à absorber et dans un mode de réalisation préféré, elle est comprise entre 100 μm et 1 mm. Après croissance de la couche épitaxiale 1 , on diminue l'épaisseur du substrat 2 par polissage mécano-chimique (étape 2, Fig. 1b)) pour uniformément ramener son épaisseur à moins de 10 μm. Dans une troisième étape (Fig. 1c)), on implante des ions pour former une couche 3 superficielle contrôlée en dopage (supérieur à 1018 cm "3) de type n+, respectivement p+. Dans un mode de réalisation et pour une couche épitaxiale en GaAs, on implante des ions Si+, respectivement Mg+ ou Be+, avec des énergies comprises entre 10 et 200 keV (avantageusement autour de 40 keV) et des doses typiques (de l'ordre de 5 x 1013 atomes/cm2). Cette implantation est suivie d'un recuit thermique rapide à une température θi (environ 850 °C) et pendant un temps court déterminé tt (10s). On réalise ensuite un masquage par photolithographie et un décapage chimique (étape 4, Fig. 1d)) pour former des détecteurs individuels 4, chacun desdits détecteurs 4 définissant un pixel de l'imageur. Cette étape est suivie du dépôt d'une première couche isolante 5 pour la passivation des surfaces décapées. On entend par "passivation", le dépôt d'un isolant sur les surfaces décapées afin de rendre celles-ci non conductrices, par exemple, par dépôt de nitrure de silicium (Si3N4) ou de silice (SiO2) (étape 5, Fig. 1e)). On effectue ensuite un masquage par photolithographie pour réaliser une ouverture sur les pixels 4 afin de former des premiers contacts ohmiques 6 (étape 6, Fig. 1f)) sur les deux faces par évaporation d'un alliage métallique (multicouche) à base d'or, suivi d'un recuit à une température de l'ordre de 400°C et pendant un temps déterminé (de l'ordre de 300s). Cet alliage est par exemple AuGe ou NiAu pour les contacts n+ et TiPtAu ou AuZn pour les contacts p+. Cette étape est suivie du dépôt d'une deuxième couche isolante 7 par dépôt de nitrure de silicium (Si3N4) ou de silice (SiO2) pour protection contre l'implantation p+, faite après ouverture de l'électrode de mesure. On réalise alors pour chaque détecteur individuel 4, une électrode de mesure 8 par masquage (étape 7, Fig. 1g)) et implantations d'ions p+ (ou n+) sur la face externe de la couche épitaxiale 1. Dans un mode de réalisation particulier, cette électrode de mesure 8 est disposée sur un des cotés latéraux du détecteur individuel 4. Les dimensions effectives de cette électrode de mesure 8 sont petites devant les dimensions du contact 9 n+ (ou p+) formé sur la même face du détecteur individuel 4. Avantageusement, ledit contact 9 n+ (ou p+) couvre au moins 60% de la surface du détecteur individuel 4 et de préférence au moins 90%. Pour former cette électrode de mesure 8, on implante des ions Mg+ ou Be+, respectivement Si+, avec des énergies comprises entre 10 et 200 keV (avantageusement autour de 40 keV) et des doses typiques (de l'ordre de 5 x 1013 atomes/cm2). Cette implantation est suivie d'un recuit thermique rapide à une température θ2 (environ 850 °C) et pendant un temps court t2 (10s). On réalise ensuite un masquage après révélation et après révélation de la résine un décapage chimique pour former des deuxièmes contacts ohmiques 10 (étape 8, Fig. 1h)) sur lesdites électrodes de mesure 8 par évaporation d'un alliage à base d'or, suivi d'un recuit à une température de l'ordre de 400°C et pendant un temps déterminé (300s). Cet alliage est par exemple AuGe ou NiAu pour les contacts n+ et TiPtAu ou AuZn pour les contacts p+. Ces deuxièmes contacts ohmiques 10 peuvent couvrir l'entière surface du pixel (Fig. 1h), ce qui permet une surface apparente pour l'électrode de mesure 8 bien supérieure à sa surface effective.The thickness d 'of the layer 1 produced depends on the energy of the X photons to be absorbed and in a preferred embodiment, it is between 100 μm and 1 mm. After growth of the epitaxial layer 1, the thickness of the substrate 2 is reduced by chemical mechanical polishing (step 2, Fig. 1b)) to uniformly reduce its thickness to less than 10 μm. In a third step (Fig. 1c)), ions are implanted to form a doped controlled surface layer 3 (greater than 10 18 cm "3 ) of type n + , respectively p + . In one embodiment and for a GaAs epitaxial layer, Si + ions, respectively Mg + or Be + , are implanted with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 × 10 13 atoms / cm 2 ). This implantation is followed by rapid thermal annealing at a temperature θi (approximately 850 ° C.) and for a short determined time t t (10 s). Masking is then carried out by photolithography and chemical etching (step 4, Fig. 1d)) to form individual detectors 4, each of said detectors 4 defining a pixel of the imager. This step is followed by the deposition of a first insulating layer 5 for the passivation of the etched surfaces. passivation ", the deposition of an insulator on surfaces pickled to make them non-conductive, for example, by deposition of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silica (SiO 2 ) (step 5, Fig. 1e)). Masking is then carried out by photolithography to make an opening on the pixels 4 in order to form first ohmic contacts 6 (step 6, Fig. 1f)) on both sides by evaporation of a metallic alloy (multilayer) based on gold, followed by annealing at a temperature of the order of 400 ° C and for a determined time (of the order of 300s). This alloy is for example AuGe or NiAu for the n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts. This step is followed by the deposition of a second insulating layer 7 by deposition of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silica (SiO 2 ) for protection against implantation p + , made after opening the measurement electrode. . A measurement electrode 8 is then produced for each individual detector 4 by masking (step 7, FIG. 1g)) and implantations of p + (or n + ) ions on the external face of the epitaxial layer 1. In a mode of particular embodiment, this measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4. The effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the contact 9 n + (or p + ) formed on the same face of Individual detector 4. Advantageously, said contact 9 n + (or p + ) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%. To form this measurement electrode 8, Mg + or Be + ions, respectively Si + , are implanted with energies between 10 and 200 keV (advantageously around 40 keV) and typical doses (of the order of 5 x 10 13 atoms / cm 2 ). This implantation is followed by rapid thermal annealing at a temperature θ 2 (approximately 850 ° C) and for a short time t 2 (10s). Masking is then carried out after revelation and after revelation of the resin, a chemical etching to form second ohmic contacts 10 (step 8, FIG. 1h)) on said measuring electrodes 8 by evaporation of a gold-based alloy, followed by annealing at a temperature of the order of 400 ° C and for a determined time (300s). This alloy is for example AuGe or NiAu for the n + contacts and TiPtAu or AuZn for the p + contacts. These second ohmic contacts 10 can cover the entire surface of the pixel (FIG. 1h), which allows an apparent surface for the measurement electrode 8 much greater than its effective surface.

Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où la deuxième électrode 9 couvre au moins 90% de la surface du détecteur individuel 4.This embodiment is particularly advantageous in the case where the second electrode 9 covers at least 90% of the surface of the individual detector 4.

On relie électriquement le contact électrique 9 n+ (ou p+) formé sur la couche externe du matériau epitaxial 1 et le substrat n+ (ou p+) 2. Ces deux électrodes 2, 9 sont ainsi au même potentiel électrique. On entend par "même potentiel électrique", un potentiel électrique sensiblement égal et pour le moins très différent du potentiel appliqué sur l'électrode de mesure 8. Dans un mode de réalisation préférentiel, après ou pendant la formation des premiers contacts ohmiques 6 (étape 6, Fig. 1f)) mais avant le dépôt d'une deuxième couche isolante 7, on forme donc une ligne de contact 11 par évaporation métallique pour relier électriquement ces deux électrodes 2, 9. Cette ligne de contact 11 peut être fermée par évaporation métallique à base d'or.The electrical contact 9 n + (or p + ) formed on the outer layer of the epitaxial material 1 and the substrate n + (or p + ) 2 are electrically connected. These two electrodes 2, 9 are thus at the same electrical potential. The term “same electrical potential” is understood to mean an electrical potential which is substantially equal and at least very different from the potential applied to the measuring electrode 8. In a preferred embodiment, after or during the formation of the first ohmic contacts 6 (step 6, Fig. 1f)) but before the deposition of a second insulating layer 7, a contact line 11 is therefore formed by metallic evaporation to electrically connect these two electrodes 2, 9. This contact line 11 can be closed by evaporation metallic based on gold.

Le procédé de fabrication d'un imageur de rayons X de l'invention ne saurait être limité à la description qui précède et est susceptible de modifications avec l'évolution des technologies. Des substitutions et/ou des modifications dans les étapes du présent procédé peuvent être réalisées par un homme du métier sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Ainsi certaines étapes du procédé peuvent être modifiées pour que les recuits d'implantation soient réalisés en même temps et avant la formation des premiers et deuxièmes contacts ohmiques.The manufacturing process of an X-ray imager of the invention cannot be limited to the above description and is subject to modification with the evolution of technologies. Substitutions and / or modifications in the steps of the present process can be performed by a person skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Thus certain steps of the process can be modified so that the implantation anneals are carried out at the same time and before the formation of the first and second ohmic contacts.

De même, les détecteurs individuels peuvent être fabriqués sur la face du substrat 2, après diminution de son épaisseur par polissage mécano-chimique, au lieu de la face externe de la couche épitaxiale 1. Les étapes du procédé de l'invention conduisant à la fabrication d'un imageur restent identiques. Toutefois, les étapes conduisant à la formation des détecteurs individuels sont appliquées sur la face externe du substrat et donc l'épaisseur de la couche à décaper chimiquement est plus importante. Elle est en effet un peu supérieure à l'épaisseur résiduelle du substrat 2 afin d'atteindre la couche épitaxiale 1. L'imageur ainsi réalisé permet avantageusement une irradiation du côté de la face externe de la couche épitaxiale 1 dans laquelle des ions n+ (ou p+) 3 ont été implantés. L'épaisseur de cette couche implantée et inactive pour la détection, étant très inférieure à 1 μm et donc bien inférieure à l'épaisseur du substrat n+ (ou p+) 2 de l'ordre de 10 μm, la fraction de charges induites par l'absorption de photons incidents dans le matériau epitaxial est ainsi augmentée par rapport à un imageur dans lequel les détecteurs individuels seraient réalisés sur la face externe de la couche épitaxiale.Similarly, the individual detectors can be manufactured on the face of the substrate 2, after its thickness has been reduced by chemical mechanical polishing, instead of the external face of the epitaxial layer 1. The steps of the method of the invention leading to the manufacturing an imager remain the same. However, the steps leading to the formation of the individual detectors are applied to the external face of the substrate and therefore the thickness of the layer to be chemically etched is greater. It is in fact slightly greater than the residual thickness of the substrate 2 in order to reach the epitaxial layer 1. The imager thus produced advantageously allows irradiation on the side of the external face of the epitaxial layer 1 in which n + ions (or p + ) 3 have been implanted. The thickness of this implanted and inactive layer for detection, being much less than 1 μm and therefore much less than the thickness of the substrate n + (or p + ) 2 of the order of 10 μm, the fraction of charges induced by the absorption of incident photons in the epitaxial material is thus increased compared to an imager in which the individual detectors would be produced on the external face of the epitaxial layer.

L'invention concerne également un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X comportant une couche épitaxiale 1 d'un matériau semi-conducteur ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche 1 étant formée sur un substrat n+ (ou p+) 2. Le matériau semi-conducteur est alors choisi parmi l'un des matériaux présentant les caractéristiques requises, suivants : GaAs, InP, CdZnTe, CdTe et GaP. Dans un mode de réalisation préféré, l'épaisseur d' de la couche épitaxiale 1 dépend de l'énergie des photons X à absorber et elle est comprise généralement entre 100 μm et 1 mm.The invention also relates to an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays comprising an epitaxial layer 1 of a semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV, said layer 1 being formed on a substrate n + (or p + ) 2. The semiconductor material is then chosen from one of the materials having the required characteristics, following: GaAs, InP, CdZnTe, CdTe and GaP. In a preferred embodiment, the thickness of the epitaxial layer 1 depends on the energy of the X photons to be absorbed and it is generally between 100 μm and 1 mm.

Cet imageur comporte des détecteurs individuels 4 définissant chacun un pixel. Chaque détecteur individuel 4 comprend une première électrode comprenant ledit substrat n+ (ou p+) 2, une deuxième électrode comportant une couche n+ (ou p+) 9 formée sur la couche épitaxiale externe et une troisième électrode comportant une couche p+ (ou n+) 8 placée sur la même face du détecteur individuel 4 que la deuxième électrode 9. Les première 2 et deuxième 9 électrodes sont reliées électriquement pour être au même potentiel électrique.This imager includes individual detectors 4 each defining a pixel. Each individual detector 4 comprises a first electrode comprising said substrate n + (or p + ) 2, a second electrode comprising a layer n + (or p + ) 9 formed on the external epitaxial layer and a third electrode comprising a layer p + (or n + ) 8 placed on the same face of the individual detector 4 as the second electrode 9. The first 2 and second 9 electrodes are electrically connected to be at the same electrical potential.

Dans un mode de réalisation particulier, l'électrode de mesure 8 est disposée sur un des cotés latéraux du détecteur individuel 4. Les dimensions effectives de cette électrode de mesure 8 sont petites devant les dimensions de la deuxième électrode 9 placée sur la même face du détecteur individuel. Avantageusement, la deuxième électrode 9 comprenant le contact n+ (ou p+) couvre au moins 60% de la surface du détecteur individuel 4 et de préférence au moins 90%. La surface apparente de l'électrode de mesure 8 peut être augmentée par rapport aux dimensions effectives de ladite électrode en formant les deuxièmes contacts ohmiques 10 sur ladite électrode de mesure 8 et sur l'isolant 7 couvrant la deuxième électrode 9 (Figure 2b).In a particular embodiment, the measurement electrode 8 is arranged on one of the lateral sides of the individual detector 4. The effective dimensions of this measurement electrode 8 are small compared to the dimensions of the second electrode 9 placed on the same face of the individual detector. Advantageously, the second electrode 9 comprising the contact n + (or p + ) covers at least 60% of the surface of the individual detector 4 and preferably at least 90%. The apparent surface of the measurement electrode 8 can be increased relative to the effective dimensions of said electrode by forming the second ohmic contacts 10 on said measurement electrode 8 and on the insulator 7 covering the second electrode 9 (FIG. 2b).

La Figure 3a montre schématiquement un détecteur individuel 12 formé par une jonction p/i/n. Par l'application d'une polarisation en sens inverse sur les électrodes, la largeur de la zone de déplétion 13 est W. Les lignes de champ électrique 14 créées dans la structure p/i/n sont représentées en pointillés. L'absorption d'un photon dans la zone de déplétion 13 crée une charge induite 15 qui sous l'influence du potentiel existant dans ladite zone est rapidement collectée pour former un signal électrique de base. Les lignes de champ électrique 14 guident ladite charge induite 15 vers les électrodes. Si la largeur W de la zone de déplétion ne s'étend pas totalement à travers la structure p/i/n, par exemple en raison d'un dopage résiduel, la charge induite peut être perdue pour la détection. Cependant une fraction est collectée par diffusion.Figure 3a schematically shows an individual detector 12 formed by a p / i / n junction. By applying reverse polarization to the electrodes, the width of the depletion zone 13 is W. The electric field lines 14 created in the structure p / i / n are shown in dotted lines. The absorption of a photon in the depletion zone 13 creates an induced charge 15 which under the influence of the potential existing in said zone is rapidly collected to form a basic electrical signal. The electric field lines 14 guide said induced charge 15 towards the electrodes. If the width W of the depletion zone does not extend completely through the structure p / i / n, for example due to residual doping, the induced charge may be lost for detection. However, a fraction is collected by diffusion.

La collection des charges induites 15 dans la zone de déplétion 13 peut cependant être améliorée avec l'imageur X selon la présente invention. La Figure 3b montre les lignes de champ électrique créées dans la structure d'un détecteur individuel 4 de l'imageur X. Les lignes de champ 14 partent des première 2 et deuxième 9 électrodes qui sont au même potentiel électrique pour rejoindre la troisième électrode placée, par exemple, latéralement sur la surface du détecteur individuel 4. Au cœur de la zone de déplétion les lignes de champ 14 dirigent parallèlement à la surface du détecteur les charges induites 15 vers la troisième électrode 8. L'ensemble des charges induites est donc guidé à travers la zone de déplétion 13 vers l'électrode de mesure.The collection of the charges induced 15 in the depletion zone 13 can however be improved with the imager X according to the present invention. Figure 3b shows the electric field lines created in the structure of an individual detector 4 of the imager X. The field lines 14 start from the first 2 and second 9 electrodes which are at same electrical potential for joining the third electrode placed, for example, laterally on the surface of the individual detector 4. At the heart of the depletion zone the field lines 14 direct the induced charges 15 towards the third electrode 8 parallel to the surface of the detector All of the induced charges are therefore guided through the depletion zone 13 towards the measurement electrode.

Cet imageur peut avantageusement être utilisé par exemple lorsque le matériau epitaxial est en GaAs pour l'imagerie médicaleThis imager can advantageously be used for example when the epitaxial material is made of GaAs for medical imaging.

(mammographie, soins dentaires, ...), certaines applications industrielles (exemple: examen des bagages d'aéroport), la diffraction en rayonnement synchrotron .... (mammography, dental care, etc.), certain industrial applications (e.g. examination of airport baggage), diffraction in synchrotron radiation, etc.

Claims

REVENDICATIONS 1. Imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X comportant une couche épitaxiale (1) d'un matériau semi-conducteur non intentionnellement dopée ayant un numéro atomique élevé et une bande interdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche étant formée sur un substrat n+ (ou p+) (2), ledit imageur comportant des détecteurs individuels (4) définissant chacun un pixel de l'imageur, caractérisé en ce que chaque détecteur individuel (4) comprend une première électrode comprenant ledit substrat n+ (ou p+) (2), une deuxième électrode comportant une couche n+ (ou p+) (9) formée sur la couche épitaxiale externe et une troisième électrode comportant une couche p+ (ou n+) (8) placée sur la même face du détecteur individuel que la deuxième électrode (9), et en ce que les première (2) et deuxième électrodes (9) sont reliées électriquement pour être au même potentiel électrique.1. Imager with direct conversion of photons into electrons for X-ray detection comprising an epitaxial layer (1) of an unintentionally doped semiconductor material having a high atomic number and a band gap of the order of 1.5 eV, said layer being formed on an n + (or p + ) substrate (2), said imager comprising individual detectors (4) each defining a pixel of the imager, characterized in that each individual detector (4) comprises a first electrode comprising said n + (or p + ) substrate (2), a second electrode comprising an n + (or p + ) layer (9) formed on the outer epitaxial layer and a third electrode comprising a p + (or n + ) layer (8) placed on the same face of the individual detector as the second electrode (9), and in that the first (2) and second electrodes (9) are electrically connected to be at the same electrical potential. 2. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode (9) couvre au moins 60 % de la surface dudit détecteur individuel (4). 2. An imager according to claim 1, characterized in that the second electrode (9) covers at least 60% of the surface of said individual detector (4). 3. Imageur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième électrode (9) couvre au moins 90% de la surface dudit détecteur individuel (4).3. Imager according to claim 2, characterized in that the second electrode (9) covers at least 90% of the surface of said individual detector (4). 4. Imageur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) non intentionnellement dopée a une épaisseur d' qui dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et qui est comprise entre 100 μm et 1 mm.4. Imager according to one of claims 1 to 3, characterized in that the unintentionally doped epitaxial layer (1) has a thickness of which depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and which is between 100 μm and 1 mm. 5. Imageur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'imageur comporte au moins une ligne de contact (10) pour relier électriquement les deuxièmes électrodes (9) desdits détecteurs individuels (4) au substrat n+ (ou p+).5. Imager according to one of claims 1 to 4, characterized in that the imager comprises at least one contact line (10) for electrically connecting the second electrodes (9) of said individual detectors (4) to the substrate n + ( or p + ). 6. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en GaAs.6. Imager according to one of claims 1 to 5, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of GaAs. 7. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en InP. 7. Imager according to one of claims 1 to 5, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of InP. 8. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en GaP.8. Imager according to one of claims 1 to 5, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of GaP. 9. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en CdTe.9. Imager according to one of claims 1 to 5, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of CdTe. 10. Procédé de fabrication d'un imageur à conversion directe de photons en électrons pour la détection de rayons X dans lequel:10. A method of manufacturing an imager with direct conversion of photons into electrons for the detection of X-rays in which: - on forme sur un substrat n+ (ou p+) (2) une couche épitaxiale d'un matériau semi-conducteur non intenti onnellement dopée (1 ) ayant un numéro atomique élevé et une bande nterdite de l'ordre de 1.5 eV, ladite couche épitaxiale (1) ayant une épa sseur d' suffisante pour absorber efficacement les photons X,- an epitaxial layer of a non-intentionally doped non-intentiated semiconductor material (1) having a high atomic number and a forbidden band of the order of 1.5 eV is formed on an n + (or p + ) substrate (2) the said epitaxial layer (1) having a thickness of sufficient to efficiently absorb the X photons, - on diminue l'épaisseur du substrat (2) par polissage mécano- chimique, caractérisé en ce que - on implante des ions n+ (ou p+) (3) sur la face externe de la couche épitaxiale,the thickness of the substrate (2) is reduced by chemical-mechanical polishing, characterized in that - n + (or p + ) ions (3) are implanted on the external face of the epitaxial layer, - on recuit ladite structure à une température θi pendant un temps- said structure is annealed at a temperature θi for a time - on définit des détecteurs individuels (4) par masquage et décapage chimique,- individual detectors (4) are defined by masking and chemical etching, - on effectue une première passivation,- a first passivation is carried out, - on réalise des premiers contacts ohmiques (6) sur les deux faces après masquage et une ligne de contact (11) par évaporation métallique suivi d'un recuit, - on effectue une deuxième passivation de la surface externe entre détecteurs individuels,- first ohmic contacts (6) are made on both sides after masking and a contact line (11) by metallic evaporation followed by annealing, - a second passivation of the external surface is carried out between individual detectors, - on réalise des électrodes (8) par masquage, décapage chimique et implantation d'ions p+ (ou n+) sur la face externe de la couche épitaxiale, - on recuit ladite structure à une température θ2 pendant un temps t2,- electrodes (8) are produced by masking, chemical etching and implantation of p + (or n + ) ions on the external face of the epitaxial layer, - said structure is annealed at a temperature θ 2 for a time t 2 , - on réalise des deuxièmes contacts ohmiques (10) sur lesdites électrodes de mesure (8) après masquage. - Second ohmic contacts (10) are made on said measurement electrodes (8) after masking. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur d' de la couche (1) dépend de l'énergie des photons X à absorber et du matériau et qu'elle est comprise entre 100 μm et 1 mm.11. Method according to claim 10, characterized in that the thickness d 'of the layer (1) depends on the energy of the X photons to be absorbed and on the material and that it is between 100 μm and 1 mm. 12. Procédé selon les revendications 10 ou 11 , caractérisé en ce qu'on réalise les contacts ohmiques (6, 10) par évaporation d'un alliage à base d'or suivi d'un recuit.12. Method according to claims 10 or 11, characterized in that the ohmic contacts (6, 10) are produced by evaporation of a gold-based alloy followed by annealing. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en GaAs.13. Method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of GaAs. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1 ) est en InP.14. Method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the epitaxial layer (1) is in InP. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la couche épitaxiale (1) est en CdTe. 15. Method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the epitaxial layer (1) is made of CdTe.
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