FR2484705A1 - Dispositif a image a deux dimensions a l'etat solide, en rayonnement electromagnetique et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF A IMAGE A L'ETAT SOLIDE A DEUX DIMENSIONS ET SON PROCEDE DE REALISATION. LES DETECTEURS DU RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE INCIDENT (FLECHE) SONT DES JONCTIONS PHOTOCONDUCTRICES PN 100 SANS LIEN ENTRE ELLES; ELLES SONT SOUDEES SUR LE SUBSTRAT DE LECTURE 1 PREALABLEMENT RECOUVERT D'UNE COUCHE ISOLANTE 3 PROTEGEANT LES CELLULES DE LECTURE (NON REPRESENTEES COMME NON COMPRISES DANS L'INVENTION). DEUX CONNEXIONS 20, 21 ET 31, 33 RELIENT CHAQUE JONCTION AU SUBSTRAT ET A L'ENTREE 11 D'UNE DE CES CELLULES. LE PROCEDE PREVOIT INITIALEMENT DEUX SUBSTRATS PLANS 1 ET 2 SOUDES L'UN A L'AUTRE SUR LA TOTALITE DE L'UNE DE LEUR FACE (SOUDURE 20), DES GRAVURES SUCCESSIVES NE LAISSANT SUBSISTER DU SECOND QUE LES PORTIONS SEPAREES 100 ET SEULEMENT UNE PARTIE DE LA SOUDURE. APPLICATION A LA TECHNIQUE DES IMAGES EN INFRAROUGE.

Description

L'invention concerne un dispositif image à tat solide ; elle concerne aussi son procédé de fabrication.

Ce genre de dispositifs comporte généralement une matrice d'éléments ponctuels ou déments detecteurs, capteurs du rayonnement électromagnétique incident, répartis par exemple rdgulierement suivant des lignes et des colonnes rectangulaires,et des e'le'nients, en nombre égal aux précédents, ou elements ou cellules de lecture, associés chacun à un élément détecteur différent de la matrice et fournissant chacun un signal électrique, l'ensemble des signaux fournis par les éléments constituant l'image électrique point par point de l'image électromagnétique incidente.L'image électromagné- tique-en question est traitée suivant des modalités diverses dépenS dant de l'organisation d'ensemble du systeme de lecture auquel sont incorporés ces éléments formés par les cellules en question
Tous les éléments aussi bien détecteurs que lecteurs sont des éléments à l'état solide.

Ces dispositifs à l'état solide sont utilisés notamment dans le domaine des radiations optiques- > infrarouge en particulier. Ils sont connus de l'art antérieur, dans lequel ils ont donné lieu à diverses formes de réalisation : détecteurs et lecteurs sont des éléments de substrats semiconducteurs, un contact électrique étant établi entre les deux éléments qui se correspondent
Dans certaines réalisations de l'art antérieur, les détecteurs et les éléments de lecture sont formés dans un seul et meme substrat oh ils sont placés côte à côte.Cette forme de réalisation, quoique simple, a l'inconvénient d'imposer au substrat de présenter à la fois de bonnes qualités de détection et de lecture, ce qui en limite beaucoup le choix ; pratiquement, on ne connait guère que le silicium qui puisse convenir à l'état extrinsèque dans ce cas.

Dans une autre forme de réalisation connue, détecteurs et lecteurs sont formés dans deux substrats distincts juxtaposés, entre lesquels sont établies les connexions électriques nécessaires au moyen de conducteurs reliant chacun des détecteurs au lecteur correspondant. Un tel réseau de conducteurs relave d'opérations délicates qui limitent cette forme de réalisation à des matrices à petit nombre d'éléments.

Dans une troisième forme (voir notamment le brevet délivré aux
Etats-Unis d'Amérique : USP 3,808,435) utilisant également deux substrats distincts l'un de l'autre, ceux-ci sont appliqués l'un sur l'autre sur la totalité de l'une de leurs faces, les connexions entre chaque détecteur et chaque lecteur étant faites par un dépôt de soudure dont on provoque la fusion après la mise en place de l'un des substrats sur l'autre.Ici, l'on se heurte à un autre genre de difficulté : du fait que ces deux substrats sont généralement de nature différente, par suite des différences entre les propriétés qui leur sont demandées pour la détection et la lecture,- ils présentent des propriétés physiques différentes, un coefficient de dilatation thermique en particulier ; des contraintes apparaissent alors à l'interface entre les deux substrats lorsqu'on modifie leur température ; la qualité du contact électrique entre éléments correspondants établi au moment de la fusion du matériau de soudure se conserve alors difficilement en fonctionnement, où le dispositif est généralement porté à une température très inférieure à celle atteinte lors de cette fusion, surtout dans les cas d'un fonctionnement en infrarouge, où la température en question est dans le domaine crSogénique, par eremple - .770 E ; la position de l'un des réseaux par rapport à l'autre s'en trouve également affectée.

Ce sont là les inconvénients de cette solution à deux substrats distincts appliqués l'un sur l'autre.

La présente invention a pour objet un dispositif de prise de vues-à l'état solide ne présentant pas les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur mentionnés ci-dessus. Elle sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent, les mêmes repères désignant les memes éléments - figure 1 : une vue en perspective d'un fragment d'une variante de réalisation du dispositif de l'invention - figures 4 à 7 : des coupes schématiques montrant la disposition des éléments détecteurs et de l'élément de lecture qui lui est associé, dans diverses variantes du dispositif de l'invention.

- figures 2 et 3 : le schéma électrique équivalent (figure 5 un ensemble élémentaire détecteur, lecteur (figure 2-) , - figures 8 (a) à 8 (e):des coupes schématiques montrant dans une de ses variantes les différentes étapes du procédé de réalisation de l'invention.

La figure t représente en perspective un fragment dtun dispositif à image à l'état solide de l'invention, dans l'une de ses variantes. Sur la figure on voit un premier substrat plan t de forme parallélépipédique dans lequel sont formés les éléments de lecture. Sur la constitution de ces éléments qui ne seront pssx représentés sur les dessins, il ne sera pas donné de précisions, car ils sont supposés connus de l'art antérieur et à ce titre non compris dans l'invention.Ils consistent, par exemple, en éléments, ou cellules, d'un dispositif à transfert ou inJection de charges intégrés dans le substrat-suivant une-technique bien connue maintenant depuis plusieurs années, notamment dans leurs variantes désigeées dans la littérature anglo-saxonne sous les initiales de CCD (Charge
Coupled Device) ; on pourra se reporter-à ce sujet à l'article de
W.S. BOYIS et G.E. SMITH, intitulé "Charge Coupled Semiconductor
Devices", publié dans la revue "The Bell System Technical Journal" d'Avril 1970, pages 587 à 593. On indiquera à leur sujet que chacun de ces éléments de lecture comporte une entrée, intégrée également dans le substrat. Ces entrées portent le repère 1t sur la figure ; on y reviendra plus loin#. Il ne sera rien dit non plus sur la technique, connue, de réalisation d'un tel système de lec- ture, ni sur les fonctions qu'il-assure, intégration, multiplexage, amplification, adressage, etc. , qui sont en dehors de l'invention .

Le système de lecture en question, intégré dans-le substrat i, est recouvert sauf à l'endroit de ces entrées par une couche--qui en isole les éléments du reste du dispositif. Cette couche, en un matériau isolant de l'électricité, porte le repère 3 sur la figure, Le reste du dispositif comporte les éléments détecteurs du rayonnement incident,le nombre##eces entrées étant égal à celui des détecteurs,consistant par exemple en des jonctions pn d'un matériau photoconducteur; ces jonctions photovoltaïques portent le repère 100 sur le.dessin.Ils sont, dans le dispositif de l'invention, et quelles qu'en soient les variantes, séparés les uns des autres dans l'état final du dispositif, bien que tous initialement formés, comme on le verra, selon le procédé l'invention, dans un seul et même second substrat semi-conducteur de forme semblable au premier, et détachés seulement ensuite les uns des autres par les opérations successives de préparation du dispositif. Ils sont posés dans l'exemple de la figure, sur le substrat 1 suivant des lignes et des colonnes rectangulaires à l'endroit des entrées 11 ; chacun d'eux est relié électriquement à l'entrée sur laquelle il est posé, par un revête- ment conducteur 20 ménagé entre les deux par divers moyens suivant les variantes de réalisation.

Ces entrées sont l'une des connexions par lesquelles les éléments détecteurs sont reliés au substrat 1 et aux circuits de lecture.

Dans l'exemple ces entrées consistent en des zones de diffusion de signe déterminé (surfaces couvertes de points) réalisée dans le substrat de lecture 1 conformément aux techniques de l'état solide.

l'autre connexion des éléments détecteurs au substrat de lecture 1 est réalisée par un conducteur consistant, dans l'exemple, en un dépôt métallique fait sur une couche en un matériau isolant de l'électricité recouvrant l'ensemble des éléments détecteurs, comme le montre le dessin ; cette couche porte le repère 30, tandis que le repère 31 désigne le dépôt conducteur en question, qui traverse celle-ci par l'ouverture 32.

Ces conducteurs 31 sont eux-mêmes reliés à un réseau d'électrodes 33 formé sur la couche 30 et dont la disposition dépend de l'organisation générale du dispositif et des fonctions de lecture à assurer. A titre indicatif, il a été représenté dans l'exemple comme consistant en un ensemble de conducteurs 33 déposés sur la même couche 30 et parallèles aux lignes de détecteurs.

les signaux engendrés dans les éléments détecteurs par le rayonnement électromagnétique incident (flèche ondulée) sont ainsi transmis au substrat et aux éléments de lecture, puis à l'ensemble du système de lecture",
Sur la figure 2 est schématisé l'ensemble d'un élément détee- teur 100 et de l'élément de lecture en contact électrique avec lui, dont on n'a représenté que l'entrée ; la figure 3 donne le schéma électrique équivalent de cet ensemble.Sur ces figures, le point  représente l'emplacement du contact entre le détecteur 100 et l-'en- trée Il de l'élément de lecture qui lui correspond Sur le schéma de la figure 3, id désigne le courant dans la photodiode 100, Rd et
Cd sa-résistance et sa capacité, et gm sa transconductance.

C désigne le capacité d'entrée de l'élément de lecture.

m
La structure selon l'invention décrite ci-dessus est une structure monolithique composée du substrat de lecture et des détecteurs à l'état solide posés sur celui-ci Mais contrairement au cas de la réalisation à deux substrats superposés de l'art antérieur dont il a été question, cette structure,' dans laquelle les détecteurs sont séparés les uns des autres, permet, sans s'exposer aux inconve- nients signalés, de choisir indépendamment l'un de l'autre les matériaux constitutifs du substrat de lecture et des éléments détecteurs, notamment en ce qui concerne leur coefficient de dilatation thermique.

Un matériau préféré pour le substrat de lecture.des dispositifs de l'invention est le silicium de type p ; dans ce cas, les entrées 11 de la figure consistent en des diffusions de type n. Quant aux diodes pn utilisées comme détecteurs, elles sont réalisées en un matériau semiconducteur choisi d'après ses propriétés photosensibles. Dans le cas de prise de vues en rayonnement infrarouge le tellurure de plomb, Pb Te, et le tellurure de plomb et d'étain
Pbm Snn Te , conviennent particulièrement bien.

Dans ce qui précède, on a décrit l'une des formes de réalisation du dispositif de prise de vues à l'état solide de l'invention. Cette dernière admet diverses autres variantes dont des exemples sont représentés schématiquement sur les figures jointes.

les figures 4 à 7 montrent, dans le cadre de l'invention, diverses dispositions relatives possibles de l'élément détecteur et de l'entrée de l'élément de lecture qui lui est associé
Sont également comprises dans l'invention toutes les autres variantes, non représentées, dérivées des précédentes et à la portée de l'homme de l'art. Dans toutes les formes de#l'invention, les éléments détecteurs sont séparés les uns des autres.

Dans toutes les variantes représentées sur les figures 4 à 7, on a supposé le substrat de lecture 1 de type p et l'entrée des éléments de lecture de type n, comme dans celle objet de la figure 1, et dont le schéma est#représenté sur la figure 4. Mais il va sans dire que l'invention s'applique également au cas d'un substrat de lecture de type n avec des entrées de type p . Les éléments détecteurs sont des jonctions pn dont on a représenté sur les schémas les deux connexions avec le substrat de lecture 1. Il va sans dire aussi qu'avec un substrat de lecture de type n au lieu de type p il y aurait lieu d'intervertir les types des couches constitutives de ces jonctions. les connexions en question portent les repères 101 et 102 sur les trois derniers schémas (figures 5-7), et les repères 20 et 31, pour conserver les notations de la figure 1, sur le schéma 4. La connexion 101 est celle reliant la diode 100 à l'entrée qui-lui correspond, -chaque diode étant reliée à une entrée différente, et la connexion 102 celle la reliant au reste du substrat.Certaines d'entre elles consistent en des dépôts sur le substrat de lecture 1 ou sur la couche isolante 3, qui le recouvre ; les autres au contraire ont été représentées comme de simples conducteurs, l'objet principal de ces schémas n'étant pas ces connexions elles-mêmes, ni leur mode de réalisation, emprunté à l'art, mais la position des détecteurs sur le substrat de lecture : sur le substrat 1 lui-même dépourvu à cet endroit du revetement isolant 3 dans l'exemple de la figure 5 ; sur l'isolant 3 dans les exemples des figures 6 et 7, différant entre eux par le type, n ou p, de la couche de la jonction reposant sur l'isolant.

Enfin, sur les trois derniers de ces schémas, la couche isolante 30, de la variante de la figure 1 qui est, dans le cadre de l'invention, l'un des moyens possibles de supporter les connexions 31-33 a été volontairement omise.

La préparation des dispositifs de l'invention a lieu comme il va être indiqué ci-dessous. On utilisera pour cela pour fixer les idées les figures 8 (a) à 8(e) , correspondant à~la disposition des figures 1 et 4, où les éléments détecteurs sont disposés sur le substrat 1 aux endroits des entrées de lecture ; le meme pro cédé s'applique à toutes les autres variantes de disposition de l'invention.

Un premier substrat semi-conducteur plan 1 est préparé sous forme par exemple d'une plaquette parallélépipédique. On y forme sur l'une de ses faces les entrées 11 par diffusion d'impuretés de type oppa-- sé à celles du substrat ; on y forme également l'ensemble des cellules de lecture suivant le schéma choisi ; on a dit que ces cellules de lecture peuvent etre celles d'un système à transfert de charges tel que connu de l'art. Par toute technique connue, on dépose sur cette face une couche en un matériau isolant de l'électricité 3 la recouvrant en-totalité en dehors des diffusions en question (figure 8(a))ou en partie seulement.

On prépare un second substrat semi-conducteur 2 de nême forme que le précédent et de dimensions légèrement inférieures, choisi d'après ses propriétés photosensibles en rapport avec la fréquence du rayonnement incident, figure 8 (b). Sur ce substrat, on forme une jonction p-n par hétéro--épitaxie - par - exemple.

Dans une disposition préférée, on choisit un substrat en tellurure de plomb de type n, sur l'une des faces duquel on réalise, par tout moyen connu, une jonction pn au moyen d'un corps présentant une bande interdite plus faible que le tellurure de plomb, à savoir le tellurure d'étain et de plomb de formule chimique Pbo 8 Sn02 Te.

Par tout procédé connu, on en rev8t une face d'un dépôt conducteur de l'électricité 20 (fig.8b)constitué d'un matériau de soudure tendre, l'indium par exemple. On applique ensuite le second substrat sur le premier par sa face recouverte du dépôt conducteur 20 et l'on provoque la fusion du matériau de soudage.

Par un polissage, ou tout autre moyen mécanique ou chimique d'amincissement, on réduit l'épaisseur du substrat 2 soudé sur le substrat 1 de manière à ne laisser qu'une faible épaisseur de matériau au dessus de la jonction pn figure 8 (c).

Par une première gravure, on élimine ensuite en partie le second substrat de façon à.n'en laisser subsister que des îlots 100, séparés les uns des autres et formant la mosalque détectrice. Cette opération peut s'effectuer avec les procédés de photolithographie connus. Cette opération se fait généralement en deux temps à savoir
-.amincissement du substrat, uniformément,
- séparation des ilots.

On élimine ensuite par une seconde gravure, selon toute technique connue, le matériau de soudage en tout ou partie sauf sous les jonctions. figure a(d).

Enfin, on assure la deuxième connexion de la diode par un revêtement conducteur reliant celle-ci au substrat 1 dans le cas de l'exemple, ou aux entrées il dans le cas d'autres variantes, et notamment celles décrites. Ces connexions peuvent être effectuées par les moyens de photogravure classiques et permettre d'ordonner collectivement les diodes en lignes ou en groupes de dio-des connectées entre elles. Dans le cas de l'exemple, ce revêtement conducteur 31 est déposé sur une couche 30 en matière isolante recouvrant toutes les diodes 100 et percée de trous 32 au dessus de chacune d'elles, figure 8(e).

Dans une autre variante du procédé, la préparation des diodes, au lieu d'avoir lieu avant soudage, est faite après amincissement du substrat 2, ou encore après gravure du substrat 2 isolant les îlots par diffusion d'impuretés par exemple, en utilisant les mêmes maté- riaux que dans la variante précédente.

Par la fusion de la soudure constituant la couche 20, se trouve assuré le contact recherché entre la diode 100 et le dispositif de lecture, même si initialement,comme dans le cas des schémas 4 (et figure 1) et 5,celle-ci se trouve à une certaine distance du substrat de lecture 1 du fait qu'elle est posée sur la couche isolante 3 . Celle-ci présente en effet une épaisseur qui ne dépasse pas le micromètre, alors que la largeur de l'ouverture dans la couche 3 à l'eùdroit où est posée la diode est facilement de plusieurs dizaines de micromètres. La soudure n'a pas de difficulté à se répandre en 21 (figure 1) dans cette ouverture lors de l'opération de fusion.

Dans une variante de réalisation, la deuxième connexion de la diode est faite par un revêtement conducteur uniforme transparent au rayonnement à détecter.

D'une façon générale, les matériaux photodétecteurs utilisés peuvent etre les composés suivants : Pt1 x Snx Te, comme dans l'exemple citévou d'autres tels que Cdl,x Egx Te, InSb##bi#xSnxSe
lorsque la jonction pn est formée sur le substrat 2 avant
le soudage, elle peut être faite par diffusion, par hétéro-épitaxie,
ou par implantation ionique.

Claims (11)

REVENDICATIONS .

1. Dispositif à image à deux dimensions en rayonnement électromagnétique, à l'état solide, caractérisé en ce qu'il est composé - d'un substrat semi-conducteur comportant une matrice d'éléments électriques de lecture avec, sur l'une de ses faces, pour chacun d'eux, une entrée, laquelle face est recouverte au moins en partie, en dehors des endroits de ces entrées, d'un revêtement en un matériau isolant de l'électricité, et - d'éléments photo-détecteurs à l'état solideexposés à.ce rayonnement,en nombre égal au nombre de ces entrées, séparés les uns des autres, posés sur la face en question du substrat de lecture, chacun de ces éléments détecteurs étant relié électriquement à l'une de ces entrées, différente pour chacun d'eux, et à un point de ce substrat.

2. Dispositif à image suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments photo-détecteurs sont posés sur cette face à l'endroit de ces entrées.

3. Dispositif à image suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments photo-détecteurs sont posés sur cette face en des endroits exempts du revetement, autres que ces entrées.

4. Dispositif à image suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est fait de silicium.

5. Dispositif à image suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments photo-détecteurs sont faits d'un matériau semi-conducteur à faible largeur de bande interdite.

6. Dispositif à image suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments photo-détecteurs sont des jonctions p-n réalisées à partir d'un substrat en tellurure de PbTe, par hétéro-épitaxie au moyen de tellurure de plomb et d'étain de formule chimique pub0,8 SnO,2Te.

7. Dispositif à image suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur des éléments photo-détecteurs a pour formule chimique l'uns des formules Pb1 xSnxTe, Cd2 HR, InSb, Pbî#xSnxSe.

et l'autre à une des entrées, différente pour chaque jonction.

tant de 1'opération (j), dont l'une la relie au premier substrat

voltaïques à partir de ces portions ; k) réalisation de deux connexions pour chacune des jonctions résul

électriquement les unes des autres j) réalisation par diffusion notamment de jonctions pn photo

de la couche de soudure entre ces portions de façon à les isoler

des entrées i) élimination, par une seconde gravure, de certaines parties

portions séparées les unes des autres en nombre égal au nombre

du second substrat de façon à n'en laisser subsister que des

du premier g) fusion de la soudure h) élimination par gravure sur toute son épaisseur d'une partie

soudure du second étant en contact avec le revêtement isolant

d'un matériau de soudure f) application des deux substrats l1un sur lrautre, la couche de

teur photo-sensible e) dépôt sur l'une des faces de ces second substrat d'une couche

entrées d) préparation d'un second substrat plan en un matériau semi-conduc-

le substrat au moins en partie, en dehors des endroits de ces

cellules électriques de lecture 'comportant chacune: une entrée 9 c) réalisation sur cette face d'un revetement isolant recouvrant

8. Procédé de réalisation du dispositif à image suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, effectuées suivant toutes techniques connues, les opérations suivantes a) réalisation d'un premier substrat plan semi-conducteur b) réalisation sur l'une des faces de celui-ci d'un réseau de

9. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les opérations (d) et (e), la réalisation par hétéro-épitaxie notamment, d'une jonction pn sur l'une des faces du substrat, et qu'il ne comporte pas l'opération (j).

10. Procédé suivant la revendication 8, ou la revendication 9, caractérisé en ce que la réalisation de l'une des deux connexions mentionnées en (k) consiste en

A) - la réalisation d'un second revêtement isolant de l'électricité

recouvrant toutes ces jonctions ;

B) - la réalisation d'un dépôt conducteur de l'électricité sur le

second revêtement isolant atteignant chaque jonction à travers

une ouverture percée dans celui-ci au-dessus de la jonction.

11. Procédé suivant la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que l'une des deux connexions mentionnées en (k) consiste dans des parties de la couche de soudure non éliminées au cours de l'opération (i).