EP2732473A1 - Matrice de photodiodes ingaas - Google Patents

Matrice de photodiodes ingaas

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EP2732473A1
EP2732473A1 EP12733733.5A EP12733733A EP2732473A1 EP 2732473 A1 EP2732473 A1 EP 2732473A1 EP 12733733 A EP12733733 A EP 12733733A EP 2732473 A1 EP2732473 A1 EP 2732473A1
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EP
European Patent Office
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active layer
layer
anode
passivation layer
manufacturing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12733733.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Yang Ni
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New Imaging Technologies SAS
Original Assignee
New Imaging Technologies SAS
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Filing date
Publication date
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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 photodiode arrays, and more particularly to photodiode matrices based on gallium-indium arsenide (InGaAs) and indium phosphide (InP) layers, as well as their method of manufacturing.
  • InGaAs gallium-indium arsenide
  • InP indium phosphide
  • One of the methods for fabricating photodiode matrixes in semiconductor materials with a narrow band gap is to insert the active low band detection layer. gap between two semiconductor materials with large band gap.
  • the two large band gap semiconductor layers provide effective protection / passivation while remaining transparent to the wavelength of the radiation to be detected by the photodiodes.
  • the two heterojunctions between the active layer and the two protection / passivation layers confine the photoelectric charges in the active detection layer and improve the quantum yield of the photodiode thus constructed.
  • the active detection layer made of the InGaAs material can have an adjustable band gap depending on the indium and gallium composition in the InGaAs, ideal for operating in the SWIR (Short Wave Infrared) short-wave infrared band. wave), of the order of 1, 4 to 3 ⁇ .
  • Indium phosphide and gallium-indium arsenide share the same face-centered cubic crystal structure.
  • the most used composition is lno.53Gao.47As.
  • the crystal mesh size is then comparable to that of the InP substrate, in particular the mesh parameters. This crystal compatibility allows the epitaxial growth of an InGaAs active layer of excellent quality on an InP substrate.
  • the band gap of ln 0 .53Ga 0 .47As is about 0.73 eV, capable of detecting up to a wavelength of 1.68 ⁇ in the SWIR band. It has a growing interest in fields of application such as spectrometry, night vision, sorting of used plastics, etc.
  • Both protection / passivation layers are usually made in InP.
  • Figure 1 illustrates the physical structure of a matrix 1 of photodiodes.
  • An active layer 5 composed of InGaAs is sandwiched between two layers of InP.
  • the lower layer is indeed the substrate 4 on which the InGaAs layer is formed by complex MO-CVD epitaxy.
  • This InGaAs layer is then protected by a thin passivation layer 6 composed of InP, also deposited by epitaxy.
  • the InP layers are generally N type, doped with silicon.
  • the active layer 5 of InGaAs may be slightly N-doped or remain quasi-intrinsic.
  • the two lower / upper InP layers and the InGaAs active layer 5 form the common cathode of the photodiodes in this matrix.
  • Individual anodes 3 are formed by local diffusion of zinc (Zn).
  • Zn dopant passes through the thin InP passivation layer 6 and enters the InGaAs active layer.
  • FIG. 2 illustrates an I nGaAs image sensor consisting of a matrix 1 of InGaAs photodiodes connected in flip-chip mode with a reading circuit 2.
  • the matrix of photodiodes is connected to a reading circuit generally made of silicon in order to read the photoelectric signals generated by these InGaAs photodiodes.
  • This interconnection is generally done by the flip-chip process via indium balls 7, as illustrated in FIG. 2.
  • the radiation SWIR 9 arrives on the matrix of the photodiodes through the substrate 4 of indium phosphide, transparent in this optical band.
  • EP1 354360 proposes a solar cell mode operation of a photodiode 51 in order to obtain a logarithmic response as a function of the intensity of the incident optical radiation 59.
  • the photodiode 51 receives no external polarization and it is forward biased by the photoelectric charges generated in its junction.
  • the forward bias voltage observed on the photodiode is proportional to the logarithm of the incident optical flux.
  • EP1354360 also proposes to associate a read circuit 55 with switching to the photodiode.
  • the selection signal SEL in order to select the desired photodiode 51 by closing the switch 54.
  • the first read signal RD1 is activated which will close the corresponding controlled switch in order to memorize the voltages of a first reading in the memory 56. This first reading records both the image and the fixed spatial noise.
  • EP1354360 has been applied in an InGaAs sensor and works perfectly. But a phenomenon of dazzling ("blooming" in Anglo-Saxon terminology) is observed for diurnal scenes. This phenomenon can be simply described as a loss of spatial resolution in an image. The detector nevertheless continues to be sensitive to the variation of light according to the logarithmic law. This phenomenon is not observed in other types of photodiodes such as those based on silicon, InSb or MCT.
  • the present invention proposes a simple and effective solution to this phenomenon of blooming in a matrix of InGaAs photodiodes.
  • the solution proposed by the present invention also allows an improvement of the image quality in a conventional detector in integration mode.
  • a method of manufacturing a matrix of photodiodes comprising
  • a cathode comprising at least one indium phosphide substrate layer and an active layer of gallium indium arsenide, and a plurality of anodes formed at least partly in the active layer of gallium indium arsenide by the diffusion of a p-type dopant, the cooperation between an anode and the cathode forming a photodiode, the method comprising the following steps:
  • an N-type indium phosphide passivation layer is produced on the active layer before the diffusion of the P-type dopant forming the anodes, and - A first selective etching of the passivation layer is carried out in order to selectively remove over its entire thickness an area of said passivation layer surrounding each anode.
  • the first selective etching is a chemical etching performed with a first selective chemical etching agent
  • the selective chemical etching agent is a solution of hydrochloric acid and phosphoric acid
  • the method further comprises a subsequent N-type doping passivation step of etched regions of the indium phosphide passivation layer and the active gallium-indium arsenide layer discovered by the first selective etch;
  • the method further further comprises a subsequent step of second selective etching selectively removing throughout its thickness a zone of the active layer surrounding each anode;
  • the second selective etching is a chemical etching performed with a second selective chemical etching agent
  • the second chemical selective etching agent is an aqueous solution comprising sulfuric acid and hydrogen peroxide
  • the second etching is followed by a subsequent N-type doping passivation step of the etched indium phosphide passivation layer and gallium-indium arsenide active layer layers discovered by the first selective etching and by the second selective engraving.
  • the doping depth N is between 0.5 ⁇ and 2 ⁇ .
  • the invention also relates to a matrix of photodiodes comprising:
  • a cathode comprising at least one layer of indium phosphide substrate and an active layer of gallium indium arsenide
  • a plurality of anodes formed, at least in part in the active layer, by the diffusion of a P type dopant, the cooperation between an anode and the cathode forming a photodiode, an N-type indium phosphide passivation layer in which at least a portion of the anodes is formed by diffusion of a P-type dopant, and in that the photodiode array comprises zones surrounding each anode in which said Passivation layer is absent throughout its thickness.
  • the matrix of photodiodes comprises zones surrounding each anode in which said active layer of gallium-indium arsenide is absent throughout its thickness.
  • the photodiode array comprises regions of the passivation layer and the active layer in contact with said zones surrounding each anode are passivated by N-type doping.
  • the invention also relates, according to a third aspect, to an image sensor incorporating a reading circuit and a photodiode array according to the second aspect.
  • the read circuit is a logarithmic circuit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the structure of a matrix of InGaAs photodiodes of the state of the art
  • FIG. 2 already commented on, illustrates an InGaAs image sensor consisting of a matrix of InGaAs photodiodes connected in flip-chip with a silicon substrate reading circuit;
  • FIG. 4 illustrates the different junctions in a matrix of photodiodes of the state of the art
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a manufacturing method according to the invention
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of a photodiode array in which an area of the passivation layer surrounding each anode has been suppressed by a first selective etch
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the passivation of the zones etched by the first selective etching by N-type doping of the exposed zones
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the structure of a photodiode array in which an area of the passivation layer and the active layer surrounding each anode has been suppressed by first and second selective etches;
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the passivation of the zones etched by the first and the second etching by N-type doping of the exposed zones.
  • FIG. 10 illustrates an InGaAs image sensor consisting of a matrix of photodiodes according to the invention connected in flip-chip with a reading circuit on a silicon substrate.
  • each photodiode contains several PN junctions, one of which is wanted and a certain number which are parasitic. These PN junctions are illustrated in FIG. 4.
  • the PN junctions 31 between the anodes 3 and the active layer 5 are desired and constitute the diodes of the photodiode array.
  • the side parasitic PN junctions 32 between the anodes 3 and the passivation layer 6 constitute a possible electrical pathway between the neighboring photodiodes via the passivation layer.
  • a conventional read circuit integrates, in a capacitance, the reverse current into the photodiode by applying an inverse bias on the photodiode.
  • the side parasitic junctions 32 in the photodiodes are reverse biased at the same time with the effect of adding an additional parasitic current into the integration capacitance.
  • This parasitic current degrades the image quality, but generates almost no crosstalk between neighboring photodiodes.
  • These parasitic currents can be partially compensated by complex image processing on the raw image coming out of the read circuit.
  • the junction is forward biased by the incident light.
  • the side parasitic junctions 32 are also forward biased and they constitute a passage of electric current between neighboring photodiodes. This direct polarization becomes all the more important as the incident optical intensity increases, thus creating a blooming phenomenon which considerably degrades the spatial resolution of the sensor.
  • the present invention provides a structure for suppressing lateral conductivity in a matrix of InGaAs photodiodes.
  • a matrix of photodiodes manufactured according to the present invention can be exploited in solar cell mode as described in EP1354360, without loss of spatial resolution, even in the presence of very high optical intensities.
  • Such a matrix also provides an improvement in image quality with a conventional reading circuit in integration mode, such as, for example, the different ISC9705 and ISC9809 CMOS reading circuits marketed by Indigo / FLIR in the USA.
  • the ISC9705 circuit integrates the photoelectric current of a photodiode directly onto a capacitor (direct injection mode) and the ISC9809 circuit integrates the photoelectric current through an operational amplifier (CTIA mode).
  • CTIA mode allows a higher charge-to-voltage conversion gain that promotes detection sensitivity.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating the method of manufacturing a matrix of photodiodes according to the invention. After obtaining a photodiode matrix structure, for example by:
  • step S1 epitaxial growth (step S1) of an active layer 5 of gallium-indium arsenide on an indium phosphide substrate 4,
  • step S2 epitaxial growth of an N-type indium phosphide passivation layer 6 on the active layer 5,
  • step S3 formation of the anodes 3 by a selective diffusion of zinc as a P-type dopant in the passivation layer 6 and the active layer 5,
  • a first selective etching is applied (step S4) in order to remove over its entire thickness a zone 10 of the passivation layer 6 surrounding each anode 3.
  • This first selective etching selectively removes the passivation layer 6 to the active layer 5.
  • the InP layers are of the N type doped with silicon.
  • the active layer 5 of InGaAs may be slightly N-doped or remain quasi-intrinsic. Thus, the two lower / upper InP layers and the InGaAs active layer 5 form the common cathode of the photodiodes in this matrix.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of a photodiode array 101 in which an area 10 of the passivation layer 6 surrounding each anode has thus been suppressed by this first selective etching.
  • a mask 15 is applied in order to define the zones 10 of the passivation layer 6 to be deleted by the first etching.
  • the photodiode array thus comprises zones surrounding each anode in which the passivation layer 6 is absent throughout its thickness.
  • This first etching is preferably a chemical etching carried out by means of a first selective chemical etching agent, preferably a solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, of formula HCl: H 3 PO 5 .
  • a first selective chemical etching agent preferably a solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, of formula HCl: H 3 PO 5 .
  • the solution HCL: H3P05 makes it possible to selectively dissolve the passivation layer 6 composed of indium phosphide InP and to stop the etching on arrival on the active layer 5 composed of gallium-indium arsenide InGaAs. Thanks to this selectivity of the etching, the removal of the passivation layer 6 can be done simply.
  • the area 10 of the passivation layer 6 surrounding each of the anodes 3 to be removed does not need to be large and may be limited to the accuracy of the lithography. Therefore, this zone 10 can be kept far enough away from the Zn scattering constituting an anode 3, where the photoelectric charge capture region is located.
  • the first selective etching removes a zone sufficiently far from the anodes 3 for this first selective etching does not reach the PN junction between the P type anode 3 and the N type passivation layer 6.
  • This first etching is preferably chemical, but it may optionally be a dry etching, for example a plasma etching. Chemical etching is however preferred because it does not cause physical damage in the etching area. In all cases, the defects created by this first etching have little impact on the dark current of the photodiode because they are sufficiently far from the diffusion zones of the zinc.
  • An insulation-based passivation such as SiN x silicon nitride or SiO 2 silicon dioxide may be applied as a result of this etching.
  • an insulation-based passivation does not sufficiently reduce the number of faults interfaced.
  • passivation is preferably carried out (step S6) by N-type doping of the etching regions 11 of the passivation layer 6 and the active layer 5 exposed by the first etching.
  • the structure after this N doping is illustrated in FIG. 7, in which regions 11 of the passivation layer 6 and of the active layer 5 in contact with the zones 10 surrounding each anode are passivated by an N-type doping.
  • N doping said regions 11 can be controlled between 0.5 ⁇ and 2 ⁇ , depending in particular on the type of etching, chemical or dry, and the size of the photodiodes.
  • the surface generation is rapidly recombined in the N doping region.
  • the heterojunction formed by this N doping inside the InGaAs active layer 5 delivers the photoelectric charges to the Zn diffusion zone, ie say the capture area. So the quantum efficiency is improved.
  • the passivation is advantageously carried out by means of an N-type doping rather than a P-type doping.
  • a second selective etching removes a zone 20 over its entire thickness. active layer 5 surrounding each anode is implemented (step S5), knowing that after the first etching of the passivation layer 6, the active layer 5 is exposed at the zones 10 surrounding each of the anodes, as illustrated by FIG. 6.
  • This second selective etching selectively removes the active layer 5 to the substrate 4, at the zones of the active layer exposed by the first etching.
  • the second selective etching removes an area sufficiently far from the anodes 3 so that this first selective etching does not reach the PN junction between the P-type anode 3 and the cathode constituted by the passivation layer 6. and active layer 5, type N.
  • the selective suppression of zones of the passivation layer 6 around each photodiode anode 3 eliminates the lateral conductivity between neighboring photodiodes.
  • the lateral propagation of the photoelectric charges in the active layer of gallium-indium arsenide InGaAs can also degrade the spatial resolution of a sensor incorporating such a photodiode matrix. Partial deletion of the InGaAs active layer around the Zn diffusion can be very beneficial to the spatial resolution of the InGaAs sensor.
  • This second etching which removes throughout its thickness a ring 20 of the active layer 5 of gallium-indium arsenide InGaAs around the Zn diffusion, is preferably also chemical and implemented by means of a second etching agent selective chemical.
  • a second etching agent selective chemical For this second etching, use is preferably made of an aqueous solution comprising sulfuric acid and hydrogen peroxide of the formula ## STR2 ##
  • Such a solution selectively grabs only the active layer 5 composed of gallium-indium arsenide InGaAs but preserves the indium phosphide constituting the passivation layer 6 and the substrate 4.
  • FIG. 8 shows a matrix 101 of photodiodes resulting from the second etching.
  • the matrix 101 of photodiodes then comprises zones 20 surrounding each anode in which said active layer 5 of gallium-indium arsenide is absent throughout its thickness.
  • this second etching by means of H 2 SO 2 is beneficial for forming a thin layer protecting the structure against ambient oxidation.
  • this second etching is preferably chemical, it may optionally be a dry etching, for example a plasma etching. Chemical etching is however preferred because it does not cause physical damage in the etching area. In all cases, the defects created by this second etching have little impact on the dark current of the photodiode because they are sufficiently far from the zinc diffusion zones.
  • An insulation-based passivation such as SiN x silicon nitride or SiO 2 silicon dioxide may be applied as a result of this etching.
  • an insulation-based passivation does not sufficiently reduce the number of faults interfaced.
  • step (S6) is then followed by N-doped passivation of the etched zones of the passivation layer 6 and of the active layer 5 discovered by the first and second etchings.
  • a photodiode matrix structure 101 of the type illustrated in FIG. 9 is then obtained, in which regions 21 of the InP passivation layer 6 and the InGaAs active layer 5 in contact with the zones 20 surrounding each anode. were passivated by an N-type doping.
  • regions 21 of the InP passivation layer 6 and the InGaAs active layer 5 in contact with the zones 20 surrounding each anode. were passivated by an N-type doping.
  • an area of the substrate 4 discovered by the second etching was also passivated by N-type doping.
  • a matrix 101 of photodiodes is obtained, each comprising:
  • a cathode comprising at least one indium phosphide substrate layer 4 and an N-type gallium-indium arsenide active layer,
  • anodes 3 formed, at least in part in the active layer 5, by the diffusion of a P-type dopant, the cooperation between an anode 3 and the cathode forming a photodiode,
  • the matrix 101 has zones 20 surrounding each anode 3 in which said active layer 5 of gallium-indium arsenide is absent throughout its thickness.
  • FIG. 10 illustrates an InGaAs image sensor consisting of a matrix 101 of I nGaAs photodiodes according to the invention, and more precisely similar to that represented by FIG. 9, connected in flip chip with a read circuit 2.
  • the matrix of photodiodes is connected to a readout circuit made on a substrate if there is a connection between the photoelectric signals generated by these InGaAs photodiodes. This interconnection is generally carried out by the chip method returned via Indium balls 7, as illustrated in FIG. 10.
  • the radiation SWI R 9 arrives on the matrix of photodiodes through the substrate 4 of indium phosphide, transparent in this optical band.
  • the reading circuit 2 is a logarithmic reading circuit as described above and shown in FIG.

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Abstract

L'invention concerne une matrice (101) de photodiodes InGaAs et son procédé de fabrication, ladite matrice comprenant : une cathode comprenant au moins une couche de substrat (4) de phosphure d'indium et une couche active (5) d'arséniure de gallium-indium, une pluralité d'anodes (3) formées au moins en partie dans la couche active d'arséniure de gallium-indium par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode (3) et la cathode formant une photodiode, et selon ledit procédé : une couche de passivation (6) de phosphure d'indium est disposée sur la couche active avant la diffusion du dopant de type P formant les anodes (3), une première gravure sélective est appliquée afin de supprimer sur toute son épaisseur une zone (10) de la couche de passivation (6) entourant chaque anode (3).

Description

Matrice de Photodiodes InGaAs
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les matrices de photodiodes, et plus particulièrement les matrices de photodiodes à bases de couches d'arséniure de gallium-indium (InGaAs) et de phosphure d'indium (InP), ainsi que leur procédé de fabrication.
CONTEXTE DE L'INVENTION
Une des méthodes de fabrication de matrice de photodiodes dans des matériaux semi-conducteurs à faible bande interdite - « band gap » en terminologie anglo- saxonne - (souvent pour la détection en lumière infrarouge) consiste à insérer la couche active de détection à faible band gap entre deux matériaux semi-conducteurs à grand band gap. Les deux couches de semi-conducteurs à grand band gap constituent une protection/passivation efficace tout en restant transparentes à la longueur d'onde du rayonnement destiné à être détecté par les photodiodes.
De plus, avec des dopages appropriés, les deux hétérojonctions entre la couche active et les deux couches de protection /passivation confinent les charges photoélectriques dans la couche active de détection et améliorent le rendement quantique de la photodiode ainsi construite.
Une photodiode InGaAs est un exemple type de cette structure physique. La couche active de détection constituée du matériau InGaAs peut avoir un band gap ajustable en fonction de la composition en indium et gallium dans le InGaAs, idéale pour opérer dans la bande SWIR (acronyme de l'anglais Short Wave InfraRed pour infrarouge de courte longueur d'onde), de l'ordre de 1 ,4 à 3 μιη. Le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium-indium partage la même structure cristalline cubique face centrée. La composition la plus utilisée est lno.53Gao.47As. La taille de maille cristalline est alors comparable à celle du substrat InP, notamment les paramètres de maille. Cette compatibilité cristalline permet la croissance par épitaxie d'une couche active InGaAs d'excellente qualité sur un substrat InP. Le band gap d'ln0.53Ga0.47As est d'environ 0.73 eV, capable de détecter jusqu'à une longueur d'onde de 1.68 μιη dans la bande SWIR. Elle présente un intérêt grandissant dans les domaines d 'applications tel que la spectrométrie, la vision nocturne, le tri des plastiques usagés, etc.
Les deux couches de protection/passivation sont généralement faites en InP. Surtout la composition lno.53Gao.47As, ayant la même taille de maille cristalline qu'InP, cela permet un courant d'obscurité très faible dès la température ambiante.
La figure 1 illustre la structure physique d'une matrice 1 de photodiodes. Une couche active 5 composée de InGaAs est prise en sandwich entre deux couches de InP. La couche inférieure constitue en effet le substrat 4 sur lequel la couche InGaAs est formée par épitaxie MO-CVD complexe. Cette couche InGaAs est ensuite protégée par une fine couche de passivation 6 composée de InP, déposée aussi par épitaxie. Les couches InP sont en générale du type N, dopées au silicium. La couche active 5 de InGaAs peut être légèrement dopée N ou rester quasi-intrinsèque. Donc les deux couches InP inférieure/supérieure et la couche active 5 de InGaAs forment la cathode commune des photodiodes dans cette matrice.
Les anodes individuelles 3 sont formées par une diffusion locale de zinc (Zn). Le dopant Zn traverse la fine couche de passivation 6 d'InP et pénètre dans la couche active 5 d'InGaAs.
La figure 2 illustre un capteu r d'image I nGaAs constitué d'une matrice 1 de photodiodes InGaAs connectée en mode puce retournée (« flip-chip » en terminologie anglo-saxonne) avec un circuit de lecture 2. Dans un capteur InGaAs matriciel, la matrice des photodiodes est connectée à un circuit de lecture généralement réalisé en silicium afin de lire les signaux photoélectriques générés par ces photodiodes InGaAs. Cette interconnexion se fait en général par le procédé flip-chip via des billes d'indium 7, ainsi qu'illustré sur la figure 2. Le rayonnement SWIR 9 arrive sur la matrice des photodiodes à travers le substrat 4 de phosphure d'indium, transparent dans cette bande optique.
Avec un détecteur fonctionnant en mode d'intégration, on obtient un signal de sortie proportionnel au produit du flux et de la durée d'exposition. Cependant, le signal de sortie est limité par la capacité d 'intégration maximale du détecteur. Pour des scènes à fort contraste, il est souvent impossible d'obtenir un bon rendu des zones sombres et en même temps de garder des zones lumineuses sans saturation. Ce problème est d'autant plus sérieux pour la vision nocturne à la quelle un capteur matriciel à photodiodes InGaAs est souvent destiné.
Une autre manière de lire les signaux photoélectriques des photodiodes de manière générale est proposée par le document EP1354360 et illustrée dans son principe par la figure 3 des dessins ci-annexés. Le document EP1 354360 propose un fonctionnement en mode cellule solaire d'une photodiode 51 afin d'obtenir une réponse logarithmique en fonction de l'intensité du rayonnement optique incident 59. Dans ce mode de fonctionnement, la photodiode 51 ne reçoit pas de polarisation extérieure et elle est polarisée en directe par les charges photoélectriques générées dans sa jonction. La tension de polarisation directe observée sur la photodiode est proportionnelle au logarithme du flux optique incident. Cette réponse logarithmique permet de couvrir sans aucun ajustement électrique et optique une plage dynamique de fonctionnement supérieure à 120dB, indispensable pour l'utilisation d'un capteur SWIR InGaAs dans des conditions naturelles à l'extérieur. Le document EP1354360 propose également d'associer un circuit de lecture 55 à commutation à la photodiode.
Le principe d'utilisation de la matrice de capteur d'image illustré à la figure 3 est le suivant :
a) On active le signal de sélection SEL afin de sélectionner la photodiode 51 désirée en fermant l'interrupteur 54. Une fois cette photodiode sélectionnée, on active le premier signal de lecture RD1 qui va fermer l'interrupteur commandé correspondant dans le but de mémoriser les tensions d'une première lecture dans la mémoire 56. Cette première lecture enregistre à la fois l'image et le bruit spatial fixe.
b) On active alors le signal de remise à zéro RSI, signal qui va provoquer la fermeture de l'interrupteur 53. La photodiode 51 étant ainsi court-circuitée, on simule ainsi une image de référence en obscurité absolue.
c) On désactive alors le premier signal de lectu re RD1 pour réouvri r l'interrupteur correspondant et on active alors le second signal de lecture RD2 pour ainsi enregistrer dans l'élément de mémoire 57 les tensions de la deuxième lecture. On a ainsi mémorisé le bruit spatial fixe seul. d ) On calcule la différence entre le résultat des deux mémorisations contenues dans les éléments de mémoire 56 et 57 respectives par un amplificateur différentiel 58. Le signal de sortie de cet amplificateur 58 correspond alors à une image exempte de bruit spatial fixe.
G râce à la seconde lecture, une tension zéro correspondant à la condition d'obscurité est générée. Ce signal d'obscurité électronique permet de supprimer les décalages de signal (« offsets ») dans la chaîne de lecture dans un détecteur matriciel.
Le principe proposé par EP1354360 a été appliqué dans un capteur InGaAs et fonctionne parfaitement. Mais un phénomène d'éblouissement (« blooming » en terminologie anglo-saxonne) est observé pour des scènes diurnes. Ce phénomène peut être simplement décrit comme une perte de la résolution spatiale dans une image. Le détecteur continue néanmoins à être sensible à la variation de la lumière en suivant la loi logarithmique. Ce phénomène n'est pas observé dans d'autres types de photodiodes comme celles à base silicium, InSb ou MCT.
PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention propose une solution simple et efficace à ce phénomène de blooming dans une matrice de photodiodes InGaAs. La solution proposée par la présente invention permet également une amélioration de la qualité d'image dans un détecteur conventionnel en mode d'intégration.
A cet effet, on propose selon un premier aspect un procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes comprenant
- une cathode comprenant au moins une couche de substrat de phosphure d'indium et une couche active d'arséniure de gallium-indium, et - une pluralité d'anodes formées au moins en partie dans la couche active d'arséniure de gallium-indium par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode et la cathode formant une photodiode, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- on réalise une couche de passivation de phosphure d'indium de type N sur la couche active avant la diffusion du dopant de type P formant les anodes, et - on réalise une première gravure sélective de la couche de passivation afin de supprimer sélectivement sur toute son épaisseur une zone de ladite couche de passivation entourant chaque anode. L'invention selon le premier aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible :
la première gravure sélective est une gravure chimique réalisée avec un premier agent de gravure chimique sélective ;
- l'agent de gravure chimique sélectif est une solution d'acide chlorhydrique et d'acide phosphorique ;
le procédé comprend en outre une étape subséquente de passivation par dopage de type N des zones gravées de la couche de passivation de phosphure d'indium et de la couche active d'arséniure de gallium-indium découvertes par la première gravure sélective ;
le procédé comprend en outre en outre une étape subséquente de seconde gravure sélective supprimant sélectivement sur toute son épaisseur une zone de la couche active entourant chaque anode ;
la seconde gravure sélective est une gravure chimique réalisée avec un second agent de gravure chimique sélective ;
le second agent chimique de gravure sélective est une solution aqueuse comprenant de l'acide sulfurique et du peroxyde d'hydrogène ;
la seconde gravure est suivie par une étape subséquente de passivation par dopage de type N des zones gravées de la couche de passivation de phosphure d'indium et de la couche active d'arséniure de gallium-indium découvertes par la première gravure sélective et par la seconde gravure sélective.
De préférence, la profondeur de dopage N est comprise entre 0,5 μιη et 2 μιη.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne également une matrice de photodiodes comprenant :
- une cathode comprenant au moins une couche de substrat en phosphure d'indium et une couche active en arséniure de gallium-indium,
- une pluralité d'anodes formées, au moins en partie dans la couche active, par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode et la cathode formant une photodiode, - une couche de passivation en phosphure d'indium de type N dans laquelle sont au moins en partie formées les anodes par diffusion d'un dopant de type P, et en ce que la matrice de photodiodes comporte des zones entourant chaque anode dans lesquelles ladite couche de passivation est absente sur toute son épaisseur.
L'invention selon le deuxième aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible :
la matrice de photodiodes comporte des zones entourant chaque anode dans lesquelles ladite couche active en arséniure de gallium-indium est absente sur toute son épaisseur.
la matrice de photodiodes comporte des régions de la couche de passivation et de la couche active en contact avec lesdites zones entourant chaque anode sont passivées par un dopage de type N.
L'invention concerne également selon un troisième aspect un capteur d'images incorporant un circuit de lecture et une matrice de photodiodes selon le deuxième aspect. De préférence, le circuit de lecture est un circuit logarithmique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit. L'invention sera aussi mieux comprise en référence à cette description considérée conjointement avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 , déjà commentée, est un schéma illustrant la structure d'une matrice de photodiodes InGaAs de l'état de la technique ;
- la figure 2, déjà commentée, illustre un capteur d'image InGaAs constitué d'une matrice de photodiodes InGaAs connectée en flip-chip avec un circuit de lecture sur substrat silicium ;
- la figure 3, déjà commentée, est un schéma de principe de réalisation d'un capteur logarithmique avec les photodiodes en mode cellule solaire ;
- la figure 4 illustre les différentes jonctions dans une matrice de photodiodes de l'état de la technique ;
- la figure 5 est un schéma de principe illustrant un procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 6 est un schéma illustrant la structure d'une matrice de photodiodes dans laquelle une zone de la couche de passivation entourant chaque anode a été supprimée par une première gravure sélective ;
- la figure 7 est un schéma illustrant la passivation des zones gravées par la première gravure sélective par un dopage de type N des zones exposées ;
- la figure 8 est un schéma illustrant la structure d'une matrice de photodiodes dans laquelle une zone de la couche de passivation et de la couche active entourant chaque anode a été supprimée par des première et seconde gravures sélectives ;
- la figure 9 est un schéma illustrant la passivation des zones gravées par la première et la seconde gravure par un dopage de type N des zones exposées ; et
- la figure 10 illustre un capteur d'image InGaAs constitué d'une matrice de photodiodes selon l'invention connectée en flip-chip avec un circuit de lecture sur substrat silicium.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans une structure de l'état de la technique telle qu'illustrée par la figure 1 , il peut être constaté que chaque photodiode contient plusieurs jonctions PN, dont une voulue et un certain nombre qui sont parasites. Ces jonctions PN sont illustrées par la Figure 4. Les jonctions PN 31 entre les anodes 3 et la couche active 5 sont voulues et constituent les diodes de la matrice de photodiodes. Les jonctions PN parasites latérales 32 entre les anodes 3 et la couche de passivation 6 constituent un chemin de passage électrique possible entre les photodiodes voisines via la couche de passivation.
Un circuit de lecture classique intègre, dans une capacité, le courant inverse dans la photodiode en appliquant une polarisation inverse sur cette dernière. Dans cette configuration, les jonctions parasites latérales 32 dans les photodiodes sont polarisées en inverse en même temps avec pour effet d'ajouter un courant parasite supplémentaire dans la capacité d'intégration. Ce courant parasite dégrade la qualité d'image, mais ne génère quasiment pas de diaphonie entre les photodiodes voisines. Ces courants parasites peuvent être compensés partiellement par des traitements d'image complexes sur l'image brute sortant du circuit de lecture. Quand une photodiode fonctionne en mode cellule solaire, la jonction est polarisée en direct par la lumière incidente. Dans ce cas, les jonctions parasites latérales 32 sont aussi polarisées en direct et elles constituent un passage de courant électrique entre des photodiodes voisines. Cette polarisation directe devient d'autant plus importante que l'intensité optique incidente augmente, créant ainsi un phénomène de blooming qui dégrade considérablement la résolution spatiale du capteur.
La présente invention propose une structu re permettant de supprimer la conductivité latérale dans une matrice de photodiodes InGaAs. Une matrice de photodiodes fabriquée selon la présente invention peut être exploitée en mode cellule solaire comme décrit dans le document EP1354360, sans perte de résolution spatiale, même en présence de très fortes intensités optiques. Une telle matrice procure aussi une amélioration de la qualité d'image avec un circuit de lecture classique en mode d'intégration, comme par exemple, les différents circuits de lecture CMOS ISC9705 et ISC9809 commercialisés par la société Indigo/FLIR aux USA. Le circuit ISC9705 intègre le courant photoélectrique d'une photodiode directement sur un condensateur (mode injection directe) et le circuit ISC9809 intègre le courant photoélectrique à travers un amplificateur opérationnel (mode CTIA). Le mode CTIA permet un gain de conversion charge-tension plus important qui favorise la sensibilité de détection.
La figure 5 est un schéma de principe illustrant le procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes selon l'invention. Après l'obtention d'une structure de matrice de photodiode, par exemple par :
croissance épitaxiale (étape S1 ) d'une couche active 5 d'arséniure de gallium-indium sur un substrat 4 de phosphure d'indium,
croissance épitaxiale (étape S2) d'une couche de passivation 6 de phosphure d'indium de type N sur la couche active 5,
- formation (étape S3) des anodes 3 par une diffusion sélective de zinc en tant que dopant de type P dans la couche de passivation 6 et la couche active 5,
une première gravure sélective est appliquée (étape S4) afin de supprimer sur toute son épaisseur une zone 10 de la couche de passivation 6 entourant chaque anode 3. Cette première gravure sélective supprime sélectivement la couche de passivation 6 jusqu'à la couche active 5. Les couches InP sont du type N, dopées au silicium. La couche active 5 de InGaAs peut être légèrement dopée N ou rester quasi-intrinsèque. Donc les deux couches InP inférieure/supérieure et la couche active 5 de InGaAs forment la cathode commune des photodiodes dans cette matrice.
La figure 6 est un schéma illustrant la structure d'une matrice 101 de photodiodes dans laquelle une zone 10 de la couche de passivation 6 entourant chaque anode a ainsi été supprimée par cette première gravure sélective. Un masque 15 est appliqué afin de définir les zones 10 de la couche de passivation 6 à supprimer par la première gravure. La matrice de photodiodes comporte ainsi des zones 10 entourant chaque anode dans lesquelles la couche de passivation 6 est absente sur toute son épaisseur.
La suppression par la première gravure, au niveau de chaque anode 3, d'une zone 10 de la couche de passivation 6 entourant chacune desdites anodes 3 permet de supprimer le passage électrique latéral entre des anodes 3 voisines constituées par des dopages Zn voisins.
Cette première gravure est de préférence une gravure chimique réalisée au moyen d'un premier agent de gravure chimique sélectif, de préférence une solution de d'acide chlorhydrique et d'acide phosphorique, de formule HCI:H3P05.
La solution HCL:H3P05 permet de dissoudre sélectivement la couche de passivation 6 composée de phosphure d'indium InP et d'arrêter la gravure à l'arrivée sur la couche active 5 composée d'arséniure de gallium-indium InGaAs. Grâce à cette sélectivité de la gravure, la suppression de la couche de passivation 6 peut se faire simplement.
La zone 10 de la couche de passivation 6 entourant chacune des anodes 3 à supprimer n'a pas besoin d'être grande et peut être limitée à la précision de la lithographie. Par conséquent cette zone 10 peut être gardée assez éloignée de la diffusion Zn constituant une anode 3, où se trouve la région de capture des charges photoélectriques. Ainsi, de préférence, la première gravure sélective supprime une zone 10 suffisamment éloignée des anodes 3 pour que cette première gravure sélective n'atteigne pas la jonction PN entre l'anode 3 de type P et la couche de passivation 6 de type N. Cette première gravure est de préférence chimique, mais elle peut éventuellement être une gravure sèche, par exemple une gravure au plasma. La gravure chimique est cependant préférée car elle ne cause pas de dommages physiques dans la zone de gravure. Dans tous les cas, les défauts créés par cette première gravure n'impactent que peu le courant d'obscurité de la photodiode, car ils sont suffisamment éloignés des zones de diffusion du zinc.
Une passivation à base d'isolant comme du nitrure de silicium SiNx ou du dioxyde de silicium Si02 peut être appliquée à la suite de cette gravure. Cependant, une passivation à base d'isolant ne permet pas de réduire suffisamment le nombre de défauts en interface.
Par conséquent, une passivation est de préférence mise en œuvre (étape S6) par un dopage de type N des zones 11 de gravure de la couche de passivation 6 et de la couche active 5 exposées par la première gravure. La structure après ce dopage N est illustrée par la figure 7, dans laquelle des régions 11 de la couche de passivation 6 et de la couche active 5 en contact avec les zones 10 entourant chaque anode sont passivées par un dopage de type N. La profondeur de dopage N desdites régions 11 peut être contrôlée entre 0.5 μιη et 2 μιη, en fonction notamment du type de gravure, chimique ou sèche, et de la dimension des photodiodes. La génération de surface est rapidement recombinée dans la région de dopage N. L'hétérojonction que forme ce dopage N à l'intérieur de la couche active 5 de InGaAs refoule les charges photoélectriques vers la zone de diffusion de Zn, c'est-à-dire la zone de capture. Donc le rendement quantique est ainsi amélioré.
Un dopage de type P sur les surfaces exposées par la gravure forme une jonction parasite, qui draine les charges photoélectriques vers la surface exposée. Si la génération de surface des paires électron/trou est confinée, le rendement quantique souffre de ce drainage vers la surface par cette jonction parasite. Ainsi, la passivation est avantageusement effectuée au moyen d'un dopage de type N plutôt qu'un dopage de type P. De préférence, préalablement à cette passivation par dopage de type N, une seconde gravure sélective supprimant sur toute son épaisseur une zone 20 de la couche active 5 entourant chaque anode est mise en œuvre (étape S5), sachant qu'après la première gravure de la couche de passivation 6, la couche active 5 est exposée au niveau de zones 10 entourant chacune des anodes, ainsi qu'illustré par la figure 6. Cette seconde gravure sélective supprime sélectivement la couche active 5 jusqu'au substrat 4, au niveau des zones de la couche active exposée par la première gravure. En outre, de préférence, la seconde gravure sélective supprime une zone 20 suffisamment éloignée des anodes 3 pour que cette première gravure sélective n'atteigne pas la jonction PN entre l'anode 3 de type P et la cathode constituée de la couche de passivation 6 et de la couche active 5, de type N.
En effet, la suppression sélective de zones de la couche de passivation 6 autour de chaque anode 3 de photodiode élimine la conductivité latérale entre photodiodes voisines. Mais la propagation latérale des charges photoélectriques dans la couche active 5 d'arséniure de gallium-indium InGaAs peut aussi dégrader la résolution spatiale d'un capteur incorporant une telle matrice de photodiode. Une suppression partielle de la couche active 5 de InGaAs autour la diffusion au Zn peut être très bénéfique à la résolution spatiale du capteur InGaAs.
Cette seconde gravure, qui supprime sur toute son épaisseur une couronne 20 de la couche active 5 en arséniure de gallium-indium InGaAs autour de la diffusion au Zn, est de préférence également chimique et mise en œuvre au moyen d'un second agent de gravure chimique sélectif. Pour cette seconde gravure, on utilise de préférence une solution aqueuse comprenant de l'acide sulfurique et du peroxyde d'hydrogène de formule h^SC^h^:!-^. Une telle solution grave sélectivement uniquement la couche active 5 composée d'arséniure de gallium-indium InGaAs mais préserve le phosphure d'indium constituant la couche de passivation 6 et le substrat 4.
Ainsi, chaque photodiode peut être complètement isolée des autres. La figure 8 montre une matrice 101 de photodiodes résultant de la seconde gravure. La matrice 101 de photodiodes comporte alors des zones 20 entourant chaque anode dans lesquelles ladite couche active 5 en arséniure de gallium-indium est absente sur toute son épaisseur.
De plus, cette seconde gravure au moyen de h^SO^h^:!-^ est bénéfique pour former une couche fine protégeant la structure contre une oxydation ambiante. De même que précédemment, si cette seconde gravure est de préférence chimique, elle peut éventuellement être une gravure sèche, par exemple une gravure au plasma. La gravure chimique est cependant préférée car elle ne cause pas de dommages physiques dans la zone de gravure. Dans tous les cas, les défauts créés par cette seconde gravure n'impactent que peu le courant d'obscurité de la photodiode, car ils sont suffisamment éloignés des zones de diffusion de zinc.
Une passivation à base d'isolant comme du nitrure de silicium SiNx ou du dioxyde de silicium Si02 peut être appliquée à la suite de cette gravure. Cependant, une passivation à base d'isolant ne permet pas de réduire suffisamment le nombre de défauts en interface.
Ainsi, de façon similaire à celle exposée plus haut, on met alors en œuvre (étape S6) une passivation par dopage N des zones gravées de la couche de passivation 6 et de la couche active 5 découvertes par la première et la seconde gravure.
On obtient alors une structure de matrice 101 de photodiode du type de celle illustrée par la figure 9, dans laquelle des régions 21 de la couche de passivation 6 de InP et de la couche active 5 de InGaAs en contact avec les zones 20 entourant chaque anode ont été passivées par un dopage de type N. Incidemment, on constate également qu'une zone du substrat 4 découverte par la seconde gravure a également été passivée par le dopage de type N.
Ainsi, on obtient une matrice 101 de photodiodes comprenant chacune :
- une cathode comprenant au moins une couche de substrat 4 en phosphure d'indium et une couche active 5 en arséniure de gallium-indium, de type N,
- une pluralité d'anodes 3 formées, au moins en partie dans la couche active 5, par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode 3 et la cathode formant une photodiode,
avec en outre une couche de passivation 6 en phosphure d'indium de type N dans laquelle sont au moins en partie formées les anodes 3 par diffusion d'un dopant de type P, comportant des zones 10 entourant chaque anode dans lesquelles ladite couche de passivation 6 est absente sur toute son épaisseur. De préférence, la matrice 101 présente des zones 20 entourant chaque anode 3 dans lesquelles ladite couche active 5 en arséniure de gallium-indium est absente sur toute son épaisseur. Une fois que la matrice des photodiodes est exempte de conduction latérale, elle peut retrouver le même procédé de fabrication pour la métallisation et le montage en puce retournée avec un circuit de lecture sur substrat silicium.
La figure 10 illustre un capteur d'image InGaAs constitué d'une matrice 101 de photodiodes I nGaAs selon l'invention, et plus précisément similai re à celle représentée par la figure 9, connectée en puce retournée avec un circuit de lecture 2. Dans un capteur InGaAs matriciel, la matrice des photodiodes est connectée à un circuit de lecture réalisé sur substrat si liciu m afi n de li re les signaux photoélectriques générés par ces photodiodes InGaAs. Cette interconnexion est réalisée en général par le procédé à puce retournée via des billes Indium 7, ainsi qu'illustré sur la figure 1 0. Le rayonnement SWI R 9 arrive sur la matrice des photodiodes à travers le substrat 4 de phosphure d'indium, transparent dans cette bande optique.
De préférence, le circuit de lecture 2 est un circuit de lecture logarithmique tel que décrit plus haut et exposé dans la figure 3.

Claims

Revendications
. Procédé de fabrication d'une matrice (101 ) de photodiodes comprenant
- une cathode comprenant au moins une couche de substrat (4) de phosphure d'indium et une couche active (5) d'arséniure de gallium-indium, et
- une pluralité d'anodes (3) formées au moins en partie dans la couche active d'arséniure de gallium-indium par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode (3) et la cathode formant une photodiode, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- on réalise une couche de passivation (6) de phosphure d'indium de type N sur la couche active (5) avant la diffusion du dopant de type P formant les anodes (3), et
- on réalise une première gravure sélective de la couche de passivation afin de supprimer sélectivement sur toute son épaisseur une zone (10) de ladite couche de passivation (6) entourant chaque anode (3).
2. Le procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel la première gravure sélective est une gravure chimique réalisée avec un premier agent de gravure chimique sélective.
3. Le procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l'agent de gravure chimique sélectif est une solution d'acide chlorhydrique et d'acide phosphorique.
Le procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape subséquente de passivation par dopage de type N des zones gravées (1 1 ) de la couche de passivation (6) de phosphure d'indium et de la couche active (5) d'arséniure de gallium-indium découvertes par la première gravure sélective.
Le procédé de fabrication selon l'une des revendicationsl à 4, comprenant en outre une étape subséquente de seconde gravure sélective supprimant sélectivement sur toute son épaisseur une zone (20) de la couche active (5) entourant chaque anode (3).
Le procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel la seconde gravure sélective est une gravure chimique réalisée avec un second agent de gravure chimique sélective.
Le procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel le second agent chimique de gravure sélective est une solution aqueuse comprenant de l'acide sulfurique et du peroxyde d'hydrogène.
Le procédé de fabrication selon l'une des revendications 5 à 7, comprenant une étape subséquente de passivation par dopage de type N des zones gravées (21 ) de la couche de passivation (6) de phosphure d'indium et de la couche active (5) d'arséniure de gallium-indium découvertes par la première gravure sélective et par la seconde gravure sélective.
Le procédé de fabrication selon l'une des revendications 4 et 8, dans lequel la profondeur de dopage est comprise entre 0,5 μιη et 2 μιη.
10. Matrice (101 ) de photodiodes comprenant :
- une cathode comprenant au moins une couche de substrat (4) en phosphure d'indium et une couche active (5) en arséniure de gallium-indium,
- une pluralité d'anodes formées, au moins en partie dans la couche active (5), par la diffusion d'un dopant de type P, la coopération entre une anode (3) et la cathode formant une photodiode,
caractérisé en ce que la matrice comprend en outre une couche de passivation (6) en phosphure d'indium de type N dans laquelle sont au moins en partie formées les anodes (3) par diffusion d'un dopant de type P, et en ce que la matrice de photodiodes comporte des zones (10) entourant chaque anode dans lesquelles ladite couche de passivation (6) est absente sur toute son épaisseur.
11. La matrice de photodiodes selon la revendication 10, comportant des zones (20) entourant chaque anode (3) dans lesquelles ladite couche active (5) en arséniure de gallium-indium est absente sur toute son épaisseur.
12. La matrice de photodiodes selon la revendication 10 ou 11 , dans laquelle des régions (11 , 21 ) de la couche de passivation (6) et de la couche active (5) en contact avec lesdites zones (10, 20) entourant chaque anode sont passivees par un dopage de type N.
13. Capteur d'images incorporant un circuit de lecture (2) et une matrice de photodiodes (101 ) selon l'une quelconque des revendications 10 à 12.
14. Le capteur d'images selon la revendication précédente, dans lequel le circuit de lecture (2) est un circuit logarithmique.
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