FR3026562A1

FR3026562A1 - Detecteur infrarouge mulispectral.

Info

Publication number: FR3026562A1
Application number: FR9510224A
Authority: FR
Inventors: Daniel Amingual; Philippe Bouchut
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2016-04-01

Abstract

L'invention a pour objet un détecteur localisé spatialement comportant : - N couches (4, 6) de matériau de détection, dopées, d'un premier type de conduction, chaque couche étant séparée par au moins une couche isolante (10) des couches de matériau de détection voisines, chaque couche présentant une connexion (47, 48) permettant de la relier à un circuit de lecture (40) ainsi qu'une pluralité de zones (12-17) dopées, d'un second type de conduction, formant ainsi une pluralité de jonctions p-n (18-23) et de photodiodes dans ladite couche, - des photosites (24, 25, 26), chacun étant défini par un ensemble comportant N desdites photodiodes, chaque photodiode étant située dans une des N couches de matériau de détection dopées, d'un premier type de conduction, - les zones dopées (12, 15 ; 13, 16 ; 14, 17) d'un second type de conduction d'un même photosite (24, 25, 26) étant reliées électriquement à une connexion commune (41, 42, 43).

Description

DETECTEUR INFRAROUGE MULTISPECTRAL DESCRIPTION Domaine technique de l'invention L'invention se rapporte au domaine des détecteurs infrarouges, en particulier à ceux qui sont construits sous forme de barrette linéaire ou de mosaïque bidimensionnelle. Ce type de détecteur trouve application notamment dans le domaine des caméras infrarouges. Par exemple, pour faire la différence entre une cible et un leurre, il faut connaître la teMpérature de l'objet à détecter. Pour cela, il faut pouvoir discriminer, dans le rayonnement détecté, la contribution du signal due à l'émissivité de l'objet et celle due à sa température. A cette fin, une détection à au moins deux longueurs d'onde permet de s'adapter à la transmission de l'atmosphère. Etat de la technique Il existe à ce jour plusieurs solutions pour réaliser des détecteurs multispectraux. Par exemple, l'article de M.B. REINE et al. intitulé "Independently-accessed back-to-back HgCdTe Photo-diodes : a new dual-band infrared detector", paru dans "MCT Workshop" Seattle, USA, Octobre 1994, décrit un mode de fonctionnement d'un détecteur comportant deux billes de connexion en indium par photosite. Le dispositif décrit dans le brevet US-A-5 113: 076 ne comprend qu'une connexion par photosite, et ne comprend pas deux jonctions indépendantes : la détection à deux longueurs d'onde s'obtient én inversant la polarité aux bornes du détecteur. Dans le brevet US-A-4 956 686, deux détecteurs 35 juxtaposés et non superposés sont mis en oeuvre. La B 12231.3/PM demande EP-0 475 525 décrit un dispositif comprenant deux couches de CdHgTe superposées, de composition différente, dans lesquelles les zones n sont reliées par une couche métallique. Cependant, la séparation en longueur d'onde est faite en isolant les diodes sous forme d'îlots. Dans ces conditions, la détection à deux longueurs d'onde s'effectue comme sur un échiquier de photodiodes juxtaposées, une seule longueur d'onde étant détectée en chaque site.

Exposé de l'invention L'invention vise à proposer un détecteur multispectral permettant de détecter plusieurs longueurs d'onde, autrement dit plusieurs couleurs par 15 photosite, et qui présente un minimum de complexité supplémentaire par rapport aux détecteurs monospectraux. En outre, ce type de détecteur doit permettre de réaliser des mosaïques permettant de détecter un rayonnement à deux ou plusieurs longueurs 20 d'onde ayant un très grand nombre de points, avec des pixels aussi petits que dans le cas des mosaïques ne permettant de détecter qu'une longueur d'onde. Plus précisément, l'invention a pour objet un détecteur multispectral, à détection localisée 25 spatialement, comportant : - N couches de matériau de détection dopées, d'un premier- type de conduction, chaque couche étant séparée par au moins une couche isolante des couches voisines, chaque couche présentant une borne de 30 connexion pour la relier, indépendamment des autres couches, -à un circuit de lecture, et comportant une pluralité de zones dopées d'un second type de conduction, formant ainsi une pluralité de jonctions p-n et de photodiodes dans ladite couche, B 12231.3/PM - des photosites, chaque photosite étant défini par un ensemble de N photodiodes, chaque photodiode étant située dans une des N couches de matériau de détection dopées, d'un premier type de conduction, - les zones dopées d'un second type de conduction d'un même photosite étant reliées électriquement à une borne de- connexion commune permettant de relier ledit photosite à un circuit de lecture. Avec ce type de dispositif, il est possible de lire chaque photosite en réalisant des connexions successives, à un circuit de lecture, des N différentes couches de matériau dopées d'un premier type de conduction. Selon un mode particulier de réalisation, les zones dopées d'un second type de conduction d'un même photosite sont reliées électriquement par un dépôt métallique qui recouvre les parois d'un trou traversant N-1 couches et qui débouche dans la Nième couche ou qui affleure la surface de cette Nième couche.

Un détecteur selon l'invention peut comporter, outre un circuit de détection, un circuit de lecture auquel les N couches de matériau de détection d'un premier type de conduction sont reliées indépendamment les unes des autres, chaque photosite étant relié au circuit de lecture par l'intermédiaire de la borne de connexion prévue à cet effet. Le' circuitde lecture peut comporter N moyens pouvant être commutés d'un état électriquement passant à un état- électriquement non passant, chacun de ces 30 moyens étant relié à une des N connexions, associée à une des couches N de matériau de détection. De tels moyens, ou interrupteurs, peuvent être des transistors. L'invention concerne également un procédé de 35 détection d'un rayonnement multispectral, mettant en B 12231.3/PM oeuvre un détecteur multispectral tel que décrit ci-dessus, la lecture du signal émis par un photosite mettant en oeuvre une lecture du signal émis, correspondant à une première longueur d'onde, par connexion d'une première couche de matériau de détection à un circuit de lecture, puis lecture du signal émis, pour une deuxième longueur d'onde, par connexion d'au moins une seconde couche de matériau de détection audit circuit de lecture.

Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un exemple d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma électrique schématisant le dispositif selon l'invention, - les figures 3A à 3F illustrent des étapes de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention.

Exposé détaillé de mode de réalisation de l'invention Un dispositif conforme à la présente invention est illustré sur la figure 1. Sur cette figure, la référence 2 désigne un substrat, par exemple en CdZnTe. Sur ce substrat sont déposées deux couches 4 et 6 de matériau de détection dopées, d'un premier type de conduction.- Ces couches ont des réponses spectrales différentes, et chaque couche est caractérisée par une largeur de bande interdite. L'invention peut être généralisée à un nombre N supérieur à 2 de couches de matériau de détection, ayant des réponses spectrales B 12231.3/PM (largeurs de bande) différentes, disposées de telle manière que la couche ayant la largeur de bande interdite la plus grande se trouve du côté du rayonnement incident à détecter. Sur la figure 1, ce 5 rayonnement est désigné par la référence 8. Dans tous les cas, les couches de détection sont séparées par une ou plusieurs couches isolantes 10. Dans chaque couche 4, 6 est prévue une 10 pluralité de zones 12, 13, 14 et 15, 16, 17 dopées, d'un second type de résistivité. Ces zones dopées définissent, avec le matériau de la couche de détection 4, 6 dans laquelle elles se situent des jonctions p-n 18, 19, 20 et 21, 22, 23. Ce sont ainsi autant de 15 photodiodes ou d'éléments détecteurs qui sont formés, chaque photodiode comportant une jonction p-n entre des régions de résistivité opposée. Un photosite 24, 25, 26 est défini par un ensemble de N photodiodes (deux photodiodes par photosite, et trois photosites, sur la 20 figure 1). Les N photodiodes d'un même photosite sont empilées. Les zones dopées 12, 15 (respectivement 13, 16, ou 14, 17), d'un second type de conduction, d'un même photosite 24 (respectivement 25 ou 26) sont reliées électriquement à une connexion commune 28, 30, 25 32 permettant de relier chaque photosite à un circuit de lecture 40. Sur la figure 1, la liaison commune des différentes zones dopées d'un même photosite est assurée par un dépôt métallique 34, 36, 38 qui recouvre les parois- d'un trou 35, 37, 39 qui traverse la couche 30 6 de matériau de détection, et qui débouche dans la couche 4 de matériau de détection ou qui affleure la surface supérieure de cette couche 4. Ces métallisations sont prolongées par des plots 41, 42, 43 qui forment, avec des microbilles 44, 45, 46 la B 12231.3/PM connexion électrique de chaque photosite à un circuit de lecture 40. L'utilisation des microbilles n'est qu'un mode particulier de réalisation pour effectuer le maintien mécanique des photosites au circuit de lecture et pour permettre la connexion électrique lorsque celui-ci est actif. Afin de lire séparément l'information, correspondant à des bandes spectrales différentes, détectées par les différentes jonctions p-n d'un même photosite, chaque couche de matériau de détection 4, 6 présente une connexion 47, 48 permettant de relier cette couche, indépendamment de l'autre couche, au circuit de lecture 40. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, chacune de ces connexions 47, 48 est constituée par un plot métallique sur lequel est déposée une microbille qui réalise la connexion avec la face d'entrée du circuit de lecture. Là encore, l'utilisation des microbilles n'est qu'un mode particulier de réalisation pour effectuer le maintien mécanique des photosites au circuit de lecture et pour permettre la connexion électrique lorsque celui-ci est actif.

Les couches de matériau de détection 4, 6 peuvent être en CdxHgl_xTe, de paramètre x différent, ces couches étant par exemple épitaxiées sur un substrat 2 en CdZnTe transparent aux rayonnements infrarouges. Dans le cas de deux couches de matériau de photodétection (comme illustré sur la figure 1) on peut choisir une couche 4 de composition Cd0,3Hg0,7Te sensible aux photons détectés dans la gamme de longueurs d'onde 1-5gm, et une couche détectrice 6 de composition Cd0,2Hg0,8Te, les jonctions p-n de cette couche détectant alors les photons dans un domaine B 12231.3/PM spectral compris entre 5 et 12 pin. Les domaines de longueurs d'onde de détection peuvent être modifiés en modifiant la composition des couches détectrices (c'est-à-dire le paramètre x). De préférence, la couche de paramètre x le plus élevé se situe du côté du rayonnement incident (c'est la couche qui présente la largeur de bande interdite la plus élevée). D'autres matériaux peuvent être choisis pour réaliser les couches photodétectrices, notamment du PbSnTe ou du InSb. Par exemple, un détecteur bicolore peut être réalisé avec une couche de CdHgTe de 10 pin d'épaisseur, dopée à quelques 1017Atomes/cm3 et une seconde couche de InSb de 5 gm d'épaisseur, dopée à environ 1016Atomes/cm3.

La couche 10 de matériau isolant, transparente au rayonnement 8 peut être par exemple en CdTe (auquel on peut rajouter du Zn pour ajuster les paramètres de maille), ou bien ce peut être une couche organique (comme de la colle transparente).

Le dopage des couches, par exemple dans le cas du CdHgTe, est fonction de "l'histoire thermique" d'élaboration des matériaux. Par exemple, pour une photodiode réalisée avec une couche CdHgTe, le dopage est un dopage de type p de quelques 1015Atomes/cm3 à 25 quelques 1017Atomes/cm3. En ce qui concerne l'épaisseur des couches, celle-ci -doit être suffisante pour détecter les photons, mais pas trop importante pour éviter certains problèmes -technologiques. Dans la pratique, on fait un 30 compromis, pour détecter, par exemple, 90% des photons émis. Par exemple, à une longueur d'onde de 5 pin, on réalise une couche de 5 pm d'épaisseur tandis que pour une longueur d'onde de 10 pin, on réalise une couche de 10 pin d'épaisseur (dans ce cas là le coefficient 35 d'absorption de la couche est moyen). Pour une longueur B 12231.3/PM d'onde de 2 pm, la couche aura une épaisseur d'environ 2 pm (dans ce cas le coefficient d'absorption est très élevé). Le schéma électrique équivalent de la figure 2 permet de comprendre le fonctionnement de la structure qui vient d'être décrite. Sur la figure 2, des références numériques désignent des éléments qui, du point de vue électrique, correspondent aux éléments désignés sur la figure 1 par des références identiques.

Ainsi, les photodiodes 18, 19, 20 correspondent aux jonctions p-n 18, 19, 20 de la figure 1. Les couches 4, 6 sont reliées aux connexions 47, 48. Le circuit de lecture 40 comporte en outre deux "interrupteurs" 51, 52 reliés à ces connexions 47, 48. Ces "interrupteurs" peuvent être par exemple des transistors. Si, par exemple, la couche 4 est sensible dans un domaine spectral situé en-dessous de 5 pm et la couche 6 dans un domaine spectral compris entre 5 et 12 pm, il suffit de fermer l'interrupteur 52 pour mettre en 20 communication les photodiodes 18, 19, 20 avec, par exemple, leurs résistances de charge 53, 54, 55, et détecter ainsi le courant généré par le rayonnement de longueur d'onde comprise entre 5 et 12 pm. Pour lire le courant des photodiodes situées dans la couche 4, on 25 ferme l'interrupteur 51 en laissant ouvert l'interrupteur 52. Dans ce cas, les photodiodes 21, 22, 23 débitent leur photocourant dans les résistances de charge 53, 54, 55 correspondantes. Il est ainsi possible de réaliser des images dans les bandes de 30 longueurs d'onde correspondant aux compositions des couches 4 et 6 uniquement en commutant les interrupteurs 51, 52. Dans un circuit de lecture silicium, ces interrupteurs peuvent être réalisés très simplement en utilisant par exemple des transistors. Le 35 schéma de la figure 2 se généralise aisément à un B 12231.3/PM détecteur comportant N couches photosensibles isolées les unes des autres, et comportant au moins une connexion pour relier chaque couche, indépendamment des autres couches, au circuit de lecture. Ce dernier comporte alors N interrupteurs. Un procédé de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention va maintenant être décrit, en liaison avec les figures 3A à 3F.

Au départ, la couche de substrat 2 peut avoir une épaisseur typiquement comprise entre 0,4 et 1 mm. La couche 4 de premier matériau photosensible aura une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 10 pin, son type de conductivité sera par exemple p et son dopage compris entre 1015 et 1018 cm-3. La couche isolante 10 aura une épaisseur typiquement comprise entre 1 et 10 pin. La couche 6 aura une épaisseur typiquement comprise entre 4 et 20 pm, son type de conductivité sera par exemple p et son dopage compris entre 1015 et 1018 cm-3. On réalise ensuite un dépôt d'une couche de passivation isolante 7 à la surface de la couche 6. Puis (figure 3B), photosensible 9 sur la couche résine, un motif circulaire, compris entre 5 et 15 pm. A travers les motifs on dépose une résine 7 et on ouvre, dans cette par exemple de diamètre ouverts dans la résine 9, la couche de passivation 7 est gravée. Les trous 35, 37, 39 ainsi réalisés (figure 3C) s'arrêtent dans la couche 4, -à une profondeur comprise entre 0 et 5 pm à partir du bordsupérieur de cette couche. Le diamètre de ces trous est approximativement celui des motifs ouverts dans la résine 9. L'étape suivante consiste à réaliser, dans la plaquette ainsi gravée, les jonctions p-n qui vont 35 détecter le rayonnement infrarouge. Pour cela, on B 12231.3/PM réalise l'implantation d'ions bore, ou d'autres ions adaptés à l'inversion du type p, par exemple dans CdHgTe, en laissant la résine de protection 9 pendant le bombardement ionique de l'ensemble de la plaquette.

On peut également remplacer l'implantation ionique par la diffusion d'atomes de mercure, ce qui donne de la même façon l'inversion locale du type p des couches 4 et 6 en type n, autour des trous pratiqués dans la plaquette. Le résultat obtenu est représenté sur la figure 3D, où chaque jonction 18-23 est obtenue au contact des zones 4, 6 de type p avec les zones 12-17 de type n. La couche 10, isolante électriquement, est restée isolante pendant l'étape qui vient d'être décrite et les différentes jonctions d'un même photosite sont ainsi isolées l'une de l'autre. L'étape suivante (figure 3E) est une étape de prise de contact où, après avoir enlevé la résine 9, on dépose sur l'ensemble de la plaquette, du côté de la couche de passivation 7, une bicouche métallique 34, 36, 38 (CrAu par exemple) qui recouvre la surface 7, mais également le fond des trous 35, 37, 39. Cette couche métallique sera ensuite délimitée aux zones utiles en utilisant les techniques de photolithographie et de gravure, pour donner les motifs représentés sur la figure 3E. Cette étape de métallisation, par le biais d'ouvertures supplémentaires préalablement ménagées dans la couche de passivation 7, permet de prendre simultanément les contacts sur les zones n (références 12 à 17) ainsi que sur la zone p (contact 60 correspondant à la couche 6). Il -reste ensuite à former le contact p sur la couche 4. Pour cela, on masque à l'aide d'une résine photosensible la face avant de la plaquette de façon à protéger un périmètre comprenant les métallisations et p déjà formées. On attaque alors les parties non B 12231.3/PM masquées (couche de passivation 7, couches 6, 10) jusqu'à atteindre la couche 4. On réalise ensuite, de la même façon que précédemment, des plots métalliques 62 qui forment le contact p sur la couche 4. On obtient ainsi la structure technologique complète représentée sur la figure 3F, qui comprend l'ensemble des métallisations présentes sur la face avant, prêtes à être interconnectées au circuit de lecture silicium. Pour réaliser l'interconnexion, on peut utiliser la méthode des billes d'indium décrite par exemple dans la demande FR-A-2 704 691, publié le 4/11/1994, en prenant simplement soin de réaliser des billes plus grosses pour interconnecter le contact 62 avec le circuit silicium. En effet, la différence d'épaisseur entre le centre et le bord du circuit de détection peut ainsi être aisément récupérée. Cette technologie permet donc de se ramener aux cas des technologies planaires classiquement hybridées par billes d'indium à un circuit de lecture en silicium.

Un des avantages de l'invention consiste dans le fait que les détecteurs décrits peuvent détecter plusieurs couleurs tout en ne possédant qu'une seule bille par photosite, ce qui n'apporte aucune complexité supplémentaire par rapport aux détecteurs monospectraux. En particulier, le nouveau type de détecteur proposé permet de réaliser des mosaïques pour détections à plusieurs longueurs d'ondes à très grand nombre de points, avec des pixels aussi petits que dans le cas des- mosaïques monospectrales. En effet, le fait de rajouter une série de billes supplémentaires en périphérie ,du circuit de détection pour réaliser la connexion entre les couches et le circuit de lecture n'est pas une difficulté. Dans l'art antérieur, pour lire plusieurs longueurs d'onde, il fallait pN connexions électriques B 12231.3/PM avec p égal au nombre de photosites et N égal au nombre de couleurs ou de longueurs d'onde, alors que dans l'invention, il suffit de N+p connexions (avec les mêmes notations).

B 12231.3/PM

Claims

REVENDICATIONS1. Détecteur multispectral à détection localisée spatialement comportant : - N couches (4, 6) de matériau de détection, dopées, d'un premier type de conduction, chaque couche étant séparée par au moins une couche isolante (10) des couches de matériau de détection voisines, chaque couche présentant une borne de connexion (47, 48) permettant de la relier, indépendamment des autres couches, à un circuit de lecture (40) et chaque couche comportant une pluralité de zones (12-17) dopées, d'un second type de conduction, formant ainsi une pluralité de jonctions p-n (18-23) et de photodiodes dans ladite couche, - des photosites (24, 25, 26), chaque photosite étant défini par un ensemble comportant N desdites photodiodes, chaque photodiode étant située dans une des N couches de matériau de détection dopées, d'un premier type de conduction, - les zones dopées (12, 15 ; 13, 16 ; 14, 17) d'un second type de conduction d'un même photosite (24, 25, 26) étant reliées électriquement à une borne de connexion commune (41, 42, 43) permettant de relier ledit photosite à un circuit de lecture (40).
2. Détecteur multispectral selon la revendication 1, comportant un dépôt métallique (34, 36, 38), qui recouvre les parois d'un trou (35, 37, 39) traversant N-1 couches (6) et qui débouche dans la Nième couche ou qui affleure à la surface de cette Nième couche (4), permettant d'assurer la liaison électrique -des zones dopées, d'un second type de conduction, d'un même photosite.
3. Détecteur multispectral selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant en outre un circuit de lecture (40) auquel les N couches (4, 6) de matériau B 12231.3/PMde détection d'un premier type de conduction sont reliées indépendamment les unes des autres, chaque photosite étant relié au circuit de lecture par l'intermédiaire de la borne de connexion commune (41, 42, 43) prévue à cet effet.
4. Détecteur multispectral selon la revendication 3, le circuit de lecture (40) comprenant N moyens (51, 52) pouvant être commutés d'un état électriquement passant à un état électriquement non passant, chacun de ces moyens étant relié à une des N bornes de connexion (47, 48) associée à une des couches (4, 6) de matériau de détection.
5. Détecteur multispectral selon l'une des revendications 1 à 4, les N couches (4,
6) de matériau de détection étant disposées avec une largeur de bande interdite décroissante à partir de la face par laquelle rentre le faisceau incident (8) à détecter. 6. Détecteur multispectral selon l'une des revendications précédentes, chaque couche (4, 6) étant 20 en CdxHgl_xTe, x étant compris entre 0 et 1.
7. Procédé de détection d'un rayonnement multispectral, mettant en oeuvre un détecteur multispectral selon une des revendications 1 à 6, la lecture du signal émis par un photosite (24, 25, 26) 25 mettant en oeuvre une lecture du signal émis à une première longueur d'onde, par connexion d'une première couche de matériau de détection à un circuit de lecture, puis une lecture du signal émis à une deuxième longueur d'onde, par connexion d'au moins une seconde 30 couche de- matériau de détection audit circuit de lecture.
8. Procédé selon la revendication 7, les connexions successives des couches de détection étant réalisées par des moyens (51, 52) pouvant être commutés B 12231.3/PMd'un état électriquement passant à un état électriquement non passant. B 12231.3/PM