FR3114441A1 - Photodiode de type spad - Google Patents

Photodiode de type spad Download PDF

Info

Publication number
FR3114441A1
FR3114441A1 FR2009721A FR2009721A FR3114441A1 FR 3114441 A1 FR3114441 A1 FR 3114441A1 FR 2009721 A FR2009721 A FR 2009721A FR 2009721 A FR2009721 A FR 2009721A FR 3114441 A1 FR3114441 A1 FR 3114441A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
substrate
region
photodiode
value
spad
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR2009721A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3114441B1 (fr
Inventor
François Ayel
Olivier SAXOD
Norbert Moussy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR2009721A priority Critical patent/FR3114441B1/fr
Priority to US17/483,390 priority patent/US12113137B2/en
Priority to CN202111120815.XA priority patent/CN114256373A/zh
Publication of FR3114441A1 publication Critical patent/FR3114441A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3114441B1 publication Critical patent/FR3114441B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

PHOTODIODE DE TYPE SPAD La présente description concerne une photodiode (200) de type SPAD comportant une zone de déplétion dans une première partie d'un substrat semiconducteur (101) d'un premier type de conductivité et comprenant en outre une grille (201) isolée électriquement du substrat, s'étendant dans le substrat depuis une face supérieure du substrat, et séparant la première partie du substrat d'une deuxième partie (205). La photodiode comprend en outre une première région (206) du deuxième type de conductivité s'étendant depuis la face supérieure du substrat dans la deuxième partie. Figure pour l'abrégé : Fig. 8

Description

PHOTODIODE DE TYPE SPAD
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").
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. En particulier, il peut se produire des fausses détections avec des photodiodes SPAD connues.
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des photodiodes SPAD connues.
Un objet d'un mode de réalisation est de réduire, voire de supprimer, les fausses détections.
Un mode de réalisation prévoit une photodiode de type SPAD comportant une zone de déplétion dans une première partie d'un substrat semiconducteur d'un premier type de conductivité et comprenant en outre une grille isolée électriquement du substrat, s'étendant dans le substrat depuis une face supérieure du substrat, et séparant la première partie du substrat d'une deuxième partie, la photodiode comprenant en outre une première région du deuxième type de conductivité s'étendant depuis la face supérieure du substrat dans la deuxième partie.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comprend en outre un circuit d'application d'une tension de polarisation à ladite zone de déplétion, ladite tension étant égale en valeur absolue à une première valeur supérieure à la tension d'avalanche de la photodiode pendant une première phase et égale en valeur absolue à une deuxième valeur inférieure à la première valeur pendant une deuxième phase, et d'application d'un potentiel à la grille à une troisième valeur adaptée à repousser les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant la première phase et à une quatrième valeur adaptée à attirer les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant une partie de la deuxième phase.
Selon un mode de réalisation, le niveau de dopage du substrat est inférieur à 5*1014atomes/cm3.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comprend, dans la première partie du substrat :
- une deuxième région du deuxième type de conductivité s'étendant depuis la face supérieure du substrat ; et
- une troisième région du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, s'étendant depuis la face inférieure de la deuxième région opposée à la face supérieure du substrat, la troisième région ayant, en vue de dessus, une surface inférieure à celle de la deuxième région et étant située en regard d'une partie centrale de la deuxième région.
Selon un mode de réalisation, la photodiode comprend en outre :
- une quatrième région du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat s'étendant depuis la face supérieure du substrat ; et
- une cinquième région enterrée du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, formant un anneau périphérique reliant la troisième région à la quatrième région de façon que les faces latérales et la face inférieure de la deuxième région soient entièrement entourées par l'ensemble formé par les troisième, quatrième et cinquième régions.
Selon un mode de réalisation, la quatrième région entoure latéralement la deuxième région.
Selon un mode de réalisation, le niveau de dopage de la quatrième région est supérieur ou égal à celui de la troisième région.
Selon un mode de réalisation, les épaisseurs E105 et E111 des troisième et cinquième régions, et les niveaux de dopage C105 et C111 des troisième et cinquième régions sont tels que le produit C111*E111 est supérieur ou égal au produit C105*E105.
Selon un mode de réalisation, les quatrième et cinquième régions ne sont pas en contact avec la deuxième région.
Selon un mode de réalisation, la profondeur de la grille dans le substrat par rapport à la face supérieure du substrat est supérieure à la profondeur de la face inférieure de la troisième région par rapport à la face supérieure du substrat.
Selon un mode de réalisation, la profondeur de la grille dans le substrat par rapport à la face supérieure du substrat est supérieure à la profondeur de la face inférieure de la cinquième région par rapport à la face supérieure du substrat.
Un mode de réalisation prévoit également un procédé de commande d'une photodiode telle que définie précédemment, comprenant :
- l'application d'une tension de polarisation à ladite zone de déplétion, ladite tension étant égale en valeur absolue à une première valeur supérieure à la tension d'avalanche de la photodiode pendant une première phase et égale en valeur absolue à une deuxième valeur inférieure à la première valeur pendant une deuxième phase ; et
- l'application d'un potentiel à la grille à une troisième valeur adaptée à repousser les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant la première phase et à une quatrième valeur adaptée à attirer les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant une partie de la deuxième phase.
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 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un exemple de photodiode SPAD ;
la est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre exemple de photodiode SPAD ;
la est un schéma électrique d'un circuit électronique comprenant une photodiode SPAD et un circuit d'extinction de la photodiode SPAD ;
la est chronogramme de la tension aux bornes du circuit d'extinction de la au cours du fonctionnement de la photodiode SPAD ;
la représente des courbes d'évolution du potentiel dans des régions de la photodiode SPAD au cours du fonctionnement de la photodiode ;
la illustre un premier phénomène de génération de paires électron/trou pouvant se produire au cours de l'avalanche de la photodiode SPAD ;
la illustre un deuxième phénomène de génération de paires électron/trou pouvant se produire au cours de l'avalanche de la photodiode SPAD ;
la est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
la est une vue de dessus, partielle et schématique, du mode de réalisation de photodiode SPAD représenté en ;
la est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
la est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
la est un chronogramme de signaux de commande de la photodiode SPAD représentée sur les figures 8 et 9 ;
la comprend, en partie gauche une vue en coupe, et en en partie droite, une vue en coupe de détail, de la structure de photodiode SPAD utilisée pour des simulations ;
la représente des isopotentielles pour la structure représentée en pour différentes hauteurs de grille dans une première configuration de polarisation ;
la représente des isopotentielles pour la structure représentée en pour différentes hauteurs de grille dans une deuxième configuration de polarisation ;
la représente d'autres isopotentielles pour la structure représentée en pour différentes hauteurs de grille dans la deuxième configuration de polarisation ;
la est un schéma électrique d'un circuit électronique comprenant une photodiode SPAD ;
la est un schéma électrique d'un mode de réalisation plus détaillé du circuit électronique de la ;
la est un chronogramme de tensions au cours du fonctionnement du circuit électronique représenté en ;
la est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation plus détaillé du circuit électronique de la ; et
la est un chronogramme de tensions au cours du fonctionnement du circuit électronique représenté en .
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. De plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments 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, 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.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. 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", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. En outre, on considère ici que les termes "isolant" et "conducteur" signifient respectivement "isolant électriquement" et "conducteur électriquement".
La est une vue en coupe, partielle et schématique, 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. La photodiode 101 comprend en outre, dans une partie supérieure du substrat 101, une région dopée de type N 103 s'étendant depuis la face supérieure du substrat, et, sous la région 103, une région dopée de type P 105, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, s'étendant depuis la face inférieure de la région 103. A titre d'exemple, la région 103 à une épaisseur comprise entre 50 nm et 250 nm, et la région 105 a une épaisseur comprise entre 100 nm et 500 nm. 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. A titre d'exemple, la largeur de la région périphérique 103b est comprise entre 0,1 µm et 2 µm.
Dans l'exemple représenté, la face inférieure et la face latérale de la région périphérique 103b de la région 103 est en contact avec le substrat 101. La région centrale 103a de la région 103 a sa face inférieure en contact avec la face supérieure de la région 105. 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. En vue de dessus (non représentée), les régions 103 et 105 sont par exemple de forme circulaire ou carrée à bords arrondis. Les modes de réalisation décrits ne se limitent toutefois pas à ce cas particulier. Dans l'exemple représenté, la photodiode 100 comprend en outre une couche de passivation 107, par exemple en oxyde de silicium, recouvrant la face supérieure du substrat 101. Dans l'exemple représenté, la couche de passivation 107 recouvre toute la surface de la photodiode. La couche de passivation 107 peut comprendre des ouvertures (non représentées) en regard de régions de prise de contact (non représentées) pour la polarisation du substrat 101. Des métallisations de contact peuvent alors être formées dans ces ouvertures. Dans cet exemple, la photodiode 100 comprend en outre, dans une partie inférieure du substrat 101, une région dopée de type P 109, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, s'étendant dans le substrat 101 depuis sa face inférieure. A titre d'exemple, la couche 109 peut être un substrat de départ, par exemple de 700 µm à 850 µm d'épaisseur, sur la face supérieure duquel est formé, par épitaxie, le substrat 101. A titre de variante, la couche 109 peut être la couche supérieure de silicium monocristallin d'un empilement de type silicium sur isolant (SOI), sur la face supérieure de laquelle est formé, par épitaxie, le substrat 101. La couche 109 s'étend par exemple sur sensiblement toute la surface du substrat 101. L'épaisseur de substrat 101 située sous la région 105, c'est-à-dire entre la face inférieure de la région 105 et la face supérieure de la couche 109 dans l'exemple représenté, est par exemple comprise entre 1 µm et 20 µm.
La photodiode SPAD 100 comprend en outre une région de type P 110, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, s'étendant verticalement dans le substrat 101 depuis sa face supérieure, sur une profondeur supérieure à celle de la région 103, et formant un anneau périphérique entourant entièrement la région 103 en vue de dessus. A titre d'exemple, le niveau de dopage de la région 110 est intermédiaire entre le niveau de dopage du substrat et le niveau de dopage de la région 105. A titre de variante, le niveau de dopage de la région 110 est supérieur à celui de la région 105. Une distance non nulle sépare de préférence la région 103 de la région 110, par exemple une distance comprise entre 0,5 µm et 5 µm. Dans cet exemple, la région 110 s'étend jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur du substrat 101, par exemple jusqu'à une profondeur sensiblement égale à celle de la face inférieure de la région 105.
La photodiode 100 comprend de plus une région enterrée de type P 111, de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, dont la face supérieure est située à une profondeur supérieure à celle de la région 103, par exemple à une profondeur supérieure ou égale à celle de la face inférieure de la région 105. La région 111 s'étend notamment sous la partie périphérique 103b de la région 103. La région 111 forme un anneau enterré reliant la région 110 à la région 105 tout le long de la périphérie de la jonction PN. Ainsi, les régions 110, 111 et 105 forment un caisson de séparation continu entourant entièrement les faces latérales et la face inférieure de la région 103, et s'interposant entre la région 103 et la partie inférieure du substrat 101. Le niveau de dopage de la région 111 est par exemple identique ou similaire à celui de la région 105. Dans cet exemple, la région 111 s'étend jusqu'à une profondeur inférieure à celle de la face inférieure du substrat 101. A titre d'exemple, l'épaisseur de la région 111 est comprise entre 200 nm et 600 nm. Si l'on désigne par E105 l'épaisseur de la région 105, par C105 la concentration moyenne d'éléments dopants dans la région 105, par E111 l'épaisseur de la région 111, et par C111 la concentration moyenne d'éléments dopants dans la région 111, les valeurs E105, C105, E111, C111 sont par exemple telles que le produit C111*E111 est supérieur ou égal au produit C105*E105, la différence entre le produit C111*E111 et le produit C105*E105 étant de préférence inférieure à 10 % du produit C111*E111.
En fonctionnement, la région 103, formant la cathode de la photodiode, est polarisée à un potentiel V+, et la région 105, formant l'anode de la photodiode, est polarisée à un potentiel V-, de façon que la tension cathode-anode de la photodiode soit supérieure à sa tension d'avalanche. Par souci de simplification, les bornes de contact permettant de polariser la photodiode n'ont pas été représentées. A titre d'exemple, la polarisation de la région d'anode de la photodiode peut être effectuée par l'intermédiaire des régions 110 et 111. Pour cela, une métallisation de connexion (non représentée) peut être disposée en contact avec la face supérieure de la région 110, dans une ouverture (non représentée) formée dans la couche de passivation 107.
Lorsque la photodiode 100 est polarisée en inverse, un champ électrique apparaît au niveau de la jonction PN de la photodiode. Sur la , on a représenté en traits interrompus les lignes équipotentielles dans le substrat 101 lorsque la photodiode 100 est polarisée en inverse.
Les niveaux de dopage des régions 101, 103, 105, 110 et 111, la distance entre la région 110 et la région 103, la distance entre la région 111 et la région 103, et la tension de polarisation de la photodiode, sont par exemple 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, par exemple soit supérieur à 300 kV/cm sur une épaisseur de 100 nm à 500 nm, et de façon que le champ électrique au niveau de la partie périphérique de la jonction PN (à l'interface entre le substrat 101 — dont le niveau de dopage peut avoir localement augmenté du fait de la réalisation de la région enterrée 111 — 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, 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 V 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 V et 10 V.
Le substrat 101 de la photodiode 100 est de préférence faiblement dopé pour faciliter la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat 101. Comme illustré par les lignes équipotentielles tracées sur la , le champ électrique résultant de la polarisation en inverse de la partie périphérique de la jonction PN reste confiné dans les régions 110 et 111, et ne s'étend pas ou peu dans la partie inférieure du substrat 101 (i.e. dans la partie du substrat 101 située à l'extérieur du caisson de séparation formé par les régions 110, 111 et 105). En d'autres termes, dans l'exemple de la , les lignes équipotentielles présentent des protubérances arrondies autour de la partie périphérique de la jonction PN, mais ces protubérances restent confinées à l'intérieur des régions 110 et 111, et ne s'étendent pas sous la partie centrale de la photodiode. Le champ électrique résultant de la polarisation en inverse de la partie centrale de la jonction PN s'étend quant à lui en profondeur dans le substrat 101, sous la région 105. A partir d'une certaine profondeur p dans le substrat 101, correspondant sensiblement à la profondeur de la face inférieure de la région 111, les lignes de champ s'évasent, et un champ électrique pointant vers la zone d'avalanche de la photodiode se développe sous au moins une portion de la partie périphérique de la jonction PN. Ainsi, dans l'exemple de la , la largeur de collecte des charges photogénérées dans le substrat est toujours au moins sensiblement égale à la largeur de la zone d'avalanche (c'est-à-dire sensiblement égale à la largeur de la région 105), et peut être supérieure à la largeur de la zone d'avalanche pour des charges photogénérées en profondeur dans le substrat 101. Plus particulièrement, du fait de la continuité du caisson de séparation formé par les régions 110 et 111, la structure de la bénéficie d'un effet "lentille" qui la rend particulièrement adaptée à la collecte de charges photogénérées en profondeur dans le substrat 101.
A titre d'exemple, dans la structure de la , pour permettre la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat 101, c'est-à-dire sous la région 105, le substrat 101 est faiblement dopé, par exemple de niveau de dopage inférieur à 5*1014 atomes/cm3. 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 impuretés lors de sa fabrication. A titre d'exemple, le niveau de dopage de la région 103 est compris entre 5*1017 atomes/cm3 et 5*1019 atomes/cm3, le niveau de dopage de la région 105 est compris entre 1*1016 atomes/cm3 et 5*1017 atomes/cm3, le niveau de dopage de la région 110 est compris entre 5*1017 atomes/cm3 et 5*1019 atomes/cm3, et le niveau de dopage de la région 111 est compris entre 1*1016 atomes/cm3 et 5*1017 atomes/cm3. La distance entre la région 103 et la région 110 et la distance entre la région 103 et la région 111 sont de préférence telles que la distance entre le contour de concentration en éléments dopants de type N à 1017 atomes/cm3 et le contour de concentration en éléments dopants de type P à 1017 atomes/cm3 est au minimum de 0,2 µm au niveau de la partie périphérique de la jonction PN.
Comme l'illustre la , il résulte du faible niveau de dopage du substrat 101 que le champ électrique généré par la polarisation en inverse de la photodiode s'étend en profondeur dans le substrat 101, à distance de la jonction PN de la photodiode. Sous l'effet de ce champ électrique, les charges photogénérées dans le substrat 101, 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 101 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.
La est une vue en coupe schématique et partielle d'un autre exemple d'une photodiode SPAD 120. La photodiode SPAD 120 de la comprend de nombreux éléments communs avec la photodiode SPAD 100 de la . Ces éléments communs ne seront pas décrits à nouveau. Dans la suite, seules les différences entre la structure de la et la structure de la seront détaillées.
La photodiode 120 de la diffère de la photodiode 100 de la essentiellement en ce que, dans l'exemple de la , une tranchée périphérique 121 remplie de silicium polycristallin dopé de type P est substituée à la région de substrat dopée de type P 110 de la structure de la . La tranchée 121 s'étend verticalement depuis la face supérieure du substrat jusqu'à une profondeur supérieure à celle de la région 103, et forme un anneau périphérique entourant entièrement la région 103 en vue de dessus. Dans l'exemple représenté, la tranchée 121 s'étend jusqu'à la couche 109, et débouche dans la couche 109. La tranchée 121 n'est pas isolée du substrat 101, c'est-à-dire que le silicium polycristallin dopé de type P remplissant la tranchée 121 est en contact avec le substrat 101 au niveau des parois de la tranchée 121. De préférence, une région 122 de niveau de dopage supérieur à celui du substrat 101, s'étend dans le substrat 101 depuis les parois latérales de la tranchée 121. Pour former la région 122, on peut par exemple prévoir un recuit de la structure après remplissage de la tranchée par du silicium polycristallin dopé de type P, de manière à faire diffuser dans le substrat 101 des éléments dopants de type P en provenance du silicium polycristallin. La prévision de la région 122 permet d'éviter que les lignes de champ électrique n'atteignent les parois de la tranchée 121, ce qui pourrait attirer vers la zone d'avalanche des charges parasites générées à l'interface avec la tranchée 121. Le niveau de dopage du silicium polycristallin remplissant la tranchée 121 est supérieur à celui du substrat 101. Le niveau de dopage dans la tranchée 121 est par exemple supérieur à celui de la région 105. Une distance non nulle sépare de préférence la région 103 de la tranchée 121.
La photodiode 120 de la comprend une région enterrée de type P 111 sensiblement identique à celle de la photodiode 100 de la , reliant la tranchée 121 à la région 105 tout le long de la périphérie de la jonction PN. Ainsi, les régions 121, 111 et 105 forment un caisson de séparation continu entourant entièrement les faces latérales et la face inférieure de la région 103, et s'interposant entre la région 103 et la partie inférieure du substrat 101.
Du fait de la continuité de la séparation entre la région 103 et la partie inférieure du substrat 101, la structure de la permet d'obtenir, de façon identique ou similaire à ce qui a été décrit en relation avec la , une amélioration significative de l'efficacité de collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat.
A titre d'exemple, comme cela a été représenté sur la , la polarisation de la région d'anode de la photodiode peut être effectuée par l'intermédiaire de la tranchée 121. Pour cela, une métallisation de connexion 124 peut être disposée en contact avec la face supérieure de la tranchée 121, dans une ouverture formée dans la couche de passivation 107.
La est un schéma électrique d'un circuit électronique 150 comprenant une photodiode SPAD 151, ayant par exemple la structure représentée sur la ou 2. La cathode de la photodiode SPAD 151 est reliée à une source d'un potentiel de référence haut VHV. L'anode de la photodiode SPAD 151 est reliée, de préférence connectée, à une première borne d'un circuit d'extinction 152 (en anglais « quench ») dont une deuxième borne est reliée, de préférence connectée, à une source d'un potentiel de référence intermédiaire GND, par exemple la masse. A titre de variante, le circuit d'extinction 152 peut être situé entre la cathode de la photodiode SPAD 151 et la source du potentiel de référence haut VHV, l'anode de la photodiode SPAD 151 pouvant alors être reliée directement à la source du potentiel de référence intermédiaire GND, pris égal par exemple à 0 V. Selon une autre variante, le circuit d'extinction 152 peut être situé entre la cathode de la photodiode SPAD 151 et la source du potentiel de référence intermédiaire GND, pris égal par exemple à 0 V, l'anode de la photodiode SPAD 151 pouvant alors être reliée directement à une source du potentiel de référence bas VBV, par exemple négatif. On appelle VAK la tension entre l'anode et la cathode de la photodiode SPAD 151 et VQUENCH la tension entre la première borne et la deuxième borne du circuit d'extinction 152. Le potentiel V+ est alors égal à VHV et le potentiel V- est égal à VQUENCH de sorte que la tension VAK est égale à VQUENCH-VHV.
La tension VAKappliquée entre l'anode et la cathode de la photodiode SPAD 151 pendant la phase de détection est supérieure, en valeur absolue, à la tension de claquage Vbv de la photodiode SPAD d'une tension Vex. Lors d'un déclenchement de la photodiode SPAD, le circuit d'extinction 152 abaisse temporairement la tension VAKen valeur absolue sensiblement à Vbv pour stopper l'avalanche puis ramène la tension VAKen valeur absolue à Vbv+Vex pour une nouvelle phase de détection.
La est un chronogramme de la tension VQUENCH. Comme cela a été décrit précédemment, pendant une phase de détection PH, l'anode de la photodiode SPAD 151 est polarisée par l'intermédiaire du circuit d'extinction 152 de sorte que la tension VAK est égale à –(Vbv+Vex). Lorsque l'avalanche de la photodiode SPAD est détectée, le circuit d'extinction 152 commande l'augmentation de la tension VQUENCH de la valeur Vex de sorte que la tension VAK passe à l'instant t0 à -Vbv pendant une durée tr, appelée temps de recharge, pour provoquer l'arrêt de l'avalanche. A l'instant t1 égal à t0+tr, le circuit d'extinction 152 commande la diminution de la tension VQUENCH de la valeur Vex de sorte que la tension VAK passe à –(Vbv+Vex) pour débuter une nouvelle phase de détection PH. Deux phases de détection PH successives sont donc séparées par une phase de recharge PR dont la durée est égale au temps de recharge tr. Il est souhaitable que le temps de recharge tr soit minimal de façon à pouvoir compter un maximum de photons incidents.
La représente des courbes C0, CPH, et CPR d'évolution du potentiel Po en volts dans les régions 103 et 105 et dans le substrat 101 de la photodiode SPAD par exemple le long de l'axe de symétrie de la structure à différents instants au cours du fonctionnement de la photodiode. La courbe C0 correspond au cas où la tension VAK est nulle. La courbe CPH correspond à une phase de détection PH et la courbe CPR correspond à une phase de recharge PR.
L’avalanche se produit à la jonction entre la région 103 (N+) fortement dopée de type N et la région 105 dopée de type P. Il y a une forte génération de porteurs de charges dans cette zone pendant l'avalanche, le champ électrique accélérant les électrons en direction de la région 103 dopée de type N tandis que les trous eux sont évacués vers la région 105 dopée de type P.
Les figures 6 et 7 illustrent deux phénomènes de génération de paires électron/trou pouvant se produire au cours de l'avalanche de la photodiode SPAD. Sur ces figures, chaque électron e- est représenté par un cercle vide et chaque trou h+ est représenté par un cercle hachuré. La illustre un phénomène de génération d'une paire électron/trou, indiquée par le cercle 154 en trait tireté, dans le substrat 101 (P-) faiblement dopé de type P lors du transit des trous dans le substrat 101 vers la zone de déplétion. Il peut donc y avoir génération d’électrons en dehors de l’interface entre la région 103 (N+) et la région 105 (P). La illustre un phénomène d'origine cinétique pouvant aboutir au même résultat. Les électrons générés lors de l’avalanche, peuvent l’être dans des directions multiples. Certains seront générés avec une énergie cinétique les poussant en dehors de l’interface entre la région 103 (N+) et la région 105 (P) vers le substrat 101 (P-) (un exemple est indiqué par la flèche 156).
Au blocage de la photodiode SPAD suite à la détection de l'avalanche, la tension VAK remonte à -Vbv. Comme cela est illustré par la courbe CPR en , cela entraîne la formation d'une barrière de potentiel entre la région 105 (P) dopée de type P et le substrat 101 (P-) faiblement dopé de type P. Les électrons qui se trouvaient dans le substrat 101 auraient dû rejoindre la région 103 dopée de type N grâce au champ électrique présent, mais se trouvent bloqués dans le substrat 101 (P-). S’il reste des charges dans le substrat 101 (P-) lors du blocage, elles ne peuvent pas s’évacuer jusqu’à la région 103. A la fin de la phase de recharge et au début de la phase de détection suivante, la barrière de potentiel disparaît comme cela est illustré par la courbe CPH en . Ces charges restantes dans le substrat 101 vont alors rejoindre la zone de déplétion et peuvent déclencher la photodiode SPAD, même en l’absence de photon. Ce phénomène parasite empêche la recharge rapide de la photodiode SPAD et peut provoquer des fausses détections.
Les figures 8 et 9 sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus, partielles et schématiques, d'un mode de réalisation d'une photodiode SPAD 200.
La photodiode SPAD 200 des et 9 comprend l'ensemble des éléments de la photodiode SPAD 120 de la et comprend, en outre, une grille 201 s'étendant dans le substrat 101. La grille 201 est formée par une tranchée 202 dont les parois sont recouvertes d'une couche isolante 203, par exemple en oxyde de silicium, et qui est remplie d'un matériau conducteur 204, par exemple du silicium polycristallin dopé de type P. La grille 201 s'étend verticalement dans le substrat 101 depuis la face supérieure du substrat 101 jusqu'à une profondeur, également appelée hauteur, supérieure à la profondeur de la face inférieure de la région 105 et, de préférence, supérieure à la profondeur de la face inférieure de la région 111. La grille 201 sépare une portion 205 du substrat 101 du reste du substrat 101. La hauteur de la grille 201 est strictement inférieure à l'épaisseur du substrat 101. L'épaisseur de la grille 201 peut être comprise entre 300 nm et 4 µm, par exemple égale à environ 2 µm. L'épaisseur de la couche isolante 203 peut être comprise entre 5 nm et 50 nm, de préférence entre 10 nm et 50 nm, plus préférentiellement entre 20 nm et 40 nm, par exemple égale à environ 30 nm. Une région 206 fortement dopée de type N s'étend, dans cette portion 205, depuis la surface du substrat 101 jusqu'à une profondeur du même ordre que la région 103. En , on a représenté une métallisation de connexion 207 en contact avec la face supérieure du matériau conducteur 204, dans une ouverture formée dans la couche de passivation 107.
La est une vue de dessus, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD 210.
La photodiode SPAD 210 comprend l'ensemble des éléments de la photodiode SPAD 200 représentée en à la différence que la région 122 correspond à une couche diélectrique, par exemple une couche en oxyde de silicium. Comme cela est représenté en , la photodiode SPAD 210 comprend en outre une région 212 fortement dopée de type P s'étendant dans le substrat 101 depuis la surface du substrat 101 et venant au contact de l'anneau 111. La région 212 est utilisée pour la polarisation de l'anneau 111. La région 212 peut être reliée au circuit 152.
La est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD 220.
La photodiode SPAD 220 comprend l'ensemble des éléments de la photodiode SPAD 200 représentée en à la différence que la tranchée 121 est remplie d'un matériau diélectrique et que la région 122 est obtenue par implantation de dopants sur les flancs de la tranchée 121. La photodiode SPAD 220 peut en outre comprendre la région 212, telle que représentée en et non visible en , pour la polarisation de l'anneau 111.
La est un chronogramme de signaux de commande des modes de la photodiode SPAD 200, 210, 220 représentée sur les figures 8 à 11. Plus précisément, on a représenté sur la la tension VAK et le potentiel VEGA appliqué à la grille 201.
Un potentiel positif est appliqué en permanence à la région 206 dopée de type N, par exemple un potentiel compris entre 1,8 V et 3 V. Pendant chaque phase de détection PH, un potentiel négatif VBVest appliqué à la grille 201. Ceci permet de passiver par des trous l’interface entre la couche d'oxyde 203 de la grille 201 et le substrat 101. Cela évite des déclenchements indésirables de la photodiode SPAD dus à des problèmes d’interface. La présence de la grille 201 ne modifie alors pas le fonctionnement de la photodiode SPAD.
Après l'instant t0 qui indique le début d'une phase de recharge PR, un potentiel positif VON est appliqué à la grille 201 à un instant t0' précédant l'instant t1 qui indique la fin d'une phase de recharge PR. Le potentiel VON est par exemple égal à 1,8 V. Les électrons éventuellement présents dans le substrat 101 à la fin de la phase de détection PH sont alors évacués vers la région 206 dopée de type N. A un instant t1' qui suit l'instant t0' et qui précède l'instant t1, le potentiel négatif VBV est appliqué à nouveau à la grille 201. A l'instant t1, une nouvelle phase de détection PH débute. En , on a représenté le potentiel appliqué à la grille 201 sous la forme d'un échelon. En pratique, le potentiel appliqué à la grille 201 peut avoir une forme différente d'un échelon tant qu'il présente une valeur suffisamment élevée suffisamment longtemps pour permettre, pendant la phase de recharge PR, l'évacuation des électrons présents dans le substrat 101 vers la région 206.
Pour le mode de réalisation de photodiode SPAD 210 illustré en , la tranchée 121 est polarisée afin que l'interface 122 soit passivée. A titre d'exemple, elle peut être amenée au potentiel négatif VBV.
La comprend, en partie gauche une vue en coupe, et, en partie droite, une vue en coupe de détail, de la structure de photodiode SPAD utilisée pour réaliser des simulations. La structure considérée est analogue à celle représentée sur la et était à symétrie de révolution autour de l'axe Y des ordonnées. En , on a en outre représenté des lignes de niveau de la concentration de dopants dans la photodiode SPAD. A titre d'exemple, les lignes de niveau N1, N2, et N3 correspondent à des concentrations de dopants de type N égales respectivement à 4,6*1014 atomes/cm3, 3*1017 atomes/cm3, et 2*1020 atomes/cm3, et les lignes de niveau P1, P2, et P3 correspondent à des concentrations de dopants de type P égales respectivement à 2*1014 atomes/cm3, 1,5*1017 atomes/cm3, et 1*1020 atomes/cm3. L'épaisseur de la grille 201, mesurée selon l'axe X, était de 2 µm.
Des simulations ont été réalisées pour différentes hauteurs de grille 201 selon l'axe Y. Pour les simulations, le potentiel positif VHVest appliqué à la région 103 et un potentiel positif égal à 3,3 V est appliqué à la région 206.
La comprend des vues A), B), C), D), et E) représentant des isopotentielles obtenues pour des hauteurs de grille 201 égales respectivement à 1 µm, 1,5 µm, 2 µm, 2,5 µm, et 3 µm obtenues lorsqu'un potentiel négatif de -1 V est appliqué à la grille 201 pendant une phase de détection PH. La référence I-0.5 désigne les régions de la photodiode SPAD où le potentiel est entre 0 V et -1 V. Les références I0, I3.3 et I17 désignent des isopotentielles correspondant aux potentiels égaux respectivement à 0 V, 3,3 V, et 17 V. Ces vues mettent en évidence que la grille 201 isole la région 206 pendant une phase de détection et qu'il n'y aura par conséquence pas d'impact sur le fonctionnement de la photodiode SPAD.
Les figures 15 et 16 comprennent chacune des vues A), B), C), D), et E) contenant des isopotentielles obtenues pour des hauteurs de grille 201 égales à respectivement 1 µm, 1,5 µm, 2 µm, 2,5 µm, et 3 µm lorsqu'un potentiel positif de 1,8 V est appliqué à la grille 201. Sur la , les références I-0.5, I0, I0.5, I3.3 et I17 désignent des isopotentielles correspondant aux potentiels égaux respectivement à -0.5 V, 0 V, 0,5 V, 3,3 V, et 17 V. Sur la , La référence I-0.5 désigne les régions de la photodiode SPAD où le potentiel est entre 0 V et -1 V. Les références I0, I1, I3.3 et I17 désignent des isopotentielles correspondant aux potentiels égaux respectivement à 0 V, 1 V, 3,3 V, et 17 V. Ces courbes isopotentielles illustrent le fait que le champ électrique dans le substrat 101 guide les électrons vers la région 206.
La est un schéma électrique d'un circuit électronique 160 comprenant une photodiode SPAD 161 ayant la structure représentée sur la , un circuit d'extinction 152, tel que décrit précédemment, et un circuit 162 de commande de la grille 201 comprenant une entrée IN reliée à l'anode de la photodiode SPAD 161 et une sortie OUT fournissant le potentiel VEGA à la grille 201 selon le chronogramme représenté en .
La est un schéma électrique d'un mode de réalisation plus détaillé du circuit électronique 160. Dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 162 comprend un condensateur C dont une armature est reliée, de préférence connectée, à l'entrée IN du circuit de commande 162, et dont l'autre armature est reliée, de préférence connectée, à la sortie OUT du circuit de commande 162. Le circuit de commande 162 comprend, en outre, une résistance R dont une borne est reliée, de préférence connectée, à la sortie OUT du circuit de commande 162 et dont l'autre borne est reliée, de préférence connectée, à la source d'un potentiel de référence bas VBV, inférieur au potentiel GND.
La représente des chronogrammes des tensions VQUENCH et VEGA obtenus par simulation avec le circuit de commande 162 de la . Pour cette simulation, la capacité de la grille 201 est prise égale à 25 fF. Cela correspond à une profondeur de 3 µm et une largeur de 2 µm. La capacité du condensateur C doit être plus grande que la capacité de la grille verticale 201. Pour la simulation, la capacité du condensateur C est prise égale à 50 fF. La résistance utilisée pour la simulation est de 15 kΩ. La présence du condensateur C entraîne une augmentation du potentiel VEGA lorsque la tension VQUENCH augmente. Le potentiel VEGA revient ensuite à une valeur d'équilibre avec une constante de temps qui dépend de la résistance R. La diminution temporaire du potentiel VEGA lorsque la tension VQUENCH diminue n'intervient pas dans le fonctionnement du circuit de commande 162. Dans ce mode de réalisation, les instants t0 et t0' décrits précédemment sont sensiblement confondus.
La est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation plus détaillé du circuit électronique 160. Dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 162 comprend, comme pour le mode de réalisation représenté en , la résistance R dont une borne est reliée, de préférence connectée, à la sortie OUT du circuit de commande 162 et dont l'autre borne est reliée, de préférence connectée, à la source d'un potentiel de référence bas VBV. Le circuit de commande 162 comprend en outre un premier inverseur INV1 limité en courant dont l'entrée est reliée, de préférence connectée, à l'entrée IN du circuit de commande 162 et dont la sortie est reliée, de préférence connectée, à la grille d'un transistor T1 MOS, par exemple à canal P, dont la source est reliée, de préférence connectée à une source d'un potentiel haut VDD et dont le drain est relié, de préférence connecté, à la sortie OUT du circuit de commande 162. Le circuit de commande 162 comprend, en outre, un deuxième inverseur INV2 limité en courant dont l'entrée est reliée, de préférence connectée, à l'entrée IN du circuit de commande 162 et dont la sortie est reliée, de préférence connectée, à la grille d'un transistor T2 MOS, par exemple à canal P, dont la source est reliée, de préférence connectée, à la source du potentiel haut VDD et dont le drain est relié, de préférence connecté, à la grille du transistor T1. Les inverseurs INV1 et INV2 sont à courant limité, ce qui signifie que le courant maximal pouvant les traverser est limité. Les inverseurs INV1 et INV2 sont configurés de façon que le délai de fonctionnement de l'inverseur INV2 est supérieur au délai de fonctionnement de l'inverseur INV1. Ceci signifie que la durée entre la réception d'un signal par l'inverseur INV2 et la fourniture par l'inverseur INV2 d'un signal "inversé" est supérieure à la durée entre la réception d'un signal par l'inverseur INV1 et la fourniture par l'inverseur INV1 d'un signal "inversé".
La représente des chronogrammes de la tension VQUENCH, de la tension V1 à la grille du transistor T1, et du potentiel VEGA obtenus par simulation avec le circuit de commande 162 de la . Pour cette simulation, la capacité de la grille 201 est prise égale à 25 fF. Cela correspond à une profondeur de 3 µm et une largeur de 2 µm. La résistance utilisée pour la simulation est de 15 kΩ. Lorsque la tension VQUENCH s'élève à l'instant t0, l'inverseur INV1 impose une tension V1 à la grille du transistor T1 pour le rendre passant. La tension VEGA s'élève alors à VDD. L'inverseur INV2 impose après l'écoulement d'un délai une tension V2 à la grille du transistor T2 pour le rendre passant. Le transistor T2 est configuré, l'inverseur INV1 étant limité en courant, pour imposer alors une augmentation de la tension V1. Ceci entraîne la fermeture du transistor T1 et une diminution du potentiel VEGA. La décharge de la tension sur la grille 201 se fait au travers de la résistance R.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les avantages décrits ci-dessus peuvent être obtenus en inversant tous les types de conductivité par rapport aux exemples décrits et en adaptant les tensions de commande en conséquence. En outre, le mode de réalisation décrit en relation avec la peut être mis en oeuvre avec la structure de la photodiode SPAD décrite en relation avec la .
De plus, on notera que la couche inférieure 109 des exemples décrits, de même type de conductivité que le substrat mais de niveau de dopage supérieur, est optionnelle. La prévision de la couche 109 a pour avantage de limiter les risques d'injection, dans la zone d'avalanche, de charges parasites générées du côté de la face arrière du substrat. La couche 109 permet en outre de fixer le potentiel de la face inférieure du substrat et d'assurer un bon déploiement du champ électrique dans toute l'épaisseur du substrat. La couche 109 peut toutefois être omise, notamment dans le cas d'une photodiode destinée à être éclairée par sa face supérieure.
En outre, bien que dans les modes de réalisation décrits précédemment la photodiode SPAD comprenne un anneau 111 qui améliore de façon avantageuse la collecte des charges photogénérées en profondeur dans le substrat, il est clair que la grille 201 peut être mise en oeuvre avec une photodiode SPAD ne comprenant pas d'anneau 111.
De plus, bien que dans les modes de réalisation décrits précédemment la photodiode SPAD comprenne une seule grille 201, il est clair que la photodiode SPAD peut comprendre deux grilles 201 ou plus de deux grilles qui peuvent être prévues à différents emplacements de la photodiode SPAD, les grilles 201 pouvant être commandées simultanément.
Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (12)

  1. Photodiode (200 ; 210 ; 220) de type SPAD comportant une zone de déplétion dans une première partie d'un substrat semiconducteur (101) d'un premier type de conductivité et comprenant en outre une grille (201) isolée électriquement du substrat, s'étendant dans le substrat depuis une face supérieure du substrat, et séparant la première partie du substrat d'une deuxième partie (205), la photodiode comprenant en outre une première région (206) du deuxième type de conductivité s'étendant depuis la face supérieure du substrat dans la deuxième partie.
  2. Photodiode selon la revendication 1, comportant en outre un circuit (152, 162) d'application d'une tension de polarisation à ladite zone de déplétion, ladite tension étant égale en valeur absolue à une première valeur supérieure à la tension d'avalanche de la photodiode pendant une première phase (PH) et égale en valeur absolue à une deuxième valeur inférieure à la première valeur pendant une deuxième phase (PR), et d'application d'un potentiel à la grille (201) à une troisième valeur adaptée à repousser les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant la première phase et à une quatrième valeur adaptée à attirer les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant une partie de la deuxième phase.
  3. Photodiode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le niveau de dopage du substrat (101) est inférieur à 5*1014atomes/cm3.
  4. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, dans la première partie du substrat :
    - une deuxième région (103) du deuxième type de conductivité s'étendant depuis la face supérieure du substrat ; et
    - une troisième région (105) du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, s'étendant depuis la face inférieure de la deuxième région (103) opposée à la face supérieure du substrat, la troisième région (105) ayant, en vue de dessus, une surface inférieure à celle de la deuxième région (103) et étant située en regard d'une partie centrale (103a) de la deuxième région.
  5. Photodiode selon la revendication 4, comprenant :
    - une quatrième région (110 ; 121 ; 212) du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat s'étendant depuis la face supérieure du substrat, la quatrième région (110 ; 121) ; et
    - une cinquième région (111) enterrée du premier type de conductivité de niveau de dopage supérieur à celui du substrat, formant un anneau périphérique reliant la troisième région (105) à la quatrième région (110 ; 121) de façon que les faces latérales et la face inférieure de la deuxième région (103) soient entièrement entourées par l'ensemble formé par les troisième, quatrième et cinquième régions.
  6. Photodiode selon la revendication 5, dans laquelle la quatrième région (110 ; 121) entoure latéralement la deuxième région (103).
  7. Photodiode selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle le niveau de dopage de la quatrième région (110 ; 121) est supérieur ou égal à celui de la troisième région (105).
  8. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle les épaisseurs E105 et E111 des troisième (105) et cinquième (111) régions, et les niveaux de dopage C105 et C111 des troisième (105) et cinquième (111) régions sont tels que le produit C111*E111 est supérieur ou égal au produit C105*E105.
  9. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans laquelle les quatrième (110 ; 121) et cinquième (111) régions ne sont pas en contact avec la deuxième région (103).
  10. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans laquelle la profondeur de la grille (201) dans le substrat (101) par rapport à la face supérieure du substrat est supérieure à la profondeur de la face inférieure de la troisième région (105) par rapport à la face supérieure du substrat.
  11. Photodiode selon la revendication 10, dans laquelle la profondeur de la grille (201) dans le substrat (101) par rapport à la face supérieure du substrat est supérieure à la profondeur de la face inférieure de la cinquième région (111) par rapport à la face supérieure du substrat.
  12. Procédé de commande d'une photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant :
    - l'application d'une tension de polarisation à ladite zone de déplétion, ladite tension étant égale en valeur absolue à une première valeur supérieure à la tension d'avalanche de la photodiode pendant une première phase (PH) et égale en valeur absolue à une deuxième valeur inférieure à la première valeur pendant une deuxième phase (PR) ; et
    - l'application d'un potentiel à la grille (201) à une troisième valeur adaptée à repousser les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant la première phase et à une quatrième valeur adaptée à attirer les porteurs de charges libres minoritaires du substrat pendant une partie de la deuxième phase.
FR2009721A 2020-09-24 2020-09-24 Photodiode de type spad Active FR3114441B1 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2009721A FR3114441B1 (fr) 2020-09-24 2020-09-24 Photodiode de type spad
US17/483,390 US12113137B2 (en) 2020-09-24 2021-09-23 SPAD-type photodiode
CN202111120815.XA CN114256373A (zh) 2020-09-24 2021-09-24 Spad型光电二极管

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2009721A FR3114441B1 (fr) 2020-09-24 2020-09-24 Photodiode de type spad
FR2009721 2020-09-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3114441A1 true FR3114441A1 (fr) 2022-03-25
FR3114441B1 FR3114441B1 (fr) 2022-10-07

Family

ID=74183282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2009721A Active FR3114441B1 (fr) 2020-09-24 2020-09-24 Photodiode de type spad

Country Status (3)

Country Link
US (1) US12113137B2 (fr)
CN (1) CN114256373A (fr)
FR (1) FR3114441B1 (fr)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230011366A1 (en) * 2019-12-16 2023-01-12 Sony Semiconductor Solutions Corporation Semiconductor device and electronic apparatus
FR3117672B1 (fr) * 2020-12-10 2023-12-08 St Microelectronics Crolles 2 Sas Circuit intégré comprenant une diode à effet d'avalanche déclenché par photon individuel et procédé de fabrication correspondant

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140291481A1 (en) * 2013-04-01 2014-10-02 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
EP3151290A1 (fr) * 2015-09-30 2017-04-05 Commissariat À L'Énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives Photodiode de type spad

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7429496B2 (en) * 2005-08-30 2008-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Buried photodiode for image sensor with shallow trench isolation technology
US9087755B2 (en) * 2007-04-24 2015-07-21 Koninklijke Philips N.V. Photodiodes and fabrication thereof
GB201215547D0 (en) * 2012-08-31 2012-10-17 Infinitesima Ltd Multiple probe actuation
JP6387743B2 (ja) * 2013-12-16 2018-09-12 株式会社リコー 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2017108062A (ja) * 2015-12-11 2017-06-15 ソニー株式会社 固体撮像素子、撮像装置、および、固体撮像素子の製造方法
US10153310B2 (en) 2016-07-18 2018-12-11 Omnivision Technologies, Inc. Stacked-chip backside-illuminated SPAD sensor with high fill-factor
US10141458B2 (en) * 2016-07-21 2018-11-27 Omnivision Technologies, Inc. Vertical gate guard ring for single photon avalanche diode pitch minimization
CN111682039B (zh) 2016-09-23 2021-08-03 苹果公司 堆叠式背面照明spad阵列

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140291481A1 (en) * 2013-04-01 2014-10-02 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
EP3151290A1 (fr) * 2015-09-30 2017-04-05 Commissariat À L'Énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives Photodiode de type spad

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GOLA ALBERTO ET AL: "A Passive-Quenching Active-Recharge Analog Silicon Photomultiplier", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 20, no. 6, 1 November 2014 (2014-11-01), pages 1 - 9, XP011557084, ISSN: 1077-260X, [retrieved on 20140822], DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2333240 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3114441B1 (fr) 2022-10-07
US12113137B2 (en) 2024-10-08
CN114256373A (zh) 2022-03-29
US20220093807A1 (en) 2022-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3151290B1 (fr) Photodiode de type spad
WO2018050996A1 (fr) Photodiode de type spad
US20170033253A1 (en) Doped multiplier avalanche photodiode
EP0040125B1 (fr) Dispositif de protection contre les courants de fuite dans des circuits intégrés
EP1672699B1 (fr) Commutateur bidirectionnel à commande en tension
EP3664164A1 (fr) Photodiode de type spad
FR3114441A1 (fr) Photodiode de type spad
FR3019378A1 (fr) Structure d'isolement entre des photodiodes
FR2961347A1 (fr) Capteur d'image a multiplication d'electrons
EP0006983B1 (fr) Transistor à tension d'avalanche commandée pouvant être sensible à un champ magnétique
EP2835825A1 (fr) Circuit integre sur soi muni d'un dispositif de protection contre les decharges electrostatiques
FR2984607A1 (fr) Capteur d'image a photodiode durcie
FR3103635A1 (fr) Capteur d'images comportant une pluralité de photodiodes SPAD
EP0780952B1 (fr) Composant statique et monolithique limiteur de courant et disjoncteur
EP0581625A1 (fr) Composant életronique multifonctions, notamment élément à résistance dynamique négative, et procédé de fabrication correspondant
FR3091024A1 (fr) Photodiode à avalanche à photon unique
FR2953062A1 (fr) Diode de protection bidirectionnelle basse tension
FR3121282A1 (fr) Photodiode SPAD
FR2993402A1 (fr) Circuit integre sur soi comprenant une diode laterale de protection contre des decharges electrostatiques
EP3381056A1 (fr) Dispositif de photo-détection à réseau inter-diodes sur-dopé par diffusion de métal et procédé de fabrication
FR3100927A1 (fr) Dispositif electronique de puissance a super-jonction
US12113141B2 (en) Optical-sensing apparatus
FR3083001A1 (fr) Capteur d'images
FR3117672A1 (fr) Circuit intégré comprenant une diode à effet d'avalanche déclenché par photon individuel et procédé de fabrication correspondant
FR3143855A1 (fr) Photodiode à avalanche

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20220325

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5