FR3056019A1 - Photodiode de type spad - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une photodiode de type SPAD (200) comportant : un substrat semiconducteur (201) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière ; et une première région semiconductrice (203) du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat (201) depuis sa face avant et en direction de sa face arrière, les faces latérales de la première région (203) étant en contact avec le substrat (201) et la jonction entre les faces latérales de la première région (203) et le substrat (201) définissant une zone d'avalanche de la photodiode.

Description

(54) PHOTODIODE DE TYPE SPAD.
©) L'invention concerne une photodiode de type SPAD (200) comportant: un substrat semiconducteur (201) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière; et une première région semiconductrice (203) du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat (201 ) depuis sa face avant et en direction de sa face arrière, les faces latérales de la première région (203) étant en contact avec le substrat (201 ) et la jonction entre les faces latérales de la première région (203) et le substrat (201 ) définissant une zone d'avalanche de la photodiode.
Figure FR3056019A1_D0001
B15154 - DD17140JB
PHOTODIODE DE TYPE SPAD
Domaine
La présente demande concerne le domaine des photodiodes à avalanche pour la détection de photons uniques, aussi appelées photodiodes SPAD (de l'anglais Single Photon Avalanche Diode).
Exposé de l'art antérieur
Une photodiode SPAD est essentiellement constituée par une jonction PN polarisée en inverse à une tension supérieure à son seuil d'avalanche. Lorsqu'aucune charge électrique n'est présente dans la zone de déplétion ou zone de charge d'espace de la jonction PN, la photodiode est dans un état pseudo-stable, non conducteur. Lorsqu'une charge électrique photogénérée est injectée dans la zone de déplétion, si la vitesse de déplacement de cette charge dans la zone de déplétion est suffisamment élevée, c'est-à-dire si le champ électrique dans la zone de déplétion est suffisamment intense, la photodiode est susceptible d'entrer en avalanche. Un seul photon est ainsi capable de générer un signal électrique mesurable, et ce avec un temps de réponse très court. Les photodiodes SPAD permettent de détecter des rayonnements de très faible intensité lumineuse, et sont notamment utilisées pour la détection de photons uniques et le comptage de photons.
Il serait souhaitable de pouvoir améliorer au moins en partie certains aspects des photodiodes SPAD connues.
B15154 - DD17140JB
Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit une photodiode de type SPAD comportant : un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière ; et une première région semiconductrice du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat depuis sa face avant et en direction de sa face arrière, les faces latérales de la première région étant en contact avec le substrat et la jonction entre les faces latérales de la première région et le substrat définissant une zone d'avalanche de la photodiode.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comprend en outre une première métallisation de polarisation du substrat, située sur la face avant du substrat, et une deuxième métallisation de polarisation de la première région, située sur la face avant de la première région.
Selon un mode de réalisation, la première région comprend plusieurs barreaux ou tubes semiconducteurs du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat.
Selon un mode de réalisation, la distance, en section transversale, entre deux barreaux ou tubes voisins de la première région est inférieure ou égale à 3 pm.
Selon un mode de réalisation, la première région s'étend dans le substrat sur une profondeur comprise entre 5 et 25 pm.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comprend en outre une première couche semiconductrice revêtant la face arrière du substrat, la première région traversant entièrement le substrat et s'interrompant dans la première couche, la première couche étant dopée du premier type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui du substrat, ou la première couche étant dopée du deuxième type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui de la première région.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comporte en outre une deuxième couche semiconductrice revêtant la face avant du substrat, la première région traversant entièrement la deuxième
B15154 - DD17140JB couche, la deuxième couche étant dopée du premier type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui du substrat.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comporte en outre une région localisée dopée du deuxième type de conductivité, de niveau de dopage inférieur à celui de la première région, s'étendant dans le substrat depuis sa face supérieure et entourant latéralement la première région.
Selon un mode de réalisation, le substrat est en silicium, la première région étant formée par remplissage, par du silicium polycristallin de type de conductivité opposé à celui du substrat, d'une tranchée formée dans le substrat.
Selon un mode de réalisation, le substrat repose, du côté de sa face arrière, sur une couche isolante, et la première région traverse entièrement le substrat et s'interrompt sur la face avant de la couche isolante.
Selon un mode de réalisation, la première région est formée par remplissage partiel, par du silicium polycristallin de type de conductivité opposé à celui du substrat, d'une tranchée formée dans le substrat, la tranchée étant ensuite comblée par un matériau isolant de façon à obtenir un mur isolant reliant la face avant de la couche isolante à la face avant du substrat.
Brève description des dessins
Ces 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 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'un exemple d'une photodiode SPAD ;
la figure 2 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'un exemple d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
la figure 3 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'un autre exemple d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
B15154 - DD17140JB la figure 4 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'un autre exemple d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD ; et les figures 5, 6 et 7 sont des vues en coupe transversales schématiques et partielles illustrant des exemples de photodiodes SPAD selon un mode de réalisation.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, une photodiode SPAD comprend généralement des circuits annexes, notamment un circuit de polarisation de sa jonction PN à une tension supérieure à son seuil d'avalanche, un circuit de lecture adapté à détecter un déclenchement d'une avalanche de la photodiode, ainsi qu'un circuit d'extinction (quenching circuit en anglais) ayant pour fonction d'interrompre l'avalanche de la photodiode une fois celle-ci déclenchée. Ces circuits annexes n'ont pas été représentés sur les figures et ne seront pas détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits annexes équipant les photodiodes SPAD connues. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes avant, arrière, haut, bas, gauche, droite, etc., ou relative, tels que les termes dessus, dessous, supérieur, inférieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal, vertical, latéral, etc., il est fait référence à l'orientation des vues en coupe des figures 1, 2, 3 ou 4, étant entendu que, dans la pratique, les photodiodes décrites peuvent être orientées différemment. Sauf précision contraire, les expressions approximativement, sensiblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près, ou, lorsqu'elles
B15154 - DD17140JB concernent des angles ou des orientations angulaires absolues ou relatives, à 10 degrés près, et préférence à 5 degrés près.
Un problème qui se pose dans les photodiodes SPAD connues est celui de la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat, à une distance éloignée de la zone d'avalanche de la photodiode, c'est-à-dire la partie de la zone de déplétion de la photodiode dans laquelle le champ électrique est suffisamment intense pour que l'avalanche puisse être déclenchée par une charge unique. En effet, au-delà d'une certaine distance de la jonction PN, le champ électrique résultant de la polarisation en inverse de la jonction PN s'annule ou s'atténue fortement, et ne permet plus d'entraîner les charges photogénérées vers la zone d'avalanche. Seule la diffusion aléatoire dans le substrat est alors susceptible de conduire les charges photogénérées vers la zone d'avalanche, avec une probabilité non négligeable que les charges photogénérées n'atteignent jamais la zone d'avalanche ou l'atteignent avec un retard important. Ce problème se pose notamment lorsque l'on souhaite collecter des charges photogénérées sous l'effet d'un rayonnement lumineux de longueur d'onde élevée, par exemple un rayonnement de longueur d'onde comprise entre 750 et 1200 nm dans le silicium.
La figure 1 est une vue en coupe schématique et partielle d'un exemple de photodiode SPAD 100. La photodiode 100 comprend un substrat semiconducteur 101, par exemple en silicium. Dans l'exemple représenté, le substrat 101 est dopé de type P (P-). La photodiode 100 comprend en outre, dans une partie supérieure du substrat 101, une région dopée de type N 103 (N+) s'étendant depuis la face supérieure du substrat, et, sous la région 103, une région dopée de type P 105 (P+), de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, s'étendant depuis la face inférieure de la région 103. La région 105 présente, en vue de dessus, une surface inférieure à celle de la région 103, et est située en regard d'une partie centrale 103a de la région 103. Une région périphérique en anneau 103b de la région 103 s'étend donc latéralement au-delà de la périphérie de la région 105. La face
B15154 - DD17140JB inférieure de la région centrale 103a de la région 103 est en contact avec la face supérieure de la région 105, et la face inférieure et la face latérale de la région périphérique 103b de la région 103 sont en contact avec le substrat 101. Ainsi, la jonction PN de la photodiode 100 comprend une partie centrale formée entre la région 105 et la partie centrale 103a de la région 103, et une partie périphérique formée entre le substrat 101 et la partie périphérique 103b de la région 103. Dans l'exemple représenté, la photodiode 100 comprend en outre une couche de passivation 107, par exemple en oxyde de silicium, revêtant la face supérieure du substrat 101 au niveau de la périphérie de la photodiode. De plus, dans cet exemple, la photodiode 100 comprend, dans une partie inférieure du substrat 101, une région dopée de type P 109 (P+) , de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, s'étendant dans le substrat 101 depuis sa face inférieure sur sensiblement toute la surface de la photodiode.
A titre d'exemple, les épaisseurs des régions 103 et 105 sont de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, et l'épaisseur de substrat 101 située sous la région 105, c'est-àdire entre la face inférieure de la région 105 et la face supérieure de la couche 109 dans l'exemple représenté, est de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres.
En fonctionnement, la région 103, formant la cathode de la photodiode, est polarisée à un potentiel positif V+, et la région 105, formant l'anode de la photodiode, est polarisée à un potentiel négatif V-, de façon que la tension cathode-anode de la photodiode soit supérieure à sa tension d'avalanche. Dans l'exemple de la figure 1, les bornes de contact permettant de polariser la photodiode n'ont pas été détaillées. A titre d'exemple, l'anode de la photodiode est polarisée par l'intermédiaire de la région 109. La cathode de la photodiode peut être polarisée par l'intermédiaire d'une métallisation de contact située sur la face avant de la région 103.
Lorsque la photodiode 100 est polarisée en inverse, un champ électrique apparaît au niveau de la jonction PN de la
B15154 - DD17140JB photodiode. Sur la figure 1, on a représenté en traits interrompus les lignes équipotentielles dans le substrat 101 lorsque la photodiode 100 est polarisée en inverse. Le champ électrique (non représenté) dans la photodiode est orthogonal aux lignes équipotentielles, et est d'autant plus intense que les lignes équipotentielles sont rapprochées. La zone de charge d'espace de la jonction PN, et le champ électrique résultant de la polarisation en inverse de la jonction PN, s'étendent d'autant plus profondément dans le substrat 101 que la tension de polarisation en inverse de la photodiode est élevée, et que les niveaux de dopage rencontrés sont faibles. Pour une tension de polarisation donnée, le champ électrique généré au niveau de la jonction PN est d'autant plus intense que les niveaux de dopage des régions de type P et N formant la jonction sont élevés.
En pratique, les niveaux de dopage des régions 103 et 105 et du substrat 101 et la tension de polarisation de la photodiode sont choisis de façon que le champ électrique au niveau de la partie centrale de la jonction PN (à l'interface entre la région 105 et la partie centrale 103a de la région 103) soit suffisamment intense pour que l'avalanche puisse être déclenchée par une charge photogénérée unique, et de façon que le champ électrique au niveau de la partie périphérique de la jonction PN (à l'interface entre le substrat 101 et la partie périphérique 103b de la région 103) soit suffisamment faible pour que l'avalanche ne puisse pas être déclenchée par une charge photogénérée unique. Ceci permet de réduire les risques de déclenchement parasite de l'avalanche liés aux effets de bord à la périphérie de la jonction PN.
Pour permettre la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat 101, c'est-à-dire sous la région 105, une solution est d'utiliser un substrat 101 de niveau de dopage très faible, par exemple inférieure à 5*10^^ atomes/cm-J A titre d'exemple, le substrat 101 peut être un substrat semiconducteur non intentionnellement dopé, c'est-à-dire dont le dopage de type P résulte uniquement de sa contamination accidentelle par des
B15154 - DD17140JB impuretés lors de sa fabrication. Ceci permet que le champ électrique généré par la polarisation en inverse de la photodiode s'étende en profondeur dans le substrat. Sous l'effet de ce champ électrique, les charges photogénérées dans le substrat, en l'espèce des électrons, sont entraînées vers la jonction PN suivant une trajectoire parallèle au champ électrique. A titre de variante, l'extension du champ électrique dans l'épaisseur du substrat peut aussi être obtenue avec un substrat de niveau de dopage plus élevé, sous réserve d'augmenter significativement la tension de polarisation en inverse de la photodiode.
Une autre solution (non représentée) pour permettre la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat est d'enterrer la jonction PN de la photodiode (c'est-à-dire les régions 103 et 105 de la figure 1) en profondeur dans le substrat, de manière à raccourcir le trajet que doivent parcourir des charges photogénérées en profondeur pour atteindre la zone d'avalanche. Dans ce cas, la collecte des charges photogénérées vers la zone d'avalanche peut ne pas être assistée par un champ électrique mais résulter de la diffusion aléatoire des charges dans le substrat.
Un objet d'un mode de réalisation est de prévoir une solution alternative aux solutions susmentionnées, permettant de collecter efficacement des charges photogénérées en profondeur ou en surface dans le substrat semiconducteur.
La figure 2 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'un exemple d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD 200.
La photodiode 200 comprend un substrat semiconducteur 201, par exemple en silicium, présentant, dans l'orientation de la figure 2, des faces supérieure et inférieure sensiblement horizontales. Dans cet exemple, le substrat 201 est dopé de type P (P) . De plus, dans cet exemple, le substrat 201 est surmonté d'une couche 205 dopée de type P (P-) , de niveau de dopage inférieur à celui du substrat, et dont la face inférieure est en contact avec la face supérieure du substrat. Dans l'exemple
B15154 - DD17140JB représenté, le substrat repose en outre sur une couche 207 dopée de type P (P-), de niveau de dopage inférieur à celui du substrat, et dont la face supérieure est en contact avec la face inférieure du substrat. Dans cet exemple, la couche 207 repose elle-même sur une couche 209 dopée de type P, de niveau de dopage supérieur à celui de la couche 207, et dont la face supérieure est en contact avec la face inférieure de la couche 207. A titre d'exemple, la couche 209 peut être un substrat de support, sur la face supérieure duquel sont formés, par épitaxie, la couche 207, puis le substrat 201, puis la couche 205. A titre d'exemple, l'épaisseur du substrat 201 est comprise entre 1 et 25 pm, et les couches 205 et 207 présentent chacune une épaisseur comprise entre 50 nm et 1 pm.
La photodiode 200 comprend en outre une région localisée dopée de type N 203 (N), s'étendant dans le substrat 201 depuis la face supérieure du substrat, sur une partie seulement de la surface de la photodiode. La région 203 s'étend relativement profondément dans le substrat 201, typiquement sur une profondeur de plusieurs micromètres, par exemple sur une profondeur comprise entre 5 et 25 pm. Dans l'exemple représenté, la région 203 s'étend depuis la face supérieure de la couche 205, traverse entièrement la couche 205 et le substrat 201, et s'interrompt dans la couche 207. Ainsi, dans une partie supérieure 203a de la région 203, les faces latérales de la région 203 sont en contact avec la couche 205, dans une partie centrale 203b de la région 203, les faces latérales de la région 203 sont en contact avec le substrat 201, et dans une partie inférieure 203c de la région 203, les faces latérales et la face inférieure de la région 203 sont en contact avec la couche 207.
Le substrat 201 forme l'anode de la photodiode 200, et la région 203 forme la cathode de la photodiode 200. Selon un aspect du mode de réalisation de la figure 2, la jonction PN formée entre les faces latérales de la région 203 et le substrat 201 définit la zone d'avalanche de la photodiode 200. Autrement dit, dans le mode de réalisation de la figure 2, la partie active de la jonction PN de la photodiode 200, c'est-à-dire la partie de
B15154 - DD17140JB la jonction PN dans laquelle l'avalanche peut être déclenchée par une charge photogénérée unique, s'étend selon un plan non parallèle à la face supérieure du substrat 201, par exemple un plan sensiblement orthogonal à la face supérieure du substrat 201. Ceci constitue une différence par rapport à l'exemple de la figure 1 dans lequel la partie active de la jonction PN est horizontale, c'est-à-dire parallèle aux faces supérieure et inférieure du substrat.
La région 203 comprend par exemple un ou plusieurs doigts de silicium dopés de type N, s'étendant dans le substrat 201 depuis sa face supérieure, par exemple selon une direction sensiblement verticale. A titre de variante, la région 203 peut avoir la forme d'un tube d'axe central sensiblement vertical, s'étendant dans le substrat 201 depuis sa face supérieure.
A titre d'exemple, pour former la région 203, une tranchée est d'abord réalisée, par exemple par gravure, depuis la face supérieure de l'empilement comportant les couches 209 et 207, le substrat 201 et la couche 205, cette tranchée traversant la couche 205 et le substrat 201 et s'interrompant dans la couche 207, puis la tranchée est remplie de silicium polycristallin dopé de type N pour former la région 203.
La photodiode 200 de la figure 2 comprend en outre une métallisation de contact d'anode 211 disposée au-dessus de la face supérieure du substrat 201 et reliée électriquement au substrat 201. Dans l'exemple représenté, une région localisée de prise de contact 213 dopée de type P 213 (P+) , de niveau de dopage supérieur ou égal à celui du substrat, s'étend dans la couche 205 depuis la face supérieure de la couche 205 et se prolonge jusqu'à la face supérieure du substrat 201. La métallisation 211 est disposée sur et en contact avec la région de prise de contact 213.
La photodiode 200 de la figure 2 comprend de plus une métallisation de contact de cathode 215 disposée au-dessus de la face supérieure de la région 203 et reliée électriquement à la région 203. Dans l'exemple représenté, la métallisation 215 est disposée sur et en contact avec la face supérieure de la région
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203. Une région de prise de contact (non représentée) dopée de type N, de niveau de dopage supérieur à celui de la région 203, peut éventuellement être prévue dans la partie supérieure de la région 203, la métallisation 215 étant alors disposée sur et en contact avec la face supérieure de cette région de prise de contact.
En fonctionnement, la région 203 formant la cathode de la photodiode est polarisée à un potentiel positif V+ par l'intermédiaire de la métallisation de contact 215, et le substrat 201 formant l'anode de la photodiode est polarisé à un potentiel négatif V- par l'intermédiaire de la métallisation de contact 211, de façon que la tension cathode-anode de la photodiode soit supérieure à sa tension d'avalanche.
Comme dans l'exemple de la figure 1, lorsque la photodiode 200 est polarisée en inverse, un champ électrique apparaît au niveau de la jonction PN de la photodiode. Sur la figure 2, on a représenté en traits interrompus des lignes équipotentielles dans la structure semiconductrice lorsque la photodiode 200 est polarisée en inverse. Comme cela apparaît sur la figure, du fait que le niveau de dopage des couches 205 et 207 est inférieur au niveau de dopage du substrat 201, les lignes équipotentielles sont moins resserrées au niveau des parties supérieure (à l'interface entre la couche 205 et la partie supérieure 203a de la région 203) et inférieure (à l'interface entre la couche 207 et la partie inférieure 203c de la région 203) de la jonction PN de la photodiode qu'au niveau de la partie centrale (à l'interface entre le substrat 201 et la partie centrale 203b de la région 203) de la jonction PN. Il en résulte que le champ électrique généré au niveau des parties supérieure et inférieure de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la partie centrale de la jonction PN.
Les niveaux de dopage du substrat 201, des couches 205 et 207 et de la région 203, et la tension de polarisation de la photodiode, sont de préférence choisis de façon que le champ
B15154 - DD17140JB électrique au niveau de la partie centrale de la jonction PN soit suffisamment intense pour que l'avalanche puisse être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit supérieur à 300 kV/cm sur une distance de 100 à 500 nm selon une direction orthogonale à la jonction PN, et de façon que le champ électrique au niveau de la partie supérieure et au niveau de la partie inférieure de la jonction PN soit suffisamment faible pour que l'avalanche ne puisse pas être déclenchée par une charge photogénérée unique, par exemple soit inférieur à 300 kV/cm. A titre d'exemple, la tension de claquage en inverse (ou tension d'avalanche) de la photodiode est comprise entre 10 et 50 V, et la tension de polarisation en inverse de la photodiode est supérieure à sa tension de claquage d'une valeur comprise entre 0,5 et 10 V. Le niveau de dopage du substrat 201 est par exemple compris entre 5*10^^ et 7*1θ17 atomes/cm^. Le niveau de dopage de la région 203 est par exemple compris entre 1*1θ17 et 1*10^^ atomes/cm^. Le niveau de dopage des couches 205 et 207 est par exemple inférieur à 5*10^^ atomes/cm^.
Lorsqu'une charge est photogénérée dans le substrat 201 dans un rayon de quelques micromètres autour de la jonction PN et jusqu'à une profondeur de l'ordre de la profondeur de la région 203, la charge diffuse latéralement dans le substrat, et il existe une probabilité importante que cette charge atteigne la zone d'avalanche de la photodiode et provoque son déclenchement. Ainsi, la photodiode de la figure 2 permet de collecter efficacement des charges photogénérées en profondeur dans le substrat, comme des charges photogénérées dans une partie supérieure du substrat. En particulier, dans la photodiode de la figure 2, le temps moyen s'écoulant entre la photogénération d'une charge dans le substrat 201 et la collecte de cette charge dans la zone d'avalanche de la photodiode est sensiblement indépendant de la profondeur à laquelle la charge a été photogénérée dans le substrat.
On notera que la photodiode de la figure 2 est adaptée à être éclairée soit du côté de la face supérieure du substrat 201, soit du côté de la face inférieure du substrat 201. Dans ce
B15154 - DD17140JB dernier cas, un amincissement voire un retrait complet de la couche inférieure 209 peut éventuellement être prévu. Un avantage de la photodiode de la figure 2 est que lorsqu'elle est éclairée par sa face inférieure, la métallisation de contact d'anode 211 ne se situe pas sur le trajet de la lumière et ne réduit par conséquent pas la sensibilité de la photodiode.
Dans l'exemple de la figure 2, les couches supérieure 205 et inférieure 207 de plus faible niveau de dopage que le substrat 201 permettent de réduire les risques de déclenchement parasite de l'avalanche liés aux effets de bord aux extrémités de la jonction PN. Ces couches sont toutefois facultatives, d'autres solutions pouvant être prévues pour contrôler les risques de déclenchement parasite liés aux effets de bord, par exemple en jouant sur la forme des terminaisons supérieure et inférieure de la région 203, ou en réduisant le niveau de dopage de type N de la région 203 à ses extrémités supérieure et inférieure. En outre, un effet similaire de réduction des risques de déclenchement parasite peut être obtenu en remplaçant la couche inférieure 207 de type P par une couche de type N de niveau de dopage inférieur à celui de la région 203.
La jonction PN formée entre le substrat 201 et la région 203 est de préférence reproduite plusieurs fois de manière à augmenter les chances de capturer des charges photogénérées dans le substrat. Des exemples de photodiodes SPAD dans lesquelles la région 203 est répétée plusieurs fois sont illustrés par les figures 5, 6 et 7.
Les figures 5, 6 et 7 sont des vues en coupe transversales de photodiodes SPAD du type décrit en relation avec la figure 2, selon un plan de coupe horizontal X-X (figure 2) passant par le substrat 201.
La figure 5 illustre un exemple de photodiode SPAD, dans lequel la région 203 comprend une pluralité de barreaux de type N sensiblement verticaux à section transversale circulaire, régulièrement répartis, en vue de dessus, sur la surface de la photodiode. Chaque barreau peut être surmonté d'une métallisation
B15154 - DD17140JB de contact de cathode 215 (non visible sur la figure 5) contactant le barreau. Les métallisations 215 surmontant les différents barreaux peuvent être connectées entre elles. La métallisation de contact d'anode 211 (non visible sur la figure 5) peut être une métallisation unique, par exemple disposée dans une partie centrale de la photodiode, ou une métallisation distribuée comportant plusieurs portions interconnectées régulièrement réparties au-dessus de la face supérieure de la photodiode.
La figure 6 illustre un autre exemple de photodiode SPAD, qui diffère de l'exemple de la figure 5 principalement en ce que, dans l'exemple de la figure 6, les barreaux de type N de la région 203 ont une forme cruciforme en section transversale.
La figure 7 illustre un autre exemple de photodiode SPAD, dans lequel la région 203 comprend une pluralité de tubes de type N d'axes centraux sensiblement verticaux, régulièrement répartis, en vue de dessus, sur la surface de la photodiode. Dans l'exemple représenté, chaque tube de type N a, en section transversale, une forme carrée à coins arrondis. Chaque tube de type N de la région 203 peut être surmonté d'une métallisation de contact de cathode 215 (non visible sur la figure 5), par exemple une métallisation annulaire, contactant la face supérieure du tube. Par ailleurs, la portion de substrat 201 située à l'intérieur de chaque tube de type N de la région 203, peut être surmontée d'une métallisation de contact d'anode 211 (non visible sur la figure 5), contactant la face supérieure de la portion de substrat. Les métallisations de contact de cathode 215 surmontant les différentes régions tubulaires de type N peuvent être connectées entre elles. En outre, les métallisations de contact d'anode 211 surmontant les portions de substrat 201 contenues dans les différentes régions tubulaires de type N peuvent être connectées entre elles.
Dans les exemples des figures 5, 6 et 7, ou, plus généralement, lorsque la région 203 de la photodiode est répétée plusieurs fois, les métallisations de contact de cathode 215 surmontant les différentes régions 203 peuvent être connectées
B15154 - DD17140JB entre elles par groupes de plusieurs régions 203 voisines, de façon à obtenir des zones de détection plus larges partageant une même connexion électrique. En effet, la zone de détection de la lumière est par exemple limitée à quelques micromètres autour de chaque région 203. En regroupant plusieurs régions 203 voisines sur une même connexion électrique, on obtient des pixels de détection de dimensions supérieures.
Par ailleurs, lorsque la région 203 de la photodiode est répétée plusieurs fois pour augmenter la surface de collecte des charges photogénérées, la distance (en section transversale) entre deux régions 203 voisines peut être choisie de façon à maintenir un temps de collecte raisonnable pour des charges photogénérées à équidistance entre deux régions 203 voisines de la structure. A titre d'exemple, la distance entre deux régions 203 voisines de la structure est inférieure à 3 pm.
La figure 3 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'une variante de réalisation d'une photodiode SPAD 300. La photodiode SPAD 300 de la figure 3 comprend de nombreuses caractéristiques structurelles et fonctionnelles communes avec la photodiode SPAD 200 de la figure 2. Ces caractéristiques communes ne seront pas décrites à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences par rapport à la photodiode SPAD 200 seront détaillées.
La photodiode SPAD 300 diffère de la photodiode SPAD 200 principalement en ce qu'elle ne comprend pas de couche supérieure 205 de type P plus faiblement dopée que le substrat 201, surmontant le substrat 201.
La photodiode SPAD 300 comprend en revanche, au niveau de la partie supérieure 203a de la région 203, une région localisée 301 (N-) dopée de type N, de niveau de dopage inférieur à celui de la région 203, s'étendant dans le substrat 201 depuis la face supérieure du substrat et entourant latéralement la région 203. La région 301 s'étend par exemple dans le substrat 201 sur une profondeur comprise entre 50 et 500 nm. Au niveau de la partie supérieure 203a de la région 203, les faces latérales de la région
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203 sont en contact avec la région 301. La partie supérieure de la jonction PN de la photodiode correspond donc à l'interface entre la région 301 et le substrat 201. Du fait que le niveau de dopage de type N de la région 301 est inférieur à celui de la région 203, le champ électrique généré au niveau de la partie supérieure de la jonction PN est moins intense que le champ électrique généré au niveau de la partie centrale de la jonction PN. Ainsi, la région 301 permet de limiter les risques de déclenchement parasite de la photodiode liés aux effets de bord à l'extrémité supérieure de la région 203. A titre de variante, la région 301 peut présenter un gradient latéral de niveau de dopage, de façon que son niveau de dopage de type N décroisse progressivement lorsqu'on s'éloigne de la région 203.
La figure 4 est une vue en coupe latérale schématique et partielle d'une variante de réalisation d'une photodiode SPAD 400. La photodiode SPAD 400 de la figure 4 comprend de nombreuses caractéristiques structurelles et fonctionnelles communes avec la photodiode SPAD 200 de la figure 2. Ces caractéristiques communes ne seront pas décrites à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences par rapport à la photodiode SPAD 200 de la figure 2 seront détaillées.
Dans l'exemple de la figure 4, la photodiode 400 est formée à partir d'un substrat de type silicium sur isolant (SOI). La couche 209 correspond au substrat de support de l'empilement SOI. Une couche isolante 401 (BOX), par exemple en un oxyde de silicium, est disposée sur et en contact avec la face supérieure de la couche 209. La couche isolante 401 est elle-même surmontée de l'empilement des couches 207, 201 et 205. Dans l'exemple représenté, la couche inférieure 207 est une couche de type N de niveau de dopage inférieur à celui de la région 203, et la couche supérieure 205 est une couche de type P de niveau de dopage inférieur à celui du substrat 201.
Dans l'exemple de la figure 4, la région 203 est localisée à la périphérie d'une tranchée s'étendant depuis la face supérieure de la couche 205, traversant entièrement la couche 205,
B15154 - DD17140JB le substrat 201 et la couche 207, et débouchant sur la face supérieure de la couche isolante 401. Après la formation de la tranchée, du silicium polycristallin dopé de type N est déposé sur les parois latérales de la tranchée de façon à remplir partiellement la tranchée. Le cas échéant, le silicium polycristallin est retiré en fond de tranchée. La tranchée est ensuite comblée avec un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium, de façon à former un mur isolant 403 reliant la couche 401 à la face supérieure de la couche 205.
La configuration de la figure 4 présente un intérêt tout particulier dans le cas où la région 203 présente une forme tubulaire, par exemple du type représenté en figure 7. En effet, dans ce cas, la portion de substrat 201 de type P située à l'intérieur du tube de type N 203 est entièrement isolée du reste du substrat 201 par la couche isolante 401 et par le mur isolant périphérique 403. Ceci permet de circonscrire la polarisation haute tension du substrat 201. Ceci facilite en particulier l'intégration d'autres composants (non représentés) dans et sur le même substrat 201 que la photodiode SPAD.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples numériques de dimensions et de niveaux de dopages mentionnés dans la description.
De plus, les avantages décrits ci-dessus peuvent être obtenus en inversant tous les types de conductivité par rapport aux exemples décrits en relation avec les figures 2 à 7.
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Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Photodiode de type SPAD (200 ; 300 ; 400) comportant :
    un substrat semiconducteur (201) d'un premier type de conductivité ayant une face avant et une face arrière ; et une première région semiconductrice (203) du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat (201) depuis sa face avant et en direction de sa face arrière, les faces latérales de la première région (203) étant en contact avec le substrat (201) et la jonction entre les faces latérales de la première région (203) et le substrat (201) définissant une zone d'avalanche de la photodiode.
  2. 2. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon la revendication 1, comprenant en outre une première métallisation (211) de polarisation du substrat (201), située sur la face avant du substrat (201), et une deuxième métallisation (215) de polarisation de la première région (203), située sur la face avant de la première région (203) .
  3. 3. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première région (203) comprend plusieurs barreaux ou tubes semiconducteurs du deuxième type de conductivité s'étendant dans le substrat (201).
  4. 4. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon la revendication 3, dans laquelle la distance, en section transversale, entre deux barreaux ou tubes voisins de la première région (203) est inférieure ou égale à 3 pm.
  5. 5. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la première région (203) s'étend dans le substrat sur une profondeur comprise entre 5 et 25 pm.
  6. 6. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre une première couche semiconductrice (207) revêtant la face arrière du substrat (201), la première région (203) traversant entièrement le substrat (201) et s'interrompant dans la première couche (207), la première
    B15154 - DD17140JB couche (207) étant dopée du premier type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui du substrat (201), ou la première couche (207) étant dopée du deuxième type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui de la première région (203) .
  7. 7. Photodiode (200 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre une deuxième couche semiconductrice (205) revêtant la face avant du substrat (201), la première région (203) traversant entièrement la deuxième couche (205), la deuxième couche (205) étant dopée du premier type de conductivité et de niveau de dopage inférieur à celui du substrat.
  8. 8. Photodiode (300) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre une région localisée (301) dopée du deuxième type de conductivité, de niveau de dopage inférieur à celui de la première région (203), s'étendant dans le substrat (201) depuis sa face supérieure et entourant latéralement la première région (203).
  9. 9. Photodiode (200 ; 300 ; 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le substrat (201) est en silicium, la première région (203) étant formée par remplissage, par du silicium polycristallin de type de conductivité opposé à celui du substrat, d'une tranchée formée dans le substrat (201).
  10. 10. Photodiode (400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le substrat repose, du côté de sa face arrière, sur une couche isolante (401), et dans laquelle la première région (203) traverse entièrement le substrat (201) et s'interrompt sur la face avant de la couche isolante (401).
  11. 11. Photodiode (400) selon la revendication 10, dans laquelle la première région (203) est formée par remplissage partiel, par du silicium polycristallin de type de conductivité opposé à celui du substrat, d'une tranchée formée dans le substrat (201), la tranchée étant ensuite comblée par un matériau isolant de façon à obtenir un mur isolant (403) reliant la face avant de la couche isolante (401) à la face avant du substrat (201).
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    1/2
    107 103b V+ 103a 103 105 103b
    V-
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