FR2857507A1 - Photodiode a trois zones dopees, photodetecteur incorporant une telle photodiode et procede de commande d'un tel photodetecteur - Google Patents
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Abstract
Une photodiode comprend trois zones dopées (1-3) superposées : une première zone dopée (1) adjacente à une surface (S) d'un substrat semiconducteur (100), une deuxième zone dopée intermédiaire (2) et une troisième zone dopée (3) en contact avec le volume du substrat (100). Le volume du substrat (100) et la deuxième zone dopée (2) forment respectivement une première et une seconde électrodes de la photodiode. La photodiode comprend en outre une troisième électrode en contact avec la première zone dopée (1). La troisième électrode comprend une portion intermédiaire (4) d'un premier matériau conducteur électrique disposée au contact de la première zone dopée (1), et une portion de connexion externe (5) d'un second matériau conducteur électrique disposée au contact de la portion intermédiaire (4).
Description
PHOTODIODE A TROIS ZONES DOPEES, PHOTODETECTEUR
INCORPORANT UNE TELLE PHOTODIODE ET PROCEDE DE COMMANDE
D'UN TEL PHOTODETECTEUR La présente invention concerne une photodiode du type photodiode reliée, désignée en anglais par pinned photodiode . De telles photodiodes sont utilisées notamment dans des photodétecteurs comme composants photosensibles.
La figure 1 représente une configuration connue de photodiode reliée. Elle est constituée par un empilement de trois zones dopées formées au sein d'un substrat semiconducteur 100, sous une surface S de celui-ci. Une première zone dopée 1, par exemple de type p, est située sous la surface S, jusqu'à une profondeur dans le substrat de l'ordre de 50 nanomètres environ. Une seconde zone dopée 2, de type n, s'étend parallèlement à et contre la zone 1 au sein du substrat 100, d'un côté de la zone 1 opposé à la surface S. La zone 2 s'étend jusqu'à une profondeur de 400 nanomètres environ au sein du substrat 100. Une troisième zone dopée 3, de type p, s'étend parallèlement à et contre la zone 2, d'un côté de celle-ci opposé à la zone 1. La zone 3 est en contact électrique avec le volume ( bulk ) du substrat 100, qui est généralement connecté à une masse électrique et qui constitue l'anode de la photodiode. La zone 2 constitue la cathode de la photodiode.
La photodiode ainsi constituée possède deux jonctions électriques, entre les zones 1 et 2 d'une part, et entre les zones 2 et 3 d'autre part. Cette configuration permet de supprimer le bruit de remise à zéro de la photodiode. Elle permet aussi d'augmenter la capacité de stockage dans la photodiode des charges électriques générées. En effet, une telle photodiode possède un volume de stockage des charges électriques sensiblement double de celui d'une photodiode simple.
Selon la configuration représentée à la figure 1, la zone 1 est reliée électriquement à la zone 3 par un contact direct entre les zones 1 et 3 au sein du substrat 100. Ce contact est situé à l'aplomb d'une portion P de la surface S, selon une direction D perpendiculaire à la surface S. La portion P engendre alors une diminution de la capacité de stockage de charges électriques dans la photodiode. La portion totale de la surface S occupée par la photodiode est délimitée, de façon connue, par une ceinture de matériau isolant 6 qui entoure la photodiode, par exemple du type STI ( Shallow Trench Insulator , en anglais).
Un but de l'invention consiste à réduire les inconvénients précités des photodiodes reliées.
L'invention concerne une photodiode à trois zones dopées comprenant une portion d'un substrat semi-conducteur adjacente à une surface du substrat, o et comprenant dans ladite portion du substrat: - une première zone dopée selon un premier type de dopage, et adjacente à la surface du substrat; une deuxième zone dopée selon un second type de dopage différent du premier type, et située d'un côté opposé de la première zone 15 dopée par rapport à la surface du substrat; et - une troisième zone dopée selon le premier type de dopage, et située d'un côté opposé de la seconde zone dopée par rapport à la première zone dopée.
Un volume du substrat et la deuxième zone dopée forment respectivement une première et une seconde électrodes de la photodiode. La photodiode possède en outre une troisième électrode en contact avec la première zone dopée. La troisième électrode comprend: - une portion intermédiaire d'un premier matériau conducteur électrique disposé au contact de la première zone dopée; et - une portion de connexion externe d'un second matériau conducteur électrique disposé au contact de la portion intermédiaire.
Ainsi, selon l'invention, la première zone dopée est munie d'une électrode spécifique permettant de connecter électriquement la première zone dopée par l'extérieur de la photodiode. En particulier, la première zone dopée peut être connectée électriquement au volume du substrat par l'intermédiaire de la troisième électrode. Elle peut aussi être connectée à une source de potentiel électrique permettant d'appliquer à la première zone dopée un potentiel électrique différent de celui du volume du substrat.
Un premier avantage de l'invention réside dans l'absence de contact direct au sein du substrat entre les première et troisième zones dopées. Aucune portion de la surface du substrat n'est donc inhibée par un tel contact direct. Il en résulte une capacité de stockage de charges électriques dans la photodiode accrue, par rapport à la portion de surface du substrat occupée par la photodiode.
Un second avantage de l'invention résulte de la structure de la troisième électrode. Cette structure permet de sélectionner pour la portion intermédiaire un premier matériau conducteur adapté pour établir un bon contact électrique avec la première zone dopée, sans endommager celle-ci. Le second matériau conducteur de la portion de connexion externe peut être sélectionné indépendamment du matériau du substrat. ll peut être sélectionné notamment en fonction de la technologie utilisée pour la fabrication de connexions électriques. Les premier et second matériaux conducteurs peuvent alors être différents.
L'invention concerne aussi un photodétecteur comprenant une photodiode du type précédent, et comprenant un circuit de commande relié par une première borne au volume du substrat et par une seconde borne à la portion de connexion externe. Le circuit de commande est agencé pour appliquer à la portion de connexion externe un potentiel électrique variable entre un premier instant de génération de charges électriques dans la photodiode et un second instant d'un transfert des charges électriques générées hors de la photodiode, le potentiel électrique du volume du substrat étant pris comme référence.
Un tel photodétecteur permet d'adapter le potentiel électrique de la première zone dopée de la photodiode, au cours d'un cycle de fonctionnement du photodétecteur. En particulier, le potentiel électrique appliqué à la portion de connexion externe est choisi pour accroître la quantité de charges électriques 3o qui peut être stockée dans la photodiode lors d'une étape de photo- génération de charges électriques. La dynamique du photorécepteur s'en trouve ainsi accrue.
L'invention concerne enfin le procédé de commande d'un photodétecteur du type précédent.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un mode de réalisation non limitatif, 5 en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 représente une photodiode reliée selon une configuration connue; - la figure 2 représente une photodiode reliée selon l'invention; - la figure 3 est un schéma électrique d'un photodétecteur comprenant 10 une photodiode selon la figure 2; - la figure 4 est un diagramme de potentiel électrique dans une photodiode selon la figure 2.
Dans les figures 1 et 2, pour raison de clarté, les dimensions des différents éléments représentés ne sont pas en proportion avec leurs dimensions réelles. Ces deux figures sont des vues en coupe de substrats portant chacun une photodiode située sous une surface sensiblement plane du substrat. Les vues en coupe sont considérées dans des plans perpendiculaires à la surface de chaque substrat. Le substrat est placé dans la partie inférieure de chaque figure, et D désigne une direction perpendiculaire à la surface du substrat, orientée vers le haut de chaque figure. Dans la suite, les termes sur , sous , inférieur et supérieur sont utilisés en référence avec cette orientation. Par ailleurs, sur toutes les figures, des références identiques correspondent à des éléments identiques.
La figure 1, qui représente une photodiode reliée selon une 25 configuration connue, a déjà été présentée.
Conformément à la figure 2, une photodiode reliée selon l'invention comprend un empilement de trois zones dopées superposées selon la direction D, sous la surface S du substrat 100. La zone 1 est adjacente à la surface S et la zone 3 est en contact avec le volume du substrat 100. Les zones 1 et 2 ont, par exemple, des épaisseurs respectives de 50 nanomètres et 400 nanomètres environ, selon la direction D. Les zones 1 et 3 sont, par exemple, de type p. La zone 2 est alors de type n et constitue la cathode de la photodiode. Les zones 1-3 de l'empilement sont limitées par une partie d'un volume isolant 6, qui peut être du type STI.
La photodiode comporte une électrode de contrôle réalisée en deux portions: une portion intermédiaire 4 et une portion de connexion externe 5.
La portion intermédiaire 4 est disposée sur la surface S, à cheval entre la zone 1 avec laquelle elle est en contact direct et le volume 6. Lorsque le substrat 100 est à base de silicium, la portion intermédiaire 4 peut être, par exemple, en silicium polycristallin conducteur électrique, ou polysilicium. Le comportement électrique de la zone 1 n'est alors altéré par aucune diffusion dans la zone 1 d'atomes provenant de la portion 4, puisque celle-ci ne contient pas d'atomes étrangers, autres que de silicium, ou bien n'en contient qu'en quantités très faibles, et insuffisantes pour altérer le comportement électrique de la zone 1. Par ailleurs, aucun alliage non-désiré n'est formé à partir de l'interface entre la zone 1 et la portion 4. Grâce à ce choix du matériau pour la portion 4, une faible résistance de contact est obtenue entre la zone 1 et la portion 4.
Une méthode possible de réalisation de la portion intermédiaire 4 consiste à déposer sur la surface S une couche 7 d'au moins un matériau isolant distinct du matériau du substrat 100 et du matériau de la portion 4. Ce peut être, par exemple, une couche de silice SiO2 de 20 nanomètres d'épaisseur. Une ouverture correspondant à l'emplacement de la portion 4 sur la surface S est pratiquée dans la couche 7, d'une façon connue, en associant un procédé de masquage photolithographique et une gravure sélective de la silice. Avant le retrait du masque, la portion 4 est formée par dépôt de polysilicium. Ainsi, le matériau de silicium du substrat 100 est laissé intact, et la zone 1 n'est pas endommagée au niveau de son contact avec la portion 4, malgré sa très faible épaisseur selon la direction D. Une portion de connexion externe 5 de l'électrode de contrôle est disposée au dessus de la portion intermédiaire 4, au contact de la surface supérieure de celle-ci. La portion 5 est, par exemple, un via métallique réalisé selon la technologie damascène, connue de l'Homme du métier. La portion 5 est disposée au sein d'une couche de matériau isolant non représentée, disposée au dessus de la surface S du substrat 100. Une telle couche est transparente si elle recouvre la zone 1. Selon la technologie damascène, le volume destiné à être occupé par la portion 5 est initialement vidé par gravure sèche directionnelle, parallèlement à et en sens opposé à la direction D. La portion intermédiaire 4 possède une extension 4a portée par le volume 6, et la portion 5 est en contact avec l'extension 4a. Un décalage de la portion 5 par rapport à la zone 1, parallèle à la surface S, est ainsi obtenu. Ce décalage supprime tout risque d'endommagement de la zone 1 lors de la gravure directionnelle du procédé damascène. En effet, la zone 1, du fait de sa très faible épaisseur selon la direction D, pourrait être rapidement entamée ou traversée lors de la gravure directionnelle, si le front de gravure atteignait la surface S au niveau de la zone 1.
La portion de connexion externe 5 est par exemple constituée d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre, le cobalt, le tungstène, le titane, ou un alliage de ces métaux. Grâce à la présence de la portion intermédiaire 4, une éventuelle formation d'un alliage de type siliciure entre le métal et le silicium est évitée. Le comportement électrique de la zone 1 est alors préservé de toute altération résultant de la réalisation d'un contact électrique externe sur la zone 1.
La figure 3 est un schéma électrique d'un photodétecteur comprenant la photodiode reliée précédente. Celle-ci est représentée par deux symboles usuels de diodes disposés en opposition. Elle est éclairée par un flux lumineux F. Le point intermédiaire entre les deux symboles de diodes correspond à la zone 2 qui est reliée à la source d'un transistor 11 permettant de transférer des électrons de la photodiode vers un noeud de détection SN. Le transfert des électrons peut être commandé par la grille TG du transistor 11. De même que sur la figure 2, un circuit de commande 10 (CTRL) est en outre relié par une première borne 10a à la masse M et au volume du substrat 100, et par une seconde borne 10b à l'électrode de contrôle de la photodiode, plus précisément à sa portion de connexion externe 5. Une troisième borne du circuit 10 peut en outre être reliée à la grille TG.
Un cycle de fonctionnement d'un tel photodétecteur comprend, de façon connue, une étape de génération d'électrons dans la photodiode par le flux F, et une étape de transfert des électrons générés vers un noeud de détection non représenté, à partir duquel la quantité d'électrons générés est lue. Pour un bon fonctionnement du photodétecteur, la capacité de stockage des électrons dans la photodiode doit être favorisée pendant l'étape de génération, tout en permettant une évacuation complète des électrons hors de la photodiode pendant l'étape de transfert. Cette combinaison est obtenue grâce à l'invention, au moyen d'un potentiel électrique variable appliqué par le circuit 10 à la portion 5 de l'électrode de contrôle. De préférence, le potentiel électrique appliqué à un premier instant t1 de l'étape de génération des électrons est supérieur au potentiel électrique appliqué à un second instant t2 de l'étape de transfert.
La figure 4 représente schématiquement deux distributions du potentiel électrique au sein du substrat 100, dans les trois zones 1, 2 et 3, à l'instant t1. L'axe horizontal repère la profondeur e dans le substrat 100 à partir de la surface S, parallèlement à et en sens opposé à la direction D, au niveau des zones 1-3. L'axe vertical, orienté vers le bas, repère le potentiel électrique à chaque profondeur e. La zone 2, dopée n, constitue un puits de potentiel électrique, avec une valeur minimale du potentiel électrique supérieure aux valeurs dans les zones 1 et 3, dopées p. Les jonctions entre les zones 1 et 2, et entre les zones 2 et 3, correspondent à des variations localisées du potentiel électrique. Le potentiel électrique de la zone 3 est fixé par celui du volume du substrat 100 auquel la zone 3 est adjacente: il est constamment nul par montage électrique.
Lorsque le potentiel électrique de la zone 1 est identique à celui de la zone 3, la zone 2 constitue un puits de potentiel électrique ayant une profondeur de 3 volts, par exemple. Cette situation correspond à la courbe de distribution du potentiel électrique indiquée en pointillés sur la figure 4.
Lorsque, à l'instant t1, le circuit 10 applique à la portion 5 un potentiel électrique positif, par exemple d'environ 2 volts, le fond du puits de potentiel électrique de la zone 2 est abaissé, par exemple jusqu'à 4 volts. Cette situation correspond à la courbe indiquée en trait continu sur la figure 4. La capacité de stockage des électrons dans la zone 2 est alors augmentée par rapport à la situation dans laquelle la zone 1 est maintenue au potentiel électrique de la zone 3.
La limite d'hyperluminosité de la photodiode (ou blooming en anglais) de la photodiode est par conséquent repoussée vers des flux F d'intensité supérieure: l'intervalle d'intensité de flux lumineux correspondant à une détection linéaire par la photodiode est augmenté.
Il résulte aussi de la polarisation positive de la zone 1 un meilleur confinement des électrons dans la photodiode pendant l'étape de génération. Pour une photodiode appartenant à une matrice de photodiodes juxtaposées à la surface d'un substrat commun, la migration d'électrons entre deux photodiodes voisines, connue sous le nom de crosstalk en anglais, est réduite. Une diaphotie accrue est donc obtenue.
A l'instant t2, une évacuation des électrons hors de la photodiode est commandée au moyen de la grille TG. Simultanément, le circuit 10 peut appliquer un potentiel électrique à la portion 5 qui est inférieur ou égal au potentiel électrique du volume substrat 100. De préférence, le potentiel électrique appliqué est égal à celui du volume du substrat 100.
II apparaîtra à l'Homme du métier que des variantes peuvent être proposées par rapport à la configuration de la photodiode décrite en détail ci-dessus. De telles variantes sont comprises dans l'invention, dans la mesure où la connexion électrique externe sur la zone 2 est constituée par deux portions 4 et 5 distinctes disposées de la façon prévue dans l'invention. En particulier, plusieurs méthodes différentes peuvent être utilisées pour la réalisation de la portion intermédiaire 4, qui préservent chacune la qualité et l'intégrité du matériau du substrat dans la zone 1.
Le procédé de commande d'un photodétecteur comprenant une telle photodiode peut aussi être modifié. Un tel procédé modifié est aussi compris dans l'invention, notamment dans la mesure où la zone 2 est polarisée positivement par rapport au volume du substrat 100, à au moins un instant de l'étape de génération des électrons dans la photodiode.
Enfin, le type p ou n du dopage de chaque zone de la photodiode peut être changé, à condition d'inverser les signes des potentiels électriques qui en dépendent pour la mise en oeuvre de l'invention.
Claims (10)
1. Photodiode à trois zones dopées comprenant une portion d'un substrat semiconducteur (100) adjacente à une surface (S) du substrat, et comprenant dans ladite portion du substrat: - une première zone dopée (1) selon un premier type de dopage, et adjacente à la surface du substrat (S) ; - une deuxième zone dopée (2) selon un second type de dopage différent du premier type, et située d'un côté opposé de la première zone dopée (1) par rapport à la surface du substrat (S) ; et - une troisième zone dopée (3) selon le premier type de dopage, et située d'un côté opposé de la seconde zone dopée (2) par rapport à la première zone dopée (1), un volume du substrat (100) et la deuxième zone dopée (2) formant respectivement une première et une seconde électrodes de la photodiode, la photodiode comprenant en outre une troisième électrode en contact avec la première zone dopée (1), la troisième électrode comprenant: - une portion intermédiaire (4) d'un premier matériau conducteur électrique disposée au contact de la première zone dopée (1), et - une portion de connexion externe (5) d'un second matériau 20 conducteur électrique disposée au contact de la portion intermédiaire (4).
2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second matériaux conducteurs sont différents.
3. Photodiode selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un volume (6) d'un matériau isolant électrique porté par le substrat (100), la portion intermédiaire (4) ayant une extension (4a) portée par le volume de matériau isolant (6), et dans laquelle la portion de connexion externe (5) est en contact avec ladite extension (4a).
4. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier matériau conducteur et le substrat sont à base de silicium.
5. Photodétecteur comprenant une photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et comprenant un circuit de commande (10) relié par une première borne (10a) au volume du substrat (100) et par une seconde borne (10b) à la portion de connexion externe (5), et agencé pour appliquer à la portion de connexion externe (5) un potentiel électrique variable entre un premier instant (t1) de génération de charges électriques dans la photodiode et un second instant (t2) d'un transfert des charges électriques générées hors de la photodiode, le potentiel électrique du volume du substrat (100) étant pris comme référence.
6. Photodétecteur selon la revendication 5, dans lequel les charges électriques sont des électrons, et dans lequel le potentiel électrique appliqué audit premier instant (t1) est supérieur au potentiel électrique appliqué audit second instant (t2).
7. Photodétecteur selon la revendication 6, dans lequel le potentiel électrique appliqué audit second instant (t2) est inférieur ou égal au potentiel électrique du volume du substrat (100).
8. Procédé de commande d'un photodétecteur selon la revendication 5, suivant lequel le circuit de commande (10) applique à la portion de connexion externe (5) un potentiel électrique variable entre un premier instant (t1) de génération de charges électriques dans la photodiode et un second instant (t2) d'un transfert des charges électriques générées hors de la photodiode.
9. Procédé selon la revendication 8, suivant lequel les charges électriques sont des électrons, et suivant lequel le potentiel électrique appliqué audit premier instant (t1) est supérieur au potentiel électrique appliqué audit second instant (t2).
10. Procédé selon la revendication 9, suivant lequel le potentiel électrique appliqué audit second instant (t2) est inférieur ou égal au potentiel électrique du volume du substrat (100).
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