FR3006105A1 - Matrice de photodiode a absorption reglable de charge - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une matrice de photodiodes comprenant une première électrode commune d'une jonction PN, comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, - une couche de passivation (6) en un matériau de la famille du phosphure d'indium, et au moins deux sortes de zones dopées de même type: - des premières zones dopées (3) formées au moins en partie dans la couche active (5), définissant des secondes électrodes pour former, avec la première électrode commune, des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée (10) formant une troisième électrode absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer, ladite au moins une seconde zone dopée (10) étant formée dans la couche de passivation (6) et étant séparée de la couche active (5) par une portion de ladite couche de passivation (6).
Description
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les matrices de photodiodes, et plus particulièrement les matrices de photodiodes à base 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 semiconducteurs 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 pm. Le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium-indium partage la même structure cristalline cubique face centrée. La composition la plus utilisée est In0.53Ga0.47As. 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'In0.53Ga0.47As est d'environ 0.73eV, capable de détecter jusqu'à une longueur d'onde de 1.68 pm 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 In0.53Ga0.47As, 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 en phase vapeur aux organométalliques (ou MOCVD pour metalorganic vapour phase epitaxy selon la terminologie anglo-saxonne). 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 capteur d'image InGaAs 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 8, 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 laquelle 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 EP1354360 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 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. Grâce 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. La demande de brevet français FR2977982 propose une isolation électrique par une gravure autour de chaque photodiode. Cette approche permet de supprimer efficacement ce phénomène de blooming mais au prix d'un très fort courant d'obscurité dans les photodiodes à cause de défauts créés par cette gravure. Un autre problème de cette approche réside dans le fait que les étapes de gravure et de diffusion des anodes de photodiode constituent deux étapes distinctes du procédé de fabrication, requérant des masques différents. Des erreurs d'alignements des masques peuvent créer des non-uniformités supplémentaires entre les photodiodes d'une matrice. 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 demande de brevet français n°1350830 propose une matrice de photodiodes dont une vue en coupe est illustrée par la figure 5, comprenant : - une cathode comprenant au moins une couche de substrat 4 en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et - au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active 5: - des premières zones dopées 3 formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée 20 absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer. La figure 6 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe AA' de la matrice de photodiodes de la figure 5, c'est-à-dire selon une coupe traversant le substrat 4, la couche active 5 et la couche de passivation 6. Les différents niveaux d'énergie sont représentés en fonction de la profondeur selon des échelles de profondeur et d'énergie arbitraires, à vocation purement illustrative: l'énergie de la bande de valence Ey, l'énergie de la bande de conduction Ec, et le niveau de Fermi EF. On distingue ainsi une zone 15 correspondant à la couche active 5 présentant une énergie de valence Ey supérieure aux deux zones l'encadrant, c'est-à-dire une zone 14 correspondant au substrat 4 et une zone 16 correspondant à la couche de passivation 6. Les trous 9 constituant ici les porteurs de charge sont ainsi confinés dans la couche active 5. De manière similaire à la figure 6, la figure 7 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon les coupes BB' et CC' de la matrice de photodiodes de la figure 5, c'est-à-dire selon une coupe traversant le substrat 4, la couche active 5 et une première zone dopée 3 ou une seconde zone dopée 20, ces deux zones dopées 3, 20 présentant un même niveau de dopage à une même profondeur.
On distingue alors qu'une zone 13 correspondant à une zone dopée 3, 20 présente une énergie de valence Ey supérieure aux zones 15 et 14, correspondant respectivement comme ci-dessus à la couche active 5 et au substrat 4. Les trous 9 constituant ici les porteurs de charge ne sont pas confinés dans la couche active 5, et leur passage dans les zones dopées 3, 20 est possible.
Cette approche permet de supprimer efficacement ce phénomène de blooming, en diminuant la conductivité latérale dans la matrice de photodiode, mais au prix d'une perte de l'efficacité de collection (efficacité quantique). En effet, une partie des charges photoélectriques sont absorbée par les zones d'absorption constituées par les secondes zones dopées 20, et, en cas de faible niveau de lumière, cette perte devient inacceptable. Ainsi, ces approches, malgré leur efficacité, détériorent la performance en bas niveau de lumière. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention propose une matrice de photodiodes comprenant - une première électrode commune d'une jonction PN, comprenant au moins une couche de substrat en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, - une couche de passivation en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active étant située entre la couche de substrat et la couche de passivation, et - au moins deux sortes de zones dopées de même type: - des premières zones dopées formées au moins en partie dans la couche active, définissant des secondes électrodes pour former, avec la première électrode commune, des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée formant une troisième électrode absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer, ladite au moins une seconde zone dopée étant formée dans la couche de passivation et étant séparée de la couche active par une portion de ladite couche de passivation. La matrice de photodiode selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible : - des moyens de polarisation appliquent à ladite seconde zone dopée un potentiel électrique par lequel est réglée l'absorption des porteurs de charge par ladite seconde zone dopée; - le potentiel électrique appliqué à la seconde zone dopée est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes; - la seconde zone dopée est située entre au moins certaines des premières zones dopées; - la seconde zone dopée entoure individuellement des premières zones dopées; - une pluralité de secondes zones dopées sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées; - la matrice comprend une pluralité de secondes zones dopées réparties entre les premières zones dopées le long des diagonales de la matrice de photodiodes; - la seconde zone dopée est séparée des premières zones dopées d'une distance suffisante de sorte les zones de charge d'espace associées respectivement à la 5 seconde zone dopée et aux premières zones dopées sont séparées; - une grille métallique en surface de ladite matrice relie différents points de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) afin d'homogénéiser le potentiel électrique de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s). 10 L'invention concerne également un capteur d'images incorporant une matrice de photodiodes selon l'invention. La présente invention apporte une amélioration en contrôlant électriquement le degré d'absorption des charges photoélectriques. En cas de bas niveau de lumière, 15 le degré d'absorption par les secondes zones dopées sera minimisé afin de favoriser la collection de charge par les photodiodes. Mais en cas de fort niveau d'illumination, le degré d'absorption par les secondes zones dopées sera renforcé afin de minimiser la diaphonie entre les photodiodes. 20 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes selon l'invention, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles, à partir d'une première électrode commune comprenant au moins une couche de substrat en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et 25 d'une couche de passivation en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active étant située entre la couche de substrat et la couche de passivation: - on réalise une gravure sélective de la couche de passivation, - on forme les premières zones dopées et ladite au moins une seconde zone 30 dopée, lesdites premières zones dopées étant formées au niveau des zones de la gravure sélective de la couche de passivation précédemment réalisée. De préférence, les premières zones dopées et ladite au moins une seconde zone dopée sont formées lors d'une même étape de dopage sélectif. 35 De préférence, la gravure sélective de la couche de passivation enlève une épaisseur de la couche de passivation supérieure à l'épaisseur de la portion de ladite couche de passivation séparant au final les secondes zones dopées de la couche active.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes selon l'invention, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles, à partir d'une première électrode commune comprenant au moins une couche de substrat en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et d'une couche de passivation en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active étant située entre la couche de substrat et la couche de passivation : - on réalise un premier dopage sélectif pour commencer à former les premières zones dopées, - on réalise ensuite un second dopage sélectif pour finir de former les premières zones dopées et pour former ladite au moins une seconde zone dopée. 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 illustre une vue en coupe d'une matrice de photodiodes selon demande de brevet français n°1350830, comprenant des zones d'absorption; - la figure 6 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe AA' de la matrice de photodiodes de la figure 5; - la figure 7 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon les coupes BB' et CC' de la matrice de photodiodes de la figure 5; - la figure 8 illustre une vue en coupe d'une matrice de photodiodes selon l'invention; - la figure 9 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe AA' de la matrice de photodiodes de la figure 8; - la figure 10 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe BB' de la matrice de photodiodes de la figure 8; - les figures 11, 12 et 13 illustrent schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe CC' de la matrice de photodiodes de la figure 8 sous l'influence de trois polarisations différentes; - les figures 14, 15,16 et 17 sont des vues de dessus de différents modes de réalisation possible de la matrice de photodiode selon l'invention; - les figures 18, 19 et 20 illustrent schématiquement des étapes successives d'un procédé de fabrication possible de la matrice de photodiode selon l'invention; - les figures 21, 22 et 23 illustrent schématiquement des étapes successives d'un procédé de fabrication possible de la matrice de photodiode selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE La présente invention propose une structure permettant de faire varier l'absorption des porteurs de charge par une zone d'absorption. 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. En référence à la figure 8, une matrice de photodiodes comprend une première électrode commune comprenant au moins une couche de substrat 4 en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium. Une couche de passivation 6, par exemple en matériau de la famille du phosphure d'indium, est prévue au-dessus de la couche active 5 d'arséniure de gallium-indium. La couche active 5 est ainsi située entre la couche de substrat 4 et la couche de passivation 6. On entend par un matériau de la famille du phosphure d'indium un matériau semiconducteur composé principalement, voire quasi-exclusivement, de phosphure d'indium, et éventuellement d'autre composants en quantité bien moindre, par exemples des dopants. On désignera donc ce matériau par son composant principal, c'est-à-dire le phosphure d'indium, ou InP. De même, on entend par matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium un matériau semi-conducteur composé principalement, voire exclusivement, d'arséniure de gallium-indium, et éventuellement d'autre composants en quantité bien moindre, par exemples des dopants. On désignera donc ce matériau par son composant principal, c'est-à-dire l'arséniure de gallium-indium, ou InGaAs. La matrice de photodiode comporte en outre au moins deux sortes de zones 30 dopées de même type: - des premières zones dopées 3 formées au moins en partie dans la couche active 5, définissant des secondes électrodes pour former, avec la première électrode commune, des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée 10 formant une troisième électrode 35 absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer.
De préférence, les premières zones dopées 3 et la seconde zone dopée 10 présentent des caractéristiques de dopage les plus proches possibles, et sont de préférence formées par les mêmes dopants.
Il peut être prévu une pluralité de seconde zone dopée 10 pour absorber des porteurs de charge en excès et les évacuer de la matrice de photodiodes. La seconde zone dopée 10 est formée dans la couche de passivation 6 et est séparée de la couche active 5 par une portion de ladite couche de passivation 6. La seconde zone dopée 10 n'est donc pas en contact avec la couche active 5, tandis que les premières zones dopées 3 s'étendent depuis la couche de passivation 6 jusque dans la couche active 5. De préférence, l'épaisseur de la portion de la couche de passivation 6 séparant la seconde zone dopée 10 de la couche active 5 est inférieure à 0,5 [Inn, et est compris de préférence entre 0,1 [Inn et 0,5 [Inn. Les deux sortes de zones dopées sont de même type, c'est-à-dire N ou P. Pour des raisons de simplicité, nous présenterons ici le cas où les deux sortes de zones 20 dopées sont du type P. Les couches InP sont alors du type N, par exemple 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, c'est-à-dire le substrat 4 et la 25 couche de passivation 6, et la couche active 5 de InGaAs forment une cathode commune des photodiodes dans cette matrice, ladite cathode commune étant donc la première électrode commune déjà évoquée. Les premières zones dopées 3 constituent alors une pluralité d'anodes formées au 30 moins en partie dans la couche active 5, la coopération entre une anode et la cathode formant une photodiode. Les photodiodes sont connectées à des circuits de lectures similaires à celui illustré par la figure 3, et les potentiels électriques Vpd1, Vpd2 qu'elles présentent, 35 en fonction notamment de l'exposition à laquelle elles sont soumises et de leur polarisation avant l'exposition, sont lus par ces circuits de lectures pour déterminer une image. Des moyens de polarisation appliquent à ladite seconde zone dopée 10 un potentiel électrique Vring par lequel est réglée l'absorption des porteurs de charge par ladite seconde zone dopée 10. Le potentiel électrique Vring de la seconde zone dopée 10 est choisi inférieur au potentiel le plus bas parmi les poetntiels Vpd1, Vpd2 des premières zones dopées 3 de sorte que Vring < nnin(Vpd1, Vpd2).
Typiquement, il s'agit d'une connexion électrique reliant la seconde zone dopée 10 à une alimentation par laquelle est imposée le potentiel électrique Vring et par laquelle sont évacuées les charges excédentaires absorbées par la seconde zone dopée 10.
Le potentiel électrique Vring appliqué par lesdits moyens de polarisation à ladite seconde zone dopée 10 peut varier dans une plage de valeur comprenant au moins: - une première valeur de polarisation au niveau de laquelle les porteurs de charge sont confinés dans la couche active 5 en raison d'une barrière d'énergie correspondant à la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5; et - une seconde valeur de polarisation au niveau de laquelle la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5 n'entraîne pas de barrière d'énergie pour les porteurs de charge de la couche active 5. La figure 9 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe AA' de la matrice de photodiodes de la figure 8, c'est-à-dire selon une coupe traversant le substrat 4, la couche active 5 et la couche de passivation 6. Les différents niveaux d'énergie sont représentés en fonction de la profondeur selon des échelles de profondeur et d'énergie arbitraires, à vocation purement illustrative: l'énergie de la bande de valence Ey, l'énergie de la bande de conduction Ec, et le niveau de Fermi EF.
On distingue ainsi une zone 15 correspondant à la couche active 5 présentant une énergie de valence Ey supérieure à celle des deux zones l'encadrant, c'est-à-dire une zone 14 correspondant au substrat 4 et une zone 16 correspondant à la couche de passivation 6. Les trous 9 constituant ici les porteurs de charge sont ainsi confinés dans la couche active 5. De manière similaire à la figure 9, la figure 10 illustre schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe BB' de la matrice de photodiodes de la figure 8, c'est-à-dire selon une coupe traversant le substrat 4, la couche active 10 5 et une première zone dopée 3. On distingue alors qu'une zone 13 correspondant à la première zone dopée 3 présente une énergie de valence Ey supérieure aux zones 15 et 14, correspondant respectivement comme ci-dessus à la couche active 5 et au substrat 4. Les trous 9 15 constituant ici les porteurs de charge ne sont pas confinés dans la couche active 5, et leur passage dans la première zone dopée 3 est possible. Les figures 11, 12 et 13 illustrent schématiquement la structure de bandes d'énergie selon la coupe CC' de la matrice de photodiodes de la figure 8, c'est-à- 20 dire selon une coupe traversant le substrat 4, la couche active 5, la couche de passivation 6 et une seconde zone dopée 10, de manière similaire à celle des figures 9 et 10 pour leurs coupes respectives. La figure 11 illustre un cas dans lequel le potentiel électrique Vring appliqué à la 25 seconde zone dopée 10 correspond à une première valeur de polarisation au niveau de laquelle les porteurs de charge sont confinés dans la couche active 5 en raison d'une barrière d'énergie correspondant à la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5. Par exemple, il peut s'agir d'une faible polarisation, appliquée dans le cas d'une 30 faible luminosité afin de limiter ou d'empêcher l'absorption des porteurs de charge par la seconde zone dopée 10. On distingue sur la figure 11 une zone 16 correspondant à la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5, 35 ladite zone 16 présentant une énergie de valence Ey inférieure à celle des deux zones l'encadrant, c'est-à-dire la zone 17 correspondant à la seconde zone dopée 10 et la zone 15 correspondant à la couche active 5. Cette zone 16 permet donc de confiner les trous 9 dans la couche active 5 en définissant une barrière de potentiel les empêchant de rejoindre la seconde zone dopée 10.
La figure 12 présente la même configuration que la figure 11, mais dans le cas d'un potentiel électrique Vring appliqué à la seconde zone dopée 10 par les moyens de polarisation dont la valeur est située entre la première valeur et la seconde valeur de potentiel mentionnées plus haut, par exemple une tension plus négative que celle appliqué dans le cas de la figure 11. On constate une diminution de la hauteur de la barrière de potentiel de la zone 16 correspondant à la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5, tandis que les énergies de valence Ey et de conduction Ec de la zone 17 correspondant à la seconde zone dopée 10 s'élèvent. Certains des trous 9 sont encore confinés dans la couche active 5 en raison de la présence de la barrière de potentiel de la zone 16, tandis que certains trous 9 franchissent cette barrière pour rejoindre la seconde zone dopée 10.
La figure 13 présente la même configuration que les figures 11 et 12, mais dans le cas d'un potentiel électrique Vring appliqué à la seconde zone dopée 10 par les moyens de polarisation correspondant à la seconde valeur de polarisation au niveau de laquelle la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5 n'entraîne pas de barrière d'énergie pour les porteurs de charge de la couche active 5. Par exemple, il s'agit d'une tension plus négative que celles des figures 11 et 12. On constate ainsi la disparition de la barrière de potentiel de la zone 16 correspondant à la portion de la couche de passivation 6 séparant ladite seconde zone dopée 10 de ladite couche active 5. Les trous 9 ne sont plus confinés dans la couche active 5 en raison de la disparition de cette barrière et du niveau d'énergie élevé de la bande de valence au niveau de la zone 17 correspondant à la seconde zone dopée 10, et peuvent donc rejoindre ladite seconde zone dopée 10.
On voit bien que le potentiel appliqué Vring permet de régler le passage des porteurs de charge depuis la couche active 5 vers la seconde zone dopée 10, et donc de moduler l'absorption des charges par ladite seconde zone dopée 10.
De préférence, le potentiel de la seconde zone dopée 10 est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes. A cet effet, il peut être prévu une mesure de d'illumination sur la matrice de photodiodes, notamment au moyen du circuit de lecture tel qu'illustré sur la figure 3. Cette mesure d'illumination permet de déterminer quel potentiel doit être appliqué à la seconde zone dopée 10. On peut également prévoir de réduire la résistivité de la seconde zone dopée en la secondant par une grille métallique recouvrant ladite seconde zone dopée 10 afin que l'application du potentiel, ainsi que le drainage des charges, soit uniforme.
Cette grille métallique peut d'ailleurs être utilisée pour relier entre elles plusieurs secondes zones dopées 10, remplissant ainsi le rôle de moyen de connexion et de polarisation pour l'application du potentiel Vring. La seconde zone dopée 10 est située entre au moins certaines des premières zones dopées 3 afin de les séparer. Ainsi, dans la figure 8, la vue en coupe montre une alternance entre les premières zones dopées 3 et une ou plusieurs secondes zones dopées 10. Ainsi, dans la direction de la coupe, la ou les secondes zones dopées 10 séparent les premières zones dopées 3 constituant les anodes des photodiodes afin d'absorber les charges excédentaires susceptibles de transiter via la couche active 5 d'une première zone dopée 3 à l'autre. La figure 14 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation dans lequel des premières zones dopées 3 sont chacune entourées au moins partiellement d'une zone dopée 10 de même type, ici de type N, que lesdites premières zones dopées 3, et formée au moins en partie dans la couche active 5, pour séparer chacune des anodes constituées par lesdites premières zones dopées 3 des autres anodes de ladite matrice.
La figure 15 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation dans lequel la seconde zone dopée 10 forme un quadrillage entre des premières zones dopées 3 afin d'entourer individuellement des premières zones dopées 3.
De préférence, afin de diminuer la complexité de fabrication ainsi que des interconnexions, une seule zone dopée 10 est répartie à la surface de la matrice de photodiodes. Cependant, on peut choisir de disposer une pluralité de secondes zones dopées 10, comme par exemple dans le mode de réalisation illustré à la figure 16, dans lequel une pluralité de secondes zones dopées 10 sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées 3. La figure 17 présente un autre exemple, dans lequel la matrice comprend une pluralité de secondes zones dopées 10 réparties entre les premières zones dopées 3 le long des diagonales de la matrice de photodiodes, de sorte que la majorité desdites secondes zones dopées 10 sont chacune adjacentes à quatre premières zones dopées 3. Dans les exemples illustrés par les figures 14 et 15, toutes les anodes 3 sont entourées par une ou plusieurs secondes zones dopées 10. Cependant, il n'est pas strictement nécessaire, bien que préférable et cohérent, que toutes les photodiodes soient entourées. Néanmoins, afin d'obtenir une réduction significative de la diaphonie entre photodiodes, de préférence la majorité des photodiodes sont entourées par au moins une seconde zone dopée 10. De même, dans les exemples illustrés par les figures 14 et 15, les premières zones 3 sont complètement entourées par des zones secondes dopées 10. Cependant, une zone dopée 10 autour d'une première zone dopée 3 peut présenter des ouvertures, et ainsi n'entourer que partiellement une première zone dopée 3. Le fait de ne pas entourer complètement des premières zones dopées 3 par au moins une seconde zone dopée 10 peut être dicté par des considérations de fabrication mais également pour optimiser le fonctionnement de la matrice de photodiodes. En effet, les secondes zones dopées 10 concurrencent les photodiodes au niveau des porteurs de charge. Afin de limiter cette concurrence, on peut prévoir que la ou les secondes zones dopées 10 n'entourent pas complètement les anodes, mais néanmoins suffisamment pour diminuer significativement la diaphonie entre photodiodes. La seconde zone dopée 10 est séparée des premières zones dopées 3 d'une distance suffisante de sorte que les zones de charge d'espace associées respectivement à la seconde zone dopée 10 et aux premières zones dopées 3 sont séparées. Ainsi, de préférence, la seconde zone dopée 10 est distante de l'anode qu'elle entoure d'au moins 0,5 [Inn.
De préférence, une seconde zone dopée 10 présente une largeur (vue de dessus) d'au moins 0,5 [Inn afin de suffisamment isoler les photodiodes les unes des autres. La largeur, (vue de dessus) d'une zone dopée 10 peut ainsi s'étendre jusqu'à par exemple 2 [Inn, voire atteindre 5 [Inn.
Une matrice de photodiodes selon l'invention peut naturellement être fabriquée au moyen de deux étapes de dopage sélectif: - une étape de dopage profond au moyen d'un masque exposant les parties du substrat destinées à accueillir les premières zones dopées, et - une autre étape de dopage moins profond au moyen d'un autre masque exposant les parties du substrat destinées à accueillir les secondes zones dopées, l'ordre de ces deux étapes n'ayant pas d'importance. Si un tel procédé de fabrication présente l'avantage de la simplicité, il n'est cependant pas optimal, dans la mesure où les opérations de changement de masque et/ou de dopage successif sont longues, risquées et donc coûteuses. Il est donc présenté ci-dessous deux procédés de fabrication présentant de substantiels avantages en termes de rapidité et de fiabilité. Ainsi, selon un second aspect, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice de photodiode selon le premier aspect. En référence aux figures 18, 19 et 20, à partir d'une première électrode comprenant au moins une couche de substrat 4 en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et d'une couche de passivation 6 en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active 5 étant située entre la couche de substrat 4 et la couche de passivation 6, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles : - on réalise une gravure sélective de la couche de passivation 6 (figure 19), - on forme les premières zones dopées 3 et ladite au moins une seconde zone dopée 10 lors d'une même étape de dopage sélectif, lesdites premières zones dopées 3 étant formées au niveau des zones 11 de la gravure sélective de la couche de passivation 6 précédemment réalisée (figure 20). La gravure sélective de la couche de passivation permet un enlèvement de matière au niveau des zones 11 destinées à former les premières zones dopées 3. Lors de l'étape subséquente de dopage sélectif, les dopants au niveau des zones gravées 11, formant donc les premières zones dopées 3, pénètrent ainsi plus loin dans l'empilement constitué par la couche de passivation 6 et la couche active 5, jusqu'à atteindre cette dernière.
En revanche, les dopants en dehors de ces zones gravées 11, formant donc les secondes zones dopées 6, n'atteignent pas la couche active 5 en raison de l'épaisseur supplémentaire de la couche de passivation 6 dans les zones non gravées. Il faut donc que cette épaisseur supplémentaire de la couche de passivation 6 soit suffisante pour que, lors d'une même étape de dopage, les premières zones dopées 3 atteignent la couche active 5 tandis que les secondes zones dopées 10 n'atteignent pas cette couche active 5. Il en résulte que la gravure sélective de la couche de passivation 6 doit enlever une épaisseur de la couche de passivation 6 supérieure à l'épaisseur de la portion de ladite couche de passivation 6 séparant au final les secondes zones dopées 10 de la couche active 5. Une fois la gravure effectuée, l'étape de dopage peut alors être réalisée en même 30 temps pour la formation des premières zones dopées 3 et des secondes zones dopées 10, par exemple au moyen d'un masque 12 avec des zones évidées correspondant aux premières zones dopées 3 et aux secondes zones dopées 10. En référence aux figures 21, 22 et 23, à partir d'une première électrode commune 35 comprenant au moins une couche de substrat 4 en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et d'une couche de passivation 6 en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active 5 étant située entre la couche de substrat 4 et la couche de passivation 6, un autre procédé comprend les étapes selon lesquelles : - on réalise un premier dopage sélectif pour commencer à former les premières zones dopées 3 (figure 22); - on réalise ensuite un second dopage sélectif pour finir de former les premières zones dopées 3 et pour former la seconde zone dopée 10 (figure 23).
On peut à cet effet utiliser un film 12 dit "hardmask" déposé à la surface de la couche de passivation 6 et constitué d'un polymère gravable par exemple par plasma, afin de créer des zones évidées par lesquelles se fait le dopage des zones sous-jacentes. Ainsi, pour le premier dopage sélectif, le film 12 présente des zones évidées correspondant à l'emplacement des premières zones dopées 3. Ensuite, on réalise dans le film 12 d'autres zones évidées correspondant à l'emplacement des secondes zones dopées 10 afin qu'au cours du second dopage sélectif, le film 12 dit "hardmask" présente des zones évidées correspondant à l'emplacement des premières zones dopées 3 et à l'emplacement des secondes zones dopées 10. On peut par exemple obtenir la première électrode commune pour la mise en oeuvre des différents procédés par les étapes suivantes: - croissance épitaxiale d'une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium InGaAs sur un substrat 4 en un matériau de la famille du phosphore d'indium, puis - croissance épitaxiale d'une couche de passivation 6 en un matériau de la famille du phosphore d'indium InP sur la couche active 5.
Les premières zones dopées 3 et ladite au moins une seconde zone dopée 10 peuvent quant à elle être formées par une diffusion sélective de zinc en tant que dopant de type P dans la couche de passivation 6 et, pour les premières zones dopées 3, dans la couche active 5, lorsque lesdites couches sont de type N. Le dopage se fait préférentiellement par diffusion.35
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Matrice de photodiodes comprenant - une première électrode commune d'une jonction PN, comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, - une couche de passivation (6) en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active (5) étant située entre la couche de substrat (4) et la couche de passivation (6), et - au moins deux sortes de zones dopées de même type: - des premières zones dopées (3) formées au moins en partie dans la couche active (5), définissant des secondes électrodes pour former, avec la première électrode commune, des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée (10) formant une troisième électrode absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer, caractérisé en ce que ladite au moins une seconde zone dopée (10) est formée dans la couche de passivation (6) et est séparée de la couche active (5) par une portion de ladite couche de passivation (6).
- 2. Matrice selon la revendication précédente, dans laquelle des moyens de polarisation appliquent à ladite seconde zone dopée (10) un potentiel électrique (Vring) par lequel est réglée l'absorption des porteurs de charge par ladite seconde zone dopée (10).
- 3. Matrice selon la revendication précédente, dans laquelle le potentiel électrique (Vring) appliqué à la seconde zone dopée (10) est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes.
- 4. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone dopée (10) est située entre au moins certaines des premières zones dopées (3).
- 5. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone (10) dopée entoure individuellement des premières zones dopées (3).
- 6. Matrice selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle une pluralité de secondes zones dopées (10) sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées (3).
- 7. Matrice selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une pluralité de secondes zones dopées (10) réparties entre les premières zones dopées (3) le long des diagonales de la matrice de photodiodes.
- 8. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone dopée (10) est séparée des premières zones dopées (3) d'une distance suffisante de sorte les zones de charge d'espace associées respectivement à la seconde zone dopée (10) et aux premières zones dopées (3) sont séparées.
- 9. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une grille métallique en surface de ladite matrice relie différents points de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) (10) afin d'homogénéiser le potentiel électrique de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) (10).
- 10. Capteur d'images incorporant une matrice de photodiodes selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 11. Procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes selon l'une des revendications 1 à 9, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles, à partir d'une première électrode commune comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et d'une couche de passivation (6) en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active (5) étant située entre la couche de substrat (4) et la couche de passivation (6) : - on réalise une gravure sélective de la couche de passivation (6), - on forme les premières zones dopées (3) et ladite au moins une seconde zone dopée (10), lesdites premières zones dopées (3) étant formées au niveau des zones de la gravure sélective de la couche de passivation (6) précédemment réalisée.
- 12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les premières zones dopées (3) et ladite au moins une seconde zone dopée (10) sont formées lors d'une même étape de dopage sélectif.
- 13. Procédé selon l'une des revendications 11 à 12, dans lequel la gravure sélective de la couche de passivation enlève une épaisseur de la couche de passivation (6) supérieure à l'épaisseur de la portion de ladite couche de passivation (6) séparant au final les secondes zones dopées (10) de la couche active (5).
- 14. Procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes selon l'une des revendications 1 à 9, ledit procédé comprenant les étapes selon lesquelles, à partir d'une première électrode commune comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et d'une couche de passivation (6) en un matériau de la famille du phosphure d'indium, la couche active (5) étant située entre la couche de substrat (4) et la couche de passivation (6) : - on réalise un premier dopage sélectif pour commencer à former les premières zones dopées (3), - on réalise ensuite un second dopage sélectif pour finir de former les premières zones dopées (3) et pour former ladite au moins une seconde zone dopée (10).25
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