BE1021287B1 - Structure epitaxiale pour une technologie de grille de transfert de charge integree verticalement dans des materiaux optoelectroniques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un photodétecteur infrarouge à faible bruit ayant une structure de transistor à effet de champ (FET) intégrée verticalement formé sans diffusion thermique. La structure FET comprend une couche photodétectrice à haute sensibilité, une couche de puits de charge, une couche de puits de transfert, une grille de transfert de charge et une électrode de drain. Dans un mode de réalisation, la couche photodétectrice et le puits de charge sont de l'InGaAs et les autres couches sont des couches d'InP.
Description
STRUCTURE ÉPITAXIALE POUR UNE TECHNOLOGIE DE GRILLE DE TRANSFERT DE CHARGE INTÉGRÉE VERTICALEMENT DANS DES MATÉRIAUX OPTOÉLECTRONIQUES
ARRIÈRE-PLAN
[0001] La présente invention se rapporte généralement à un dispositif de détection de rayonnement dans le spectre en proche infrarouge. En particulier, l’invention se rapporte à un détecteur IR à faible bruit sans diffusion thermique.
[0002] Les systèmes d’imagerie infrarouge (IR) modernes peuvent être des réseaux plans focaux de détecteurs et des circuits intégrés associés dans chaque pixel qui transforme les signaux collectés en moyens visuels ou autres moyens analysables. Des systèmes de détection proche IR qui fonctionnent dans la région de longueur d’onde comprise entre 1 et 1,7 pm sont parfois associés à des systèmes de détection visible qui fonctionnent dans la plage de longueurs d’onde comprise entre 400 et 700 nm pour améliorer la détection et la visualisation dans des cas de figure de faible niveau de lumière et de crépuscule. La capacité d’imagerie visible et proche IR combinée est une exigence stratégique de plus en plus importante pour les applications commerciales et militaires. Parmi les nombreux matériaux utilisés pour des systèmes d’imagerie qui fonctionnent dans le proche infrarouge (par exemple, HgCdTe, Ge, InSb, PtSi, etc.), les photodiodes PIN InGaAs ont été choisies en raison de leur performances et fiabilité élevées (G. Olsen, et al., « A 128X128 InGaAs detector array for 1.0-1.7 microns», dans Proceedings SPIE, Vol. 1341, 1990 pages 432 à 437).
[0003] Les réseaux d’imagerie proche IR sont normalement des dispositifs hybrides dans lesquels les photodiodes sont connectées à des circuits intégrés de lecture (ROIC) de transistor au silicium. Afin de diminuer le coût et de simplifier une fabrication complexe, une photodiode InGaAs/InP a été intégrée à un transistor à effet de champ à jonction (TEC) InP comme élément de commutation pour chaque pixel comme cela est décrit dans le brevet américain N° 6 005 266, Forrest et al. et intégré ici en référence dans sa globalité. L’association de la photodiode et du FET sur un substrat unique a permis la formation de réseaux plans focaux proches IR complètement monolithiques en réduisant le coût de production et en augmentant les performances. Les transistors à effet de champ à jonction InP présentaient des courants de fuite minimum de 2 pA. Dans les travaux associés, on a découvert que le dopage intentionnel de la couche d’absorption d’une photodiode PIN GaAs réduisait le courant d’obscurité comme cela est décrit par le brevet américain N° 6 573 581, Sugg. et al. et intégré ici en référence dans sa globalité.
[0004] L’amélioration progressive des systèmes de détection intégrés proches IR à semi-conducteurs composés est nécessaire. RÉSUMÉ [0005] Un photodétecteur infrarouge à faible bruit peut être formé sans traitement thermique de diffusion. Le photodétecteur peut contenir une structure de transistor à effet de champ qui comprend un empilement intégré verticalement de couches photosensibles ainsi que des jonctions PN séparées par une couche de dopage suffisant et une bande interdite afin de former une couche d’arrêt pour la migration des porteurs. Les couches comprennent une couche photodétectrice à haute sensibilité, une couché de puits de charge, une couche de puits de transfert, une grille de transfert de charge et une électrode de drain. Dans un mode de réalisation, la couche photodétectrice et le puits de charge sont de l’InGaAs et les autres couches sont des couches d’InP.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0006] La figure 1 est une coupe transversale simplifiée du détecteur IR de l’invention.
[0007] La figure 2 est une coupe transversale simplifiée d’un mode de réalisation de l’invention.
[0008] La figure 3 est une vue de dessus simplifiée du détecteur IR de l’invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0009] La présente invention se rapporte à un dispositif photoconducteur proche IR qui peut être décrit comme un transistor à effet de champ (FET) avec une source enterrée, une grille extérieure et des électrodes de drain. En adressant la grille à partir d’une source extérieure (comme à partir d’un pixel de ROIC) la collecte de photocourant peut être mise en correspondance avec des évènements spécifiquement déclenchés. Bien que le dispositif photodétecteur de la présente invention soit basé sur une technologie de matériau et de dispositif InGaAs/InP, les procédés et d’autres caractéristiques étudiés ici ne sont pas destinés à être limités à ce système de matériau seul et d’autres matériaux semi-conducteurs composés du groupe III-V et du groupe II-VI sont inclus dans la portée de l’invention.
[0010] Une coupe transversale simplifiée d’un mode de réalisation de l’invention est représentée sur la figure 1. Le transistor à effet de champ (FET) photoconducteur 100 est une structure multicouche formée sur un substrat 102. Dans ce mode de réalisation, le substrat 102 comprend de l’InP conducteur qui est de manière caractéristique un matériau N+ dopé au soufre. Le niveau de dopage est suffisant pour les contacts ohmiques de type N et, à ce titre, de manière caractéristique >1E+18. Une couche tampon N+InP ou une couche d’arrêt de migration des porteurs 104 est sur un substrat N+InP 102. La couche tampon N+InP ou la couche d’arrêt de migration des porteurs 104 est définie nominalement comme ayant une épaisseur suffisante pour fournir une base épitaxiale pour une hétérostructure de haute qualité. Dans le cadre de la présente invention, la couche tampon ou la couche d’arrêt de migration des porteurs 104 est également conductrice, de manière caractéristique de type N dopé en utilisant du Si dans une croissance épitaxiale par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques/dépôt chimique en phase vapeur par composés organométalliques (OMVPE/MOCVD). Dans un mode de réalisation, la couche d’arrêt de migration des porteurs 104 peut être de l’InAlAs ou de l’InAlGaAsP. Une couche de collecte active 106 comprend du N-InGaAs non-dopé d’épaisseur suffisante pour permettre une absorption complète du rayonnement photonique dans la bande de longueur d’onde en question. Dans un mode de réalisation, la couche de collecte active 106 peut être de l’InAlGaAsP. La couche de puits de charge de P+InGaAs 108 est déposée sur la couche de collecte d’InGaAs 106 et agit comme partie d’un puits de collecte pour des porteurs photogénérés formés dans la couche de collecte active 106. La couche de P+InGaAs 108 forme le puits de charge. Dans un mode de réalisation, la couche de puits de charge 108 peut être de l’InGaAsP. La couche 110 est une couche d’arrêt de migration des porteurs formée par des couches N-quatemaires non-dopées comprenant un système de matériau InAlAsP avec un gradient de composition échelonné afin de maintenir une continuité de constantes de réseau et de permettre une fourniture d’énergie échelonnée pour adapter le décalage de bande de valence sur l’hétérojonction des couches 106 à 110. On propose également que la couche 110 soit constituée d’une composition à gradient continu, de sorte que le bord de bande d’énergie soit progressif plutôt qu’échelonné. Il convient également de noter dans au moins une construction de l’invention, que la couche 110 est constituée d’un composé ternaire, l’InAlAs, avec une capacité de formation d’un isolant à bande interdite supérieure et de traitement pour former une barrière électrique. Dans une telle construction, l’épaisseur est conçue de sorte à réguler le potentiel de seuil sur une telle barrière. La couche 112 est une couche (ou une couverture) de blocage N+InP ayant une épaisseur suffisante pour la passivation efficace des couches de bande interdite inférieure et de toutes les couches quaternaires 110 contre les effets oxydants durant le traitement ou le stockage.
[0011] La grille de transfert 114 est un contact métallique sur la couche de couverture N+InP 112 ou peut aussi être exposée sur la couche 110 afin de fournir un potentiel de polarisation sur une ou sur toutes les couches 110 et 112. La conception du dispositif détermine quelle couche est mise en contact et, une fois qu’elle est formée, ne change pas par rapport à sa disposition donnée. La grille de transfert 114 forme une jonction ohmique avec les couches 112 et 110. La structure 116 sur la couche de couverture 112 comprend un puits de transfert de P+InP qui est formé par des processus traditionnels pour la formation de jonctions PN dans des matériaux du groupe III-V. Les choix de formation comprennent l’implantation ionique, la diffusion ou la formation d’une homoj onction développée par croissance épitaxiale. Le puits de transfert 116 peut être une couche continue sur une croissance cristalline initiale, et peut être gravée pour former le contact distinct comme cela est représenté sur la figure 1. Le contact métallique 118 sur le puits de transfert 116 est le drain. Le matériau de contact de drain comprend des métaux de contact caractéristiques pour des contacts P sur des matériaux du groupe III-V, ces matériaux comprennent, mais de manière non limitative, le Pt, le Ti, le Ni et T Au.
[0012] Finalement, la couche d’encapsulation polyimide diélectrique 120 couvre la structure mésa FET photoconductrice 100.
[0013] Il convient de noter sur la figure 1 que les parois sont inclinées pour maximiser le volume du matériau actif source. Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 2 dans laquelle chaque couche de transistor à effet de champ photoconducteur 100 est numérotée comme sur la figure 1 mais les parois sont carrées et non pas inclinées.
[0014] Une vue de dessus de la structure 100 est représentée sur la figure 3 comme un pixel individuel avec des caractéristiques identiques numérotées comme sur la figure 1.
ÉTUDE DES MODES DE RÉALISATION POSSIBLES
[0015] Les descriptions suivantes sont non-exclusives des modes de réalisation possibles de la présente invention.
[0016] Un photodétecteur infrarouge à faible bruit formé sans processus de diffusion thermique présentant une structure de transistor à effet de champ (FET) épitaxiale intégrée verticalement peut comprendre : une couche photodétectrice à haute sensibilité ; un puits de charge ; un puits de transfert ; une grille de transfert de charge et une électrode de grille ; et une électrode de drain.
[0017] La structure du paragraphe précédent peut comprendre facultativement, en plus et/ou en variante, un ou plusieurs des éléments, caractéristiques et/ou configurations supplémentaires suivants : [0018] La couche photodétectrice et le puits de charge peuvent être enterrés entre des couches d’arrêt de migration des porteurs.
[0019] La couche photodétectrice peut être de TInGaAs, ou un élément du système de matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
[0020] La couche photodétectrice peut être de TInGaAs.
[0021] Les couches d’arrêt de migration des porteurs peuvent être sélectionnées dans le groupe constitué de couches d’InP, d’InAlAs et d’InAlGaAsP.
[0022] Les couches d’arrêt de migration des porteurs peuvent être de l’InP.
[0023] Les couches d’arrêt de migration des porteurs peuvent comprendre des couches de l’hétérostructure dans le système de matériau InAlGaAsP avec un gradient de concentration comprenant un changement échelonné ou continu de la concentration sur les couches.
[0024] Le puits de charge peut être de l’InGaAs ou un élément du système de matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
[0025] Les couches de l’hétérostructure peuvent comprendre des compositions binaires, ternaires ou quaternaires du système de matériau InAlGaAsP.
[0026] L’électrode de grille de transfert de charge et l’électrode de drain peuvent comprendre du Ti, du R, de l’Au, du Ni, du Cu ou leurs combinaisons.
[0027] La couche photodétectrice peut être sensible à un signal ayant une longueur d’onde comprise entre 0,4 et 1,7 micromètre.
[0028] La grille de transfert chargée peut être déclenchée par un circuit extérieur qui commande la collecte de photocourant.
[0029] Un réseau de détecteurs infrarouge plan focal à faible bruit présentant des structures de transistor à effet de champ (FET) épitaxiales intégrées verticalement, chaque structure FET comprenant : une couche photodétectrice à haute sensibilité ; un puits de charge ; un puits de transfert ; une grille de transfert chargée et une électrode de grille ; et une électrode de drain.
[0030] La structure du paragraphe précédent peut comprendre facultativement, en plus et/ou en variante, un ou plusieurs des éléments, caractéristiques et/ou configurations supplémentaires suivants : [0031] Le photodétecteur et le puits de charge peuvent être enterrés entre des couches d’arrêt de migration des porteurs.
[0032] La couche photodétectrice peut être de l’InGaAs ou un élément du système de matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
[0033] Les couches d’arrêt de migration des porteurs peuvent être sélectionnées dans le groupe constitué de couches d’InP, d’InAlAs et d’InAlGaAsP.
[0034] Le puits de charge peut être de l’InGaAs ou un élément du système de matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
[0035] Les couches de l’hétérostructure peuvent comprendre des compositions binaires, ternaires ou quaternaires du système de matériau InAlGaAsP.
[0036] L’électrode de grille de transfert de charge et l’électrode de drain peuvent comprendre du Ti, du Pt, de l’Au, du Ni, du Cu ou leurs combinaisons.
[0037] Un système de caméra proche IR ayant un réseau de détecteurs plan focal avec des éléments photodétecteurs proches IR à faible bruit formés sans processus de diffusion thermique présentant une structure de transistor à effet de champ (FET) épitaxiale intégrée verticalement peut comprendre : une couche photodétectrice à haute sensibilité ; un puits de charge ; un puits de transfert ; une grille de transfert chargée et une électrode de grille ; et une électrode de drain.
[0038] La structure du paragraphe précédent peut comprendre facultativement, en plus et/ou en variante, un ou plusieurs des éléments, caractéristiques et/ou configurations supplémentaires suivants : [0039] La couche photodétectrice et le puits de charge peuvent être enterrés entre des couches d’arrêt de migration des porteurs.
[0040] Bien que l’invention ait été décrite en se référant aux exemples de mode(s) de réalisation, l’homme de l’art comprendra que plusieurs changements peuvent être apportés et que des équivalents peuvent remplacer des éléments de la présente invention sans s’écarter de la portée de l’invention. En outre, plusieurs modifications peuvent être apportées pour adapter une situation ou un matériau particulier aux enseignements de l’invention sans s’écarter de la portée essentielle de la présente invention. Par conséquent, il est prévu que l’invention ne se limite pas au(x) mode(s) de réalisation particuliers) décrit(s), mais que l’invention comprendra tous les modes de réalisation inclus dans la portée des revendications annexées.
Claims (12)
1. Photodétecteur infrarouge à faible bruit formé sans processus de diffusion thermique présentant une structure de transistor à effet de champ (FET) épitaxiale intégrée verticalement comprenant : une couche photodétectrice à haute sensibilité ; un puits de charge ; un puits de transfert ; une électrode de grille de transfert de charge ; et une électrode de drain, dans lequel la couche photodétectrice et le puits de charge sont enterrés entre des couches d’arrêt de migration des porteurs, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs sont sélectionnées dans le groupe constitué des couches d’InP, d’InAlAs et d’InAlGaAsP, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs ont une épaisseur de sorte à réguler le potentiel de seuil à travers les couéhes d’arrêt de migration des porteurs.
2. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel la couche photodétectrice à haute sensibilité est de l’InGaAs, ou un élément du système d’un matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
3. Photodétecteur selon la revendication 2, dans lequel la couche photodétectrice à haute sensibilité est de l’InGaAs.
4. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs sont de l’InP.
5. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs comprennent des couches de l’hétérostructure dans le système d’un matériau InAlGaAsP avec un gradient de concentration comprenant un changement échelonné ou continu de la concentration sur les couches.
6. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel le puits de charge est de l’InGaAs ou un élément du système de matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP. *·
7. Photodétecteur selon la revendication 5, dans lequel les couches de l’hétérostructure comprennent des compositions binaires, ternaires ou quaternaires du système de matériau InAlGaAsP.
8. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel l’électrode de grille de transfert de charge et l’électrode de drain comprennent du Ti, du Pt, de l’Au, du Ni, du Cu ou leurs combinaisons.
9. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel la couche photodétectrice à haute sensibilité est sensible à un signal ayant une longueur d’onde comprise entre 0,4 et 1,7 micromètre.
10. Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel l’éléctrode de grille de transfert de charge est déclenchée par un circuit extérieur qui commande la collecte de photocourant.
11. Réseau de détecteurs plan focal infrarouge à faible bruit présentant des structures de transistor à effet de champ (FET) épitaxiales intégrées verticalement, chaque structure FET comprenant : une couche photodétectrice à haute sensibilité ; un puits de charge ; un puits de transfert ; une électrode de .grille de transfert de charge.; et une électrode de drain dans lequel la couche photodétectrice et le puits de charge sont enterrés entre des couches d’arrêt de migration des porteurs, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs sont sélectionnées dans le groupe constitué des couches d’InP, d’ïnAlAs et d’inAlGaAsP, dans lequel les couches d’arrêt de migration des porteurs ont une épaisseur de sorte à réguler le potentiel de seuil sur les couches d’arrêt de migration des porteurs..
12. Réseau de détecteurs selon la revendication 13, dans lequel la couche photodétectrice à haute sensibilité est de l’InGaAs, ou un élément du système d’un matériau InAlGaAsP traditionnellement développé sur des substrats d’InP.
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