FR2984605A1 - Protection contre des surtensions de montages de photodiodes a avalanche pour la detection de photons uniques - Google Patents

Protection contre des surtensions de montages de photodiodes a avalanche pour la detection de photons uniques Download PDF

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John Brunel
Frank Jezequel
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Abstract

L'invention concerne une protection contre des surtensions d'un montage de photodiodes à avalanche de détection de photons uniques, chaque photodiode de détection (21) ayant une borne centrale (9) reliée à une première borne d'alimentation (25) et une borne périphérique (11) reliée par une résistance (Rq) à une deuxième borne d'alimentation (27), et un substrat relié à une troisième borne de référence (G) ; comprenant une diode de protection (51) identique à chaque photodiode de détection, cette diode de protection ayant sa borne centrale (9) connectée à la première borne d'alimentation et sa borne périphérique (11) connectée à la troisième borne.

Description

B11390 - 11-GR2-0777FR01 1 PROTECTION CONTRE DES SURTENSIONS DE MONTAGES DE PHOTODIODES À AVALANCHE POUR LA DÉTECTION DE PHOTONS UNIQUES Domaine de l'invention La présente invention concerne la protection contre des surtensions de montages de photodiodes à avalanche pour la détection de photons uniques, de telles photodiodes étant communément désignées par l'acronyme d'origine anglo-saxonne SPAD ("Single Photon Avalanche Diode"). Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple simplifié de structure d'une photodiode destinée à fonctionner en avalanche et pouvant être utilisée pour la détection de photons uniques. La photodiode est destinée à être éclairée par sa face supérieure 2 et fait habituellement partie d'une matrice de photodiodes identiques. Dans la partie supérieure de type P d'un substrat semiconducteur 1, un anneau 3 de type N s'étendant à partir de la surface supérieure du substrat entoure un caisson 5 de type P. Une couche enterrée 7 de type N s'étend sous le caisson 5 de type P. La jonction P-N à l'origine du phénomène d'avalanche correspond à la jonction 8 entre le caisson 5 de type P et la couche enterrée 7 de type N.
B11390 - 11-GR2-0777FR01 2 Une région 9 de type P, plus fortement dopée que le caisson 5, est formée au centre du caisson 5 et correspond au contact d'anode de la photodiode. Des régions 11 de type N, plus fortement dopées que l'anneau 3, s'étendent dans l'anneau 3 à partir de la surface supérieure du substrat. Les régions 11 sont par exemple réparties dans l'anneau 3 à intervalle régulier et correspondent au contact de cathode de la photodiode. La figure 2 représente une caractéristique I(V) 10 classique 13 du courant en fonction de la tension d'une diode. Pour un fonctionnement en détecteur de photons uniques, la photodiode est polarisée en inverse à une tension VP01 légèrement supérieure au seuil d'avalanche Va de la photodiode. On appelle Ve la différence de tension entre la 15 tension de polarisation Vp01 et le seuil d'avalanche Va. Le point de fonctionnement de la photodiode lorsqu'elle n'absorbe pas de photons correspond au point 14 de la caractéristique I(V) 13. Le courant II traversant la photodiode est quasiment nul. Dès qu'un photon est absorbé par la photodiode, 20 l'électron de la paire électron-trou générée déclenche un phénomène d'avalanche qui fait passer la photodiode du point de fonctionnement 14 au point de fonctionnement 15 (courant 12) de la caractéristique I(V) 13. L'impulsion de courant 12 est de plusieurs ordres de grandeur supérieure au courant 25 La figure 3 est un schéma électrique équivalent d'un exemple de circuit de détection comprenant une photodiode 21 telle que celle illustrée en figure 1 et permettant la détection de photons uniques. L'anode 9 de la photodiode 21 est reliée à une borne 30 d'alimentation 25 au potentiel -Va. La cathode 11 de la photodiode 21 est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance Rq, appelée résistance d'extinction ("quenching resistor"), à une borne d'alimentation 27 au potentiel Ve. Un comparateur 29 est également relié à la cathode 11 de la photodiode 21.
B11390 - 11-GR2-0777FR01 3 Le fonctionnement du circuit de détection de photons uniques illustré en figure 3 est le suivant. Tant qu'aucun photon n'est absorbé par la photodiode 21 polarisée en inverse à la tension Vpol = Va + Ve légèrement supérieure au seuil d'avalanche, le courant II traversant la photodiode est très faible. La tension au noeud E est pratiquement égale à Ve et la sortie du comparateur 29 est au niveau bas. Lorsqu'un photon est absorbé par la photodiode, il déclenche un phénomène d'avalanche. Le courant traversant la photodiode 21 augmente rapidement. Une chute de tension apparaît aux bornes de la résistance Rq et le potentiel au noeud E chute. La sortie du comparateur 29 passe alors du niveau bas au niveau haut. La résistance Rq permet en outre d'éteindre le phénomène d'avalanche déclenché par ce photon pour pouvoir détecter l'absorption d'un autre photon. La figure 4 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'un montage de photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques, le comparateur 29 étant représenté sous forme de symbole électrique. Les éléments de la figure 4 communs avec ceux des figures 1 et 3 sont désignés par les mêmes références. Seules les métallisations d'une photodiode 21 sont représentées en figure 4. Une métallisation 31 forme un contact 25 sur l'anode 9 de la photodiode, et une métallisation 33 forme un contact sur la cathode 11 de la photodiode. L'anode 31 de la photodiode est reliée à une piste conductrice 35. Une portion 37 de la piste conductrice 35 est située au-dessus de la photodiode. La piste conductrice 35 est 30 reliée à une autre photodiode, non représentée, par une piste conductrice 36. Une piste conductrice 39 relie la cathode 33 de la photodiode à la résistance Rq et au comparateur 29. Pour masquer le moins possible la photodiode, la portion 37 de la piste conductrice d'anode 35 est aussi étroite 35 que possible.
B11390 - 11-GR2-0777FR01 4 La piste conductrice 35 n'est normalement pas traversée par de forts courants, même pendant des avalanches, car la résistance Rq limite le courant. La largeur réduite de la portion 37 de cette piste conductrice ne pose donc a priori pas de problème. Résumé Toutefois, la demanderesse a constaté que, de façon inattendue, il se produit des destructions de photodiodes du type de celle illustrée en figure 4, et plus particulièrement des destructions de la portion la plus étroite 37 de la piste conductrice 35. Il existe donc un besoin d'une protection d'un montage de photodiodes à avalanche pour la détection de photons uniques contre des risques de destruction des pistes conductrices 15 reliées à la borne centrale de chaque photodiode. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une protection contre des surtensions d'un montage de photodiodes à avalanche de détection de photons uniques, chaque photodiode de détection ayant une borne centrale reliée à une 20 première borne d'alimentation et une borne périphérique reliée par une résistance à une deuxième borne d'alimentation, et un substrat relié à une troisième borne de référence, comprenant une diode de protection identique à chaque photodiode de détection, cette diode de protection ayant sa borne centrale 25 connectée à la première borne d'alimentation et sa borne périphérique connectée à la troisième borne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque photodiode de détection est formée dans la partie supérieure d'un premier type de conductivité du substrat et 30 comprend : un caisson du premier type de conductivité ; un anneau du second type de conductivité entourant le caisson ; et une couche enterrée du second type de conductivité s'étendant sous le caisson ; la borne centrale de chaque photodiode de détection comprend une région du premier type de conductivité 35 s'étendant au centre du caisson et plus fortement dopée que le B11390 - 11-GR2-0777FR01 caisson ; et la borne périphérique de chaque photodiode de détection comprend des régions du second type de conductivité s'étendant dans l'anneau et plus fortement dopées que l'anneau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 la diode de protection est recouverte de métal. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la troisième borne est reliée à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite résistance est mise en oeuvre par un transistor MOS.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la borne périphérique de chaque photodiode de détection est en outre reliée à un comparateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur est mis en oeuvre par un inverseur.
Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe illustrant de façon schématique une photodiode pouvant être utilisée en avalanche pour la détection de photons uniques ; la figure 2, décrite précédemment, illustre une 25 caractéristique usuelle du courant en fonction de la tension d'une diode ; la figure 3, décrite précédemment, est un schéma électrique équivalent d'un circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode telle que celle illustrée en 30 figure 1 ; la figure 4, décrite précédemment, est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'un montage de photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques ; B11390 - 11-GR2-0777FR01 6 la figure 5 est un schéma électrique équivalent d'un circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode telle que celle illustrée en figure 1 et comprenant une protection contre des surtensions ; et la figure 6 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'une diode de protection contre des surtensions d'un montage de photodiode à avalanche du type de celui illustré en figure 5. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 10 désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée 15 Malgré la présence de la résistance d'extinction Rq qui limite le courant, la demanderesse a constaté que des destructions de photodiodes du type de celle illustrée en figure 4 se produisent, et plus particulièrement des destructions de la portion la plus étroite 37 de la piste 20 conductrice 35 reliée à l'anode centrale de la photodiode. Les inventeurs attribuent ce problème à l'existence de composants parasites qui créent des chemins d'écoulement de courant lors de la survenance de surtensions accidentelles. Les inventeurs proposent un montage de photodiodes à avalanche pour 25 la détection de photons uniques comprenant une protection contre ces surtensions. La figure 5 est un schéma électrique équivalent d'un circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode telle que celle illustrée en figure 1 et comprenant une 30 protection contre des surtensions. Il existe une diode parasite 41 entre la cathode de la photodiode 21 et une borne G de polarisation du substrat, généralement reliée à la masse. Cette diode parasite 41, dite diode substrat, correspond à la jonction P-N entre le substrat 1 35 de type P et la couche enterrée 7 de type N. Le contact d'anode B11390 - 11-GR2-0777FR01 7 de la diode substrat parasite 41 correspond à un contact de polarisation du substrat, non représenté en figure 1. Le contact de cathode de la diode substrat parasite 41 correspond aux régions 11.
Des surtensions accidentelles peuvent survenir sur l'une des bornes (25, 27, G) du circuit. Si une surtension positive survient entre les bornes 25 et G, cette surtension induit un courant qui part de la borne 25, passe par la piste conductrice 35, la photodiode 21 en direct et la diode substrat parasite 41 (en avalanche), et se dirige vers la borne G. Si une surtension positive survient entre les bornes G et 25, cette surtension induit un courant qui part de la borne G, passe par la diode substrat parasite 41 en direct, la photodiode 21 en avalanche, et la piste conductrice 35, et se dirige vers la borne 25. Dans les deux cas, le courant peut être élevé et destructeur pour la portion la plus étroite 37 de la piste conductrice 35. Ayant identifié ces problèmes, les inventeurs proposent d'utiliser, comme protection contre des surtensions d'un montage de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques du type de celui illustré en figures 3 et 4, une autre photodiode à avalanche 51, de structure sensiblement identique à celle de la photodiode à avalanche 21. Les jonctions P-N à l'origine du phénomène d'avalanche des photodiodes 21 et 51 étant sensiblement identiques, les photodiodes 21 et 51 ont sensiblement le même seuil d'avalanche. La photodiode 51 est de préférence recouverte de métal pour qu'elle n'absorbe pas de photons. Dans la suite de la description, on désigne par diode de protection 51 cette photodiode 51.
Comme l'illustre la figure 5, l'anode centrale 9 de la diode de protection 51 est directement connectée à la borne d'alimentation 25. La cathode périphérique 11 de la diode de protection 51 est directement connectée à la borne G, par exemple reliée à la masse. La diode de protection 51 est B11390 - 11-GR2-0777FR01 8 disposée au plus près de la borne d'alimentation 25. Plusieurs diodes de protection 51 peuvent être connectées en parallèle. La figure 6 est une vue de dessus représentant de façon schématique un exemple de réalisation intégrée d'une diode 5 de protection 51 contre des surtensions. L'anode centrale 9 de la diode de protection 51 est entièrement recouverte d'un métal 31. La cathode périphérique 11 de la diode de protection 51 est entièrement recouverte d'un métal 33. Plusieurs pistes conductrices 59 relient le métal 33 10 recouvrant la cathode 11 à une piste conductrice large 61, elle-même reliée à la borne G. Plusieurs pistes conductrices 63 relient le métal 31 recouvrant l'anode 9 à une piste conductrice large 65, elle-même reliée à la borne d'alimentation 25. La largeur totale de l'ensemble des pistes conductrices 59 et de 15 l'ensemble des pistes conductrices 63 est de plusieurs dizaines de micromètres. Les pistes conductrices larges 61 et 65 sont des pistes disposées à la périphérie du circuit intégré. Des courants élevés peuvent traverser l'ensemble des pistes conductrices 59 et la piste conductrice 61, et l'ensemble des 20 pistes conductrices 63 et la piste conductrice 65. Le fonctionnement de la protection contre des surtensions d'un montage du type de celui illustré en figure 5 est le suivant. Si une surtension positive survient entre les bornes 25 25 et G, cette surtension induit un courant qui part de la borne 25, passe par la diode de protection 51 en direct, et se dirige vers la borne G, au lieu de passer par la photodiode 21 en direct et la diode substrat parasite 41 (en avalanche). Si une surtension positive survient entre les bornes G 30 et 25, cette surtension induit un courant qui part de la borne G, passe par la diode de protection 51 en avalanche, et se dirige vers la borne 25, au lieu de passer par la diode substrat parasite 41 en direct et la photodiode 21 en avalanche. Des modes de réalisation particuliers de la présente 35 invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications B11390 - 11-GR2-0777FR01 9 apparaîtront à l'homme de l'art. Un montage particulier de photodiodes à avalanche pour la détection de photons uniques a été décrit en relation avec les diverses figures. La résistance décrite ici comme élément d'extinction du phénomène d'avalanche pourra être réalisée par tout moyen, par exemple par un transistor MOS monté en résistance. D'autres systèmes adaptés à éteindre le phénomène d'avalanche pourront être utilisés, par exemple des systèmes actifs. De même, à la place d'un comparateur, tout autre dispositif de détection adapté à détecter une variation de tension au noeud situé entre la cathode de chaque photodiode et la résistance d'extinction correspondante, et à la convertir en signal numérique, pourra être utilisé, comme par exemple un inverseur. Par ailleurs, on a décrit un montage de photodiodes à avalanche permettant la détection de photons uniques dans le cas où la borne centrale de chaque photodiode est son anode et la borne périphérique de chaque photodiode sa cathode. Bien entendu, tous les types de conductivité d'une photodiode du type de celle illustrée en figure 1 peuvent être inversés. La borne centrale de chaque photodiode est alors sa cathode, et la borne périphérique son anode.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Protection contre des surtensions d'un montage de photodiodes à avalanche de détection de photons uniques, chaque photodiode de détection (21) ayant une borne centrale (9) reliée à une première borne d'alimentation (25) et une borne périphérique (11) reliée par une résistance (Rq) à une deuxième borne d'alimentation (27), et un substrat (1) relié à une troisième borne de référence (G), comprenant une diode de protection (51) identique à chaque photodiode de détection, cette diode de protection ayant sa borne centrale (9) connectée à la première borne d'alimentation et sa borne périphérique (11) connectée à la troisième borne.
  2. 2. Protection selon la revendication 1, dans laquelle chaque photodiode de détection (21) est formée dans la partie 15 supérieure d'un premier type de conductivité du substrat (1) et comprend : un caisson (5) du premier type de conductivité ; un anneau (3) du second type de conductivité entourant le caisson ; et 20 une couche enterrée (7) du second type de conductivité s'étendant sous le caisson ; dans laquelle : la borne centrale (9, 31) de chaque photodiode de détection comprend une région (9) du premier type de 25 conductivité s'étendant au centre du caisson et plus fortement dopée que le caisson ; et la borne périphérique (11, 33) de chaque photodiode de détection comprend des régions (11) du second type de conductivité s'étendant dans l'anneau et plus fortement dopées 30 que l'anneau.
  3. 3. Protection selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la diode de protection (51) est recouverte de métal.B11390 - 11-GR2-0777FR01 11
  4. 4. Protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la troisième borne (G) est reliée à la masse.
  5. 5. Protection selon l'une quelconque des revendica5 tions 1 à 4, dans laquelle ladite résistance (Rq) est mise en oeuvre par un transistor MOS.
  6. 6. Protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la borne périphérique (11) de chaque photodiode de détection (21) est en outre reliée à un 10 comparateur (29).
  7. 7. Protection selon la revendication 6, dans laquelle le comparateur (29) est mis en oeuvre par un inverseur.
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