EP1183738A1 - Detecteur infrarouge semi-conducteur et son procede de fabrication - Google Patents

Detecteur infrarouge semi-conducteur et son procede de fabrication

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EP1183738A1
EP1183738A1 EP00912732A EP00912732A EP1183738A1 EP 1183738 A1 EP1183738 A1 EP 1183738A1 EP 00912732 A EP00912732 A EP 00912732A EP 00912732 A EP00912732 A EP 00912732A EP 1183738 A1 EP1183738 A1 EP 1183738A1
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EP
European Patent Office
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silicon
semiconductor
layer
lever
infrared detector
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Withdrawn
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EP00912732A
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German (de)
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Inventor
Didier Stievenard
Christophe Delerue
Bernard Legrand
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/121—The active layers comprising only Group IV materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10—Semiconductor bodies
    • H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to infrared semiconductor detectors.
  • Photodiodes made of semiconductor material are known in which an incident photon causes electrons to pass from their resting state in which they are linked to an excited state, creating an electron-hole couple capable of producing a current.
  • the concentration of these electron-hole pairs depends on the amount of light received, which makes it possible to produce a photodetector.
  • the application of a bias voltage makes it possible to measure the concentration of the electron-hole pairs.
  • detectors are manufactured by stacking semiconductors with different forbidden bands, so that the carriers are trapped in the material with the smallest forbidden band. It is generally materials based on III-V semiconductor which make it possible to obtain effective detectors. These detectors therefore require the handling of specific materials, for example alloys based on Gallium arsenide and aluminum which are not compatible with silicon technologies which are now widely distributed and controlled since they are at the basis of approximately 80%. components of modern electronics.
  • the object of the invention is therefore the production of an infrared semiconductor detector in the usual semiconductor technologies, for example silicon technology.
  • the objective is to develop such a photodetector capable, depending on its configuration, of operating in wavelength ranges between 5 and 20 ⁇ m.
  • the object of the invention is therefore a semiconductor infrared detector produced in silicon technology.
  • this photodetector comprises, in order, a semiconductor substrate, a layer of an electrically insulating material, patterns formed in a layer of semiconductor material.
  • the patterns are formed by at least one island connected to bridges themselves connected to polarization electrodes.
  • the bridges are lines of width l p approximately constant, the islands being zones of width I, larger than that of the lines.
  • the detector is such that I is greater than or equal to 1.2 l p , the length of the islands L satisfies the relationship 2 l p ⁇ L ⁇ _5 l p ,
  • l p is between 1 and 10 nm and the detector has a number of lines between 1 and 1000, each line comprising of the order of 1 to 100 islands, • the patterns formed in the silicon layer are produced by oxidation local layer of silicon, then by attacking non-oxidized areas,
  • the semiconductor material is advantageously silicon.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such an infrared detector.
  • one starts from a structure comprising a silicon substrate carrying a layer of an electrically insulating material on which a layer of silicon is superimposed.
  • the patterns are made by local nanooxidation with a tip of an A. F. M. or an S. T. M.
  • each having specific advantages is carried out with an AFM tip carried by a periodically oscillating lever and the local oxidation is obtained by establishing a periodic potential difference between the semiconductor and the tip, said potential difference consisting of synchronized pulses of the same period as that of the lever oscillations. Oxidation is controlled by acting on the phase of the pulses in relation to the phase of the lever's oscillations. • The etching is obtained by the wet method by the action of KOH which pickles the areas of non-oxidized silicon.
  • the frequency of oscillation of the lever and the voltage pulses is of the order of 300 kHz, the average voltage of the pulses being of the order of 2 volts and their peak value of the order of 10 volts.
  • Figure 1 is a perspective view of a pattern.
  • Figure 2A is a top view showing the active silicon layer.
  • Figure 2B is a representation of the fundamental levels of the electrons or holes with respect to the areas of the active silicon layer where they are located.
  • Figure 3 is a top view of the active silicon layer of a photodetector according to the invention.
  • the infrared semiconductor detector according to the invention is produced on a silicon substrate 1 the thickness of which can be for example 500 ⁇ m on which a continuous, electrically insulating layer 2 is formed, for example made of silicon dioxide of a thickness of the order of approximately 400 nanometers. On this insulating layer is formed a third silicon layer 3 initially continuous.
  • patterns 4 are formed which essentially consist of bridges 5, 6 connected to at least an island 7.
  • the bridges 5 and 6 are each connected to polarization electrodes 8 and 9 respectively.
  • These patterns 4 are generally multiplied and associated with each other in lines 10, as shown in FIG. 3. It was created only when the dimensions of these patterns are nanometric, that is to say of the order of a nanometer, one thus obtains a confinement of the electrons and holes, quantifying the energy levels which are accessible to them and giving them a behavior comparable to that observed in detectors with quantum wells.
  • I t is also possible to modulate these effects depending on the size of the patterns, that is to say also quantum wells.
  • the detector as shown in FIG. 3 consists of a succession of islands 7 connected to each other and at their ends to the polarization electrodes 8, 9 by silicon bridges 5, 6.
  • the silicon bridges have an approximately constant section, a width l p of a few nanometers, preferably between 3 and 5 nanometers and they are generally rectilinear. Their length is of the order of 10 to 20 nanometers.
  • Their thickness is also of the order of a few nanometers, preferably between 5 and 10 nanometers.
  • the islands 7 are zones of silicon of greater width than the bridges, this width is preferably between 5 and 10 nanometers and they extend in the direction of the length of the bridges over a comparable length.
  • Their length L will preferably be such that l p ⁇ L ⁇ _ 5 l p .
  • the distance between the lines 10 is of the order of 50 to 100 nm and the total distance between the electrodes is of the order of 30 ⁇ m.
  • Such a device allows the detection of infrared flux.
  • the dimensions of the patterns of the active layer of the detector are such that the excited level is close to the fundamental level 13 of the bridges, so that the excited electron is weakly bound.
  • the control of the nanooxidation of the surface of the silicon layer by an A.F.M tip can advantageously be carried out using voltage pulses which are applied to the tip.
  • the tip A. F. M. is used in contactless mode, that is to say that the lever which carries the tip is subjected to periodic oscillations of frequency f of the order of a few hundred kHz, for example 300 kHz.
  • a voltage is applied to this point establishing a potential difference between the active layer 3 and the point of the order of ten volts, at a frequency equal to that of the lever's oscillations.
  • the pulses being synchronized with respect to the oscillations of the lever.
  • Oxidation control more precisely the width of the oxidized zone, is obtained by acting on the phase difference between the voltage pulses and the oscillations of the lever. It is thus possible to trace the zones intended to form the bridges and those intended to form the islets.
  • the polarization electrodes are then produced according to well-known and conventional techniques of electronic component technology.

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Abstract

Détecteur infrarouge semi-conducteur qui comporte dans l'ordre: un substrat semi-conducteur (1); une couche de matériau électriquement isolant (2); des motifs formés (4) dans une couche de semi-conducteur (3), lesdits motifs (4) étant formés d'au moins un îlot (7) relié à des ponts (5, 6) eux-mêmes reliés à des électrodes de polarisation (8, 9) lesdits ponts (5, 6) étant des traits de largeur Ip la plus approximativement constante et les îlots (7) étant des zones de largeur Ii plus grande que celle des traits.

Description

Détecteur infrarouge semi-conducteur et son procédé de fabrication
L'invention concerne les détecteurs infrarouge semiconducteur.
On connaît des photodiodes réalisées en matériau semiconducteur dans lesquelles un photon incident fait passer des électrons de leur état de repos dans lequel ils sont liés à un état excité, créant un couple électron-trou susceptible de produire un courant.
La concentration de ces paires électron-trou dépend de la quantité de lumière reçue, ce qui rend possible la réalisation d'un photodétecteur. L'application d'une tension de polarisation permet la mesure la concentration des paires électron-trou.
Actuellement de tels détecteurs sont fabriqués par empilement de semi-conducteurs de bandes interdites différentes, de telle sorte que les porteurs soient piégés dans le matériau de plus petite bande interdite. Ce sont généralement des matériaux à base de semi-conducteur lll-V qui permettent d'obtenir les détecteurs efficaces. Ces détecteurs nécessitent donc la manipulation de matériaux spécifiques, par exemple des alliages à base d'arséniure de Gallium et d'aluminium non compatible avec les technologies silicium qui sont maintenant largement diffusées et maîtrisées puisqu'elles sont à la base d'environ 80% des composants de l'électronique moderne.
Le but de l'invention est donc la réalisation d'un détecteur infrarouge semi-conducteur dans les technologies usuelles des semi-conducteurs, par exemple la technologie silicium.
L'objectif est de mettre au point un tel photodétecteur susceptible, selon sa configuration de fonctionner dans des gammes de longueur d'onde comprises entre 5 et 20 μm.
L'objet de l'invention est donc un détecteur infrarouge semi- conducteur réalisé en technologie silicium.
Son fonctionnement est obtenu grâce à la géométrie particulière des motifs formés dans une couche de silicium. Plus précisément son fonctionnement est basé sur le fait que les niveaux d'énergie accessibles à une particule, plus particulièrement à l'électron , sont quantifiés quand l'espace accessible à cette particule est confiné. La réalisation de motifs particuliers, ayant des d imensions nanometriq ues rend ces niveaux de quantification modulables en fonction des dimensions géométriques et les rend sensibles au rayonnement infrarouge. Selon l'invention , ce photodétecteur comporte dans l'ordre, un substrat semi-cond ucteur, une couche d'un matériau électriquement isolant, des motifs formés dans une couche de matériau semi-cond ucteur. Les motifs sont formés d'au moins un îlot relié à des ponts eux-mêmes reliés à des électrodes de polarisation. Les ponts sont des traits de largeur lp approximativement constante, les îlots étant des zones de largeur I, plus grande que celle des traits.
Dans les modes de réalisation préférés présentant chacun des avantages spécifiques: • le détecteur est tel que I, est plus grand ou égal à 1 ,2 lp, la longueur des îlots L satisfait la relation 2 lp < L <_5 lp,
• lp est compris entre 1 et 10 nm et le détecteur comporte un nombre de traits compris entre 1 et 1000, chaque trait comportant de l'ordre de 1 à 100 îlots, • les motifs formés dans la couche de silicium sont réalisés par oxydation locale de la couche de silicium, puis par attaque des zones non oxydées,
• l'oxydation locale d u silicium est réalisée à l'aide d'une pointe d' un A. F. M . ou d'un S . T. M . Le matériau semi-cond ucteur est avantageusement d u silicium .
L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un tel détecteur infrarouge.
Selon ce procédé , on part d'une structure comportant un substrat en silicium portant une couche d' un matériau électriquement isola nt sur laquelle est superposée une couche de silicium. Les motifs sont réalisés par nanooxydation locale avec une pointe d'un A. F . M . ou d 'un S. T. M .
Dans des modes de réalisation préférés présentant chacun des avantages spécifiq ues: • La nanooxydation est réalisée avec une pointe d'un A. F. M. portée par un levier oscillant périodiquement et l'oxydation locale est obtenue en établissant une différence de potentiel périodique entre le semi-cond ucteu r et la pointe, ladite différence de potentiel étant constituée d'impulsions synchronisées de même période que celle des oscillations d u levier. L'oxydation est contrôlée en agissant sur la phase des impulsions par rapport à la phase des oscillations du levier. • La gravure est obtenue par voie humide par action de KOH qui décape les zones de silicium non oxydées.
• La fréquence d'oscillation du levier et des impulsions de tension est de l'ordre de 300 kHz, la tension moyenne des impulsions étant de l'ordre de 2 volts et leur valeur crête de l'ordre de 10 volt.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins dans lesquels:
La Figure 1 est une vue en perspective d'un motif. La Figure 2A est une vue de dessus représentant la couche active de silicium.
La Figure 2B est une représentation des niveaux fondamentaux des électrons ou des trous par rapport aux zones de la couche active de silicium où ils sont localisés.
La Figure 3 est une vue de dessus de la couche active de silicium d'un photodétecteur selon l'invention.
Le détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'invention est réalisé sur u n substrat en silicium 1 dont l'épaisseur peut être par exemple de 500 μm sur lequel est formée une couche continue, électriquement isolante 2, par exemple en dioxyde de silicium d ' une épaisseur de l'ordre de 400 nanomètres environ . Sur cette couche isolante est formée une troisième couche de silicium 3 initialement continue.
Dans cette couche de silicium dite active, sont formés des motifs 4 essentiellement constitués de ponts 5, 6 reliés à au moins un îlot 7. Les ponts 5 et 6 sont chacun reliés à des électrodes de polarisation respectivement 8 et 9.
Ces motifs 4 sont généralement multipliés et associés entre eux en lignes 10, tel que représenté sur la Figure 3. I I a été constitué que lorsque les dimensions de ces motifs sont nanometriques, c'est-à-dire de l'ordre d u nanomètre , on obtient ainsi un confinement des électrons et des trous, quantifiant les niveaux d'énergie qui leur sont accessibles et leur donnant un comportant comparable à celui observé dans les détecteurs à puits quantiques .
I l est d'ailleurs possible de moduler ces effets en fonction de la taille des motifs, c'est-à-dire aussi des puits quantiques.
De manière générale, le détecteur tel que représenté sur la Figure 3 consiste en une succession d'îlots 7 reliés entre eux et à leurs extrémités aux électrodes de polarisation 8, 9 par des ponts de silicium 5, 6.
Les ponts de silicium ont une section approximativement constante, une largeur lp de quelques nanomètres, préférentiellement comprise entre 3 et 5 nanomètres et ils sont généralement rectilignes. Leur longueur est de l'ordre de 10 à 20 nanomètres.
Leur épaisseur est également de l'ordre de quelques nanomètres, de préférence comprise entre 5 et 10 nanomètres.
Les îlots 7 sont des zones de silicium de largeur plus importantes que les ponts, cette largeur est de préférence comprise entre 5 et 10 nanomètres et ils s'étendent dans le sens de la longueur des ponts sur une longueur comparable. Leur long ueur L sera de préférence telle que lp < L <_ 5 lp.
Tel que représenté sur la Figure 3, on pourra mettre en parallèle, avantageusement un certain nombre de lignes 1 0 d'îlots 7 reliés par des ponts 5 et 6. Chacune de ces lignes étant reliées aux électrodes de polarisation 8 et 9.
La distance entre les lignes 10 est de l'ordre de 50 à 100 nm et la distance totale entre les électrodes est de l'ordre de 30 μm . Un tel dispositif permet la détection de flux infrarouge. L'explication des mécanismes mis en jeu , illustrée par la Figure 2 B, paraît être la suivante: à l'équilibre, les électrons (ou respectivement les trous) se trouvent sur les niveaux 1 1 d'énergie les plus bas du système qui sont localisés dans les îlots, là ou le confinement est le plus faible. Sous l'effet d'une excitation optique infrarouge, les électrons peuvent transiter vers le premier niveau 12 excité de chaque îlot. Les dimensions des motifs de la couche active du détecteur sont telles que le niveau excité est proche du niveau 13 fondamental des ponts, si bien que l'électron excité est faiblement lié. Sous l'application de la tension de polarisation établie entre les électrodes 8 et 9 , ces électrons faiblement liés donnent lieu à un photocourant qui est mesurable et permet donc la mesure du flux infrarouge. La réalisation de la couche active 3 nécessite un contrôle précis des cond itions de la lithographie utilisée en vue de la gravure. Pour la réaliser, on utilise un microscope à champ proche [A. F. M (microscope à force atomique) ou S. T. M (microscope à effet tunnel)]. On utilise ce microscope à champ proche pour oxyder la surface de silicium de la couche 3 initialement uniforme et préalablement hydrogénée. Cette surface hyd rogénée est ensuite gravée chimiquement, par exemple par une attaque chimique anisotrope de la surface dans NaOH ou KOH où la silice est peu soluble. On forme ainsi les motifs recherchés.
Le contrôle de la nanooxydation de la surface de la couche de silicium par une pointe A. F. M. peut être avantageusement réalisé en utilisant des impulsions de tension qui sont appliquées à la pointe. La pointe A. F . M . est utilisée en mode sans contact, c'est-à- d ire que le levier qui porte la pointe est soumis à des oscillations périodiques de fréquence f de l'ordre de quelques centaines de kHz, par exemple 300 kHz.
On applique à cette pointe une tension établissant une d ifférence de potentiel entre la couche active 3 et la pointe de l'ord re de dix volts, à une fréquence égale à celle des oscillations du levier. Les impulsions étant synchronisées par rapport aux oscillations d u levier. On obtient le contrôle de l'oxydation , plus précisément de la largeur de la zone oxydée, en agissant sur la différence de phase entre les impulsions de tension et les oscillations du levier. I l est ainsi possible de tracer les zones destinées à former les ponts et celles destinées à former les îlots.
Les électrodes de polarisation sont alors réalisées selon les techniques bien connues et classiques de la technologie des composants électroniques.
Il est donc ainsi possible de fabriquer un détecteur infrarouge à semi-conducteu r en utilisant les techniques bien maîtrisées de la technologie silicium . Ce qui permet d'obtenir une très bonne compatibilité avec les circuits intégrés. De plus, la mise en parallèle de plusieurs détecteurs permet d'améliorer la sensibilité des systèmes ainsi obtenus.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Détecteur infrarouge semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'ordre:
• un substrat semi-conducteur (1 ) • une couche d'un matériau électriquement isolant (2)
• des motifs formés (4) dans une couche d'un matériau semiconducteur (3), lesdits motifs (4) étant formés d'au moins un îlot (7) relié à des ponts (5 , 6) eux-mêmes reliés à des électrodes de polarisation (8, 9) lesdits ponts (5, 6) étant des traits de largeur lp la plus approximativement constante et les îlots (7) étant des zones de largeur lj plus grande que celle des traits.
2. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le détecteur est tel que I, >
1 ,2 lp.
3. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur L des îlots satisfait la relation 2 est lp < L < 5 lp.
4. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Ip est compris entre 1 et 10 nm , qu'il comporte un nombre de traits compris entre 1 et 1000 et que chaque trait comporte de l'ordre de 1 à 1 00 îlots.
5. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l' une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les motifs (4) formés dans la couche (3) de silicium sont réalisés par oxydation locale de la surface de la couche (3) de silicium puis attaque des zones non oxydées.
6. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'oxydation locale du silicium est réalisée à l'aide d'une pointe d'un A. F. . ou d'un S. T. M.
7. Procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 , caractérisé en ce qu'on part d'une structure comportant un substrat en silicium portant une couche de silice à laquelle est superposée une couche de silicium , les motifs sont réalisés par nanooxydation locale avec une pointe A. F. M. ou S. T. M.
8. Procédé selon la revendication 7 , caractérisé en ce que la nanooxydation est réalisée avec une pointe A. F. M. portée par un levier oscillant périodiquement et que l'oxydation locale est obtenue en établissant une différence de potentiel périodique entre le semi-cond ucteur et la pointe, ladite différence de potentiel étant constituée d'impulsions synchronisées de même période que celle des oscillations du levier, l'oxydation étant contrôlée en agissant sur la phase des impulsions par rapport à la phase des oscillations du levier.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la gravure est obtenue par voie humide par action de KOH qui décape les zones de silicium non oxydées.
1 0. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation du levier est de l'ordre de 300 kHz, la fréquence des impulsions d'oxydation est égale à celle de l'oscillation du levier, la tension moyenne étant de l'ordre de 2 volts, avec des valeurs de crête de l'ordre de 10 volts et la lithographie étant contrôlée par action sur la différence de phase entre l'oscillation du levier et les impulsions.
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