FR2682815A1 - Detecteur photosensible a resolution amelioree. - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne les détecteurs infrarouge et plus spécialement les détecteurs matriciels ou linéaires comportant des diodes au siliciure de platine comme éléments détecteurs. Pour éviter une perte de résolution par apparition d'images parasites entourant les zones brillantes de l'image, on propose selon l'invention d'amincir le substrat (10) qui porte les diodes, de placer une couche réfléchissante (20) et d'éclairer le détecteur par la face avant du substrat (celle qui porte les diodes). De préférence la technologie utilisée consiste à reporter le substrat aminci sur un substrat plus épais avec interposition de la couche réfléchissante entre les deux. Cela permet notamment d'assurer facilement le refroidissement du détecteur de manière à réduire son courant d'obscurité.

Description

DETECTEUR PHOTOSENSIBLE
A RESOLUTION AMELIOREE
La présente invention concerne les détecteurs photosensibles multipoints, soit en barrettes soit en matrices.
Elle concerne notamment les détecteurs dont les éléments photosensibles sont des diodes Schottky. Les détecteurs à diodes
Schottky au siliciure de platine sur silicium, servant à la détection de rayonnements infrarouge de quelques micromètres de longueur dronte, sont tout particulièrement concernés.
On connaît des détecteurs photosensibles dont les éléments photosensibles sont constitués par des diodes à jonction PN polarisées en inverse. Elles sont réalisées par une diffusion superficielle de type de conductivité N dans un substrat semiconducteur de type P (ou le contraire). La détection se produit par absorbtion du rayonnement clans le substrat, ce qui engendre des charges électriques, et ces charges viennent se stocker à la jonction du fait de la polarisation inverse de celle-ci. Mais le semiconducteur utilisé en pratique (le silicium) est assez transparent aux longueurs d'ondes qu'on cherche à détecter (lumière visible). Le substrat semiconducteur doit donc être suffisamment épais pour absorber suffisamment le rayonnement, faute de quoi la sensibilité du détecteur est trop faible. Un critère de sensibilité est donc l'existence d'un trajet optique de longueur importante entre l'entrée du rayonnement et sa sortie. I1 faut donc en pratique une épaisseur de substrat importante sous la jonction PN.
Mais il existe pourtant des raisons pour préférer amincir le substrat sous la jonction. L'une des raisons est qu'il est souhaitable de déplèter le plus possible le substrat sous la jonction. Pour cela on applique une tension sur la face arrière du substrat par l'intermédiaire d'une métallisation. Mais si le substrat est trop épais, la tension à appliquer est élevée. Elle n'est pas compatible avec les tensions quton utilise par ailleurs pour les semiconducteurs. On amincit donc le substrat, au détriment de la longueur du trajet optique. Dans une réalisation particulière, on a proposé d'utiliser la métallisation de face arrière du substrat (nécessaire pour la déplétion du substrat) comme surface réfléchissante, l'éclairement étant effectué par la face avant. Cela permet d'allonger le trajet optique qui est défavorablement réduit par l'amincissement du substrat. On compense donc ainsi partiellement le défaut qui est introduit dans le cas des jonctions PN par l'amincissement du substrat.
Une autre raison pour amincir le substrat est qu'on souhaite parfois éclairer le photodétecteur par l'arrière du substrat. La face avant est celle qui porte les jonctions de détection. Elle porte aussi des conductexlrs servant à recueillir les signaux; ces conducteurs sont gênantes; en éclairant le substrat par la face arrière on n'est pas gêné. Mais alors il ne faut pas un substrat épais car la majeure partie des charges électriques serait créée loin de la jonction qui doit les recueillir; il en résulterait un mélange d'informations entre points photosensibles voisins sur la face avant et une réduction de sensibilité due à la recombinaison de charges avant qu'elles n'aient atteint la jonction.
Quelle que soit la raison de l'amincissement, déplétion facilitée ou éclairage par la face arrière, on a envisagé des substrats pouvant descendre jusqu'cet 10 rnicromètres d'épaisseur au lieu de quelques centaines de micromôtres pour un substrat classique.
Si on réduit l'épaisseur du substrat la technologie de fabrication devient cependant beaucoup plus compliquée car il faut tenir compte de la fragilité des pièces amincies et bien entendu des opérations supplémentaires nécessaires pour l'amincissement.
Pour la détection de certaines longueurs d'onde ces détecteurs à jonction PN ne conviennent pas. C'est le cas en particulier pour l'infra rouge. En effet le substrat est très transparent à ces longueurs d'onde et il faudrait une épaisseur de substrat tout-à-fait incompatible avec d'autres paramètres, en tout cas dans le cas de détecteurs d'image linéaires ou matriciels. L'obtention d'une bonne résoltltion d'image est un de ces paramètres.
Une autre technique de détection a donc été imaginée. Elle est appliquée notamment à la détection infrarouge autour de 3 à 5 micromètres, mais peut être envisagée pour d'autres longueurs d'onde. L'élément détecteur est une diode Schottky, c'est-à-dire un dépôt métallique (métal ou alliage de métaux) sur semiconducteur peu dopé, engendrant une barrière de potentiel; dans le cas de la détection autour de 3 à 5 micromètres, la diode est en siliciure de platine sur substrat de silicium. La détection ne se produit pas dans le substrat car celui-ci est transparent aux longueurs d'onde considérées. Elle se produit dans la jonction elle-même. C'est pollrquoí l'épaisseur du substrat n'intervient pas; aucune des raisons pour lesquelles on amincit le substrat pour les détecteurs à jonction PN ne peut être invoquée pour les détecteurs à diodes Schottky d'une part la taille de la zone à dépléter sous la diode
Schottky n'ayant pas d'importance, on n'a donc pas besoin d'amincir le substrat pour faciliter llne telle déplétion; d'autre part le substrat est transparent et il n'est pas gênant quelle que soit son épaisseur même si on éclaire par la face arrière. Et évidemment la technologie est beaucoup plus simple avec un substrat d'épaisseur classique de plusieurs centaines de micromètres, ce qui n incite évidemment pas à réduire cette épaisseur.
La présente invention a pour but d'améliorer la résolution des capteurs d'image multipoints comportant des éléments photosensibles à diode Schottky (notamment au siliciure de platine pour la détection infrarouge) toit en maximisant le rendement de conversion photoélectrique.
Selon l'invention on propose un détecteur photo sensible comportant plusieurs éléments photosensibles constitués chacun par une diode Schottky formée sur la face avant d'un substrat semiconducteur, caractérisé en ce que le substrat a une épaisseur inférieure à quelques dizaines de micromètres et en ce qu'une couche réfléchissante est disposée contre la face arrière du substrat.
L'amincissement permet de minimiser les trajets optiques à l'intérieur du substrat, évitant que des rayons lumineux incidents sur un élément photosensible et non totalement absorbés sofent renvoyés, après réflexion sur la face arrière du substrat, vers d'autres éléments photosensibles éloignés du premier.
Le substrat étant aminci, il est important de le réaliser avec une technologie qui tienne compte de sa fragilité. Selon l'invention, on propose de coller le substrat aminci par sa face arrière sur un substrat rigide, une couche réfléchissante étant interposée entre le substrat aminci et le substrat rigide.
On propose donc selon l'invention un détecteur photosensible comportant un substrat semiconducteur très mince d'épaisseur inférieure à quelques dizaines de micromètres, portant sur sa face avant des éléments photosensibles, caractérisé en ce que le substrat très mince est collé par sa face arrière contre un substrat plus épais avec interposition entre les deux d'une couche réfléchissante, le substrat plus épais assurant la rigidité mécanique et une conduction thermique en vue du refroidissement des éléments Evhotosensibles.
La couche réfléchissante peut être formée sur le substrat aminci (à l'arrière) ou sur le substrat épais (à l'avant).
Le substrat aminci n'a pas besoin d'être transparent ou d'avoir des propriétés optiques particulières. I1 est de préférence bon conducteur de la chaleur ; il peut être bon conducteur de l'électricité pour constituer un plan de référence de potentiel.
Si le substrat aminci est bon conducteur de la chaleur (silicium, saphir, céramique par exemple, ou même métal), il pourra être placé sur un radiateur de refroidissement ou même un doigt de cryostat refroidi à l'azote liquide il est très important en effet de refroidir les détecteurs photosensibles, tout particulièrement les détecteurs infrarouge, pour réduire au maximum leur courant d'obscurité.
Dans l'art antérieur, lorsqu'on montait des substrats amincis sur des substrats rigides (on le faisait pour des diodes à jonction PN), l'éclairement se faisait à travers le substrat rigide et on ne pouvait pas placer la face arrière de ce substrat en contact sur toute sa surface avec un cryostat. Ou alors on éclairait à travers le substrat après avoir collé celui-ci face à l'envers sur un substrat rigide ; mais alors il était difficile, voire impossible de mettre une métallisation entre le substrat aminci et le substrat épais.
C'est pourquoi l'invention propose un photodétecteur comportant un substrat aminci portant des photodétecteurs, collé par sa face arrière sur un substrat rigide, avec interposition d'une couche réfléchissante.
La couche réfléchissante est de préférence une couche métallique, par exemple de l'aluminium.
Une couche isolante peut être disposée entre le substrat aminci et la couche réfléchissante.
Le substrat épais peut être notamment en silicium, ou en saphir, ou en céramique (alumine). S'il est en silicium il est de préférence dopé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins anllexés dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement un détecteur matriciel à diodes Schottky de l'art antérieur;
- la figure 2 représente schématiquement un détecteur matriciel à diodes Schottky selon l'invention;
- la figure 3 représente les différentes phases de fabrication d'un détecteur selon l'invention.
Sur la figure 1, qui représente très schématiquement un détecteur infrarouge classique, on a désigné par 10 un substrat de silicium, sur la face avant duquel sont intégrées des diodes de détection 12 en siliciure de platine. T,e plus souvent une couche d'oxyde de silicium 14 recouvre la face arrière du substrat pour faciliter l'introduction sans réflexion du rayonnement infrarouge arrivant par la face arrière.
Le plus souvent aussi, les diodes de siliciure de platine 12 sont elles-mêmes recouvertes par une sorte de cavité optique constituée par une couche d'oxyde de silicium 16 puis une couche d'aluminium 18 formant miroir pour renvoyer vers l'arrière le rayonnement lumineux après qu'il a traversé la diode; étant donné que l'absorption dans la diode nrest guère que de 0,5%, on a en effet intérêt à faire passer le rayonnement deux fois à travers la diode grâce à ce miroir. L'épaisseur de la couche 14 est de préférence choisie pour que le rayonnement lumineux réfléchi par le miroir soit approximativement en phase avec le rayonnement incident, aux environs du centre de la bande de longueurs d'onde à détecter.
Là où le miroir est bien perpendiculaire au plan du substrat, le rayonnement est réfléchi perpendiculairement vers l'arrière et ressort du substrat.
Mais là où des surfaces réfléchissantes obliques sont présentes, que ce soit des portions obliques du miroir ou d'autres surfaces inclinées ou toute autre cause de réflexion oblique, une fraction importante de rayonnement peut être réémise vers l'arrière avec une incidence telle qu'elle ne puisse pas ressortir du substrat; cette fraction est renvoyée à nouveau vers les diodes de siliciure de platine, mais loin de l'endroit d'incidence initiale.
I1 faut comprendre que ce phénomène est d'autant plus important que le rayonnement réfléchi est peu atténué puisque l'atténuation dans les diodes de siliciure de platine n'est guère que de 1% après passage dans les deux sens.
Si le substrat a par exemple une épaisseur de 500 micromètres et si une fraction importante de rayonnement est réfléchie par exemple avec une incidence d'environ 300 par rapport à la normale, il se produira une image parasite à environ 500 micromètres de distance de l'image principale, c'est-à-dire à une vingtaine de pixels de distance pour des dimensions de pixels de l'ordre de 25 micromètres.
Selon l'invention, on propose de réduire l'épaisseur du substrat jusqu'à des dimensions de quelques dizaines de micromètres, de placer une couche réfléchissante à l'arrière du substrat, et d'éclairer les diodes Schottky par la face avant du substrat; de préférence même le substrat est aminci jusqu a une dizaine de micromètres seulement.
I1 résulte de cette structure amincie que les mêmes faisceaux réfléchis obliquement créeront une image parasite très près de l'image principale (c'est-à-dire qu'en fait elles atténueront légèrement le contraste sans créer vraiment d'image parasite). Cela vient de la diminution des trajets optiques à travers le substrat.
La figure 2 représente schématiquement l'invention. De même qu'à la figure 1, les échelles de dimensions ne sont pas respectées pour que la structure générale reste intelligible.
Le substrat de silicium 10 est très fortement aminci par l'arrière. L'épaisseur finale est inférieure à environ 50 micromètres; elle est en principe comprise entre environ 50 micromètres et environ 10 micromètres.
L'amincissement est effectué après intégration des éléments photosensibles dans un substrat semiconducteur dont l'épaisseur est au départ par exemple de 250 à 500 micromètres.
L'intégration des éléments photosensibles peut être effectuée comme dans la technique antérieure (technŭes d'intégration monolithique sur silicium).
Une couche réfléchissante 20, de préférence en un métal tel que l'aluminium, est formée à l'arrière du substrat aminci.
Comme l'éclairement se fait maintenant par l'avant, les miroirs réfléchissants 18 sont supprimés. Les diodes Schottky de détection sont de préférence recouvertes par une couche d'adaptation optique 22 destinée à faciliter la pénétration du rayonnement incident dans le siliciure de platine.
Sur la figure 2 la couche réfléchissante est représentée déposée directement sur le substrat. Toutefois, une fine couche isolante (quelques dizaines d'angströms) peut subsister entre le substrat et la couche réfléchissante.
Le schéma de la figure 2 est un schéma de principe. Pour la réalisation pratique de ce détecteur, on va de préférence reporter le substrat aminci sur un substrat plus épais.
La technologie de report qui constitue un aspect important de l'invention va maintenant être décrite en référence aux figures 3a à 3c.
On part d'un substrat semiconducteur 10 d'épaisseur normale sur lequel on va réaliser les éléments photosensibles 12. Le substrat est de préférence en silicium peu dopé de type
P.
Son épaisseur est classiquement de plusieurs centaines de micromètres, par exemple 500 micromètres.
Les éIéments photosensibles sont réalisés selon des techniques d'intégration monolithique habituelles sur la face avant du substrat. Pour des diodes Schottky on dépose un métal directement sur la surface semiconductrice et on le grave. Le siliciure de platine est utilisé pour la détection infrarouge.
figure 3a.
On amincit alors le substrat 10. L'amincissement peut être uniquement mécanique, par rodage. il est effectué sur toute la face arrière. On peut atteindre ainsi une épaisseur qui est par exemple d'environ 50 micromètres. Cet amincissement mécanique peut être poursuivi au delà jusqu'à descendre à une épaisseur encore plus faible, éventuellement jusqu a une dizaine de micromètres; alternativement il peut aussi être complété par une attaque chimique dans un bain de gravure attaquant le silicium, à condition bien entendu de protéger la face avant du substrat.
L'attaque est alors faite par exemple avec un mélange d'acides chlorhydrique (ou fluorhydrique), nitrique et acétique.
On peut alors métalliser la face arrière du substrat en y déposant une couche d'aluminium 20. figure 3b.
Puis on reporte le substrat aminci sur un substrat plus épais 30 servant à assurer la tenue mécanique et éventuellement la conduction athermique, surtout dans le cas des détecteurs devant être refroidis pour limiter le courant d'obscurité. La couche réfléchissante 20 est alors située entre le substrat aminci 10 et le substrat de support 30. figure 3c.
Le report est fait par simple collage.
On pourrait envisager aussi que la couche réfléchissante est formée sur le substrat plus épais. Toutefois, dans le cas de l'aluminium cela pose un problème car il faut effectuer le collage dans des conditions où I'aluminium ne se recouvre pas d'une fine couche d'alumine qui diminuerait son pouvoir réflecteur. Avec d'autres métaux (chrome) cela ne pose pas de problème. Cela présente l'avantage de permettre si on le désire une fabrication des éléments photosensibles sur le substrat aminci après collage sur le substrat épais.
Le substrat 30 plus épais peut avoir une épaisseur de plusieurs centaines de micromètres. Il est de préférence dans une matière compatible avec les opérations de découpage classique de puces à partir de tranches entières, de manière qu'on puisse réaliser plusieurs puces de détecteurs simultanément à partir d'une même tranche semiconductrice amincie collée sur une tranche de substrat épais.
Le substrat 30 peut être en silicium, par exemple du silicium dopé pour constituer un contact ohmique avec la couche métallique 12 (la colle utilisée étant alors de préférence une colle conductrice). I1 peut cependant aussi être en saphir voire en céramique. I1 n'a en tout cas pas besoin d'être transparent.
Une couche d'adaptation optique 22 peut être formée au dessus de la face avant du substrat aminci à différents stades du procédé, c'est-à-dire soit avant ou après amincissement, et avant ou après report sur le substrat épais.
Après découpage des détecteurs en puces individuelles, on peut monter les détecteurs dans des boîtiers adaptés à l'usage définitifs des détecteurs. Un montage en boîtier céramique sera utilisé de préférence si le détecteur doit être refroidi par cryostat. Dans ce cas, contrairement aux technologies de l'art antérieur sur substrat aminci, la conduction thermique est excellente car elle se fait directement sous les éléments photosensibles, à travers seulement les épaisseurs des deux substrats superposés.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Détecteur photosensible comportant plusieurs éléments photosensibles constitués chacun par une diode Schottky (12) formée sur la face avant d'un substrat semiconducteur (10), caractérisé en ce que le substrat a une épaisseur inférieure à quelques dizaines de micromètres et en ce qu'une couche réfléchissante (20) est disposée contre la face arrière du substrat.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche réfléchissante est une couche métallique, de préférence de l'aluminium.
3. Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur très mince (10) est collé par sa face arrière contre un substrat plus épais (30), la couche réfléchissante étant interposée entre les deux substrats.
4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat épais est en silicium, saphir ou céramique.
5. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat épais est en silicium dopé.
6. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments photosensibles sont des diodes Schottly au silicium de platine sur silicium.
7. Détecteur photo sensible comportant un substrat semiconducteur très mince (10) d'épaisseur inférieure à quelques dizaines de micromètres, portant sur sa face avant des éléments photosensibles, caractérisé en ce que le substrat très mince est collé par sa face arrière contre un substrat plus épais (30) avec interposition entre les deux d'une couche réfléchissante (20), le substrat plus épais assurant la rigidité mécanique et une conduction thermique en vue du refroidissement des éléments photosensibles.
8. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche réfléchissante est formée sur le substrat aminci.
9. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche réfléchissante est formée sur le substrat épais.
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