WO1998045884A1 - Detecteur d'ondes electromagnetiques multielements a diaphotie reduite - Google Patents

Detecteur d'ondes electromagnetiques multielements a diaphotie reduite Download PDF

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Philippe Bois
Eric Costard
Jean-Yves Duboz
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/33—Transforming infrared radiation

Definitions

  • the field of the invention is that of electromagnetic wave detectors and more precisely that of infrared detectors of the matrix and hybrid type on a read circuit.
  • Infrared systems based on a multi-element focal plane have performances which depend directly on the intrinsic characteristics of the elementary detectors but also on the level of crosstalk from one pixel to another (phenomenon analogous to crosstalk, concerning parasitic photons).
  • the infrared detectors with quantum wells make it possible to achieve, owing to the maturity of the production processes (epitaxy and technology) of heterostructures of III-V semiconductors and of manufacturing yields compatible with the industrial production of very large number of devices. of elements (256x256, 512x512 matrices, large arrays).
  • elements 256x256, 512x512 matrices, large arrays.
  • optical coupling systems such as diffraction gratings for example, makes it possible to deflect the incident beam.
  • FIG. 1 illustrates an example of a multi-element detector of which only two elements are represented. They comprise on a substrate S, a guide layer G, an active structure with quantum wells PQ inserted between two contact layers C1 and C2, a coupling network R being superposed on the upper contact layer C2.
  • the layer G with a lower refractive index than the refractive index of the other layers allows confinement of the incident photons to be detected, which is greater in the active region as illustrated in FIG. 1.
  • the presence of the guiding layer does not solve the problems of crosstalk which exist between adjacent elementary detectors and which disturb the response of the infrared detector used in particular in infrared imaging.
  • the invention provides an electromagnetic wave detector of the type described in FIG. 1, in which the guiding layer is etched and forms an integral part of the mesa corresponding to an elementary detector.
  • the subject of the invention is an electromagnetic wave detector comprising a set of elementary photoconductive detectors on a substrate, characterized in that each elementary detector has a mesa structure produced on the substrate and comprises the stacking of a guide layer, of a lower contact layer, of at least one active layer of photoconductive material, of an upper contact layer, the refractive index of the guide layer being lower than the refractive indices of the other layers to confine the electromagnetic waves to be detected inside each structure in elementary detector mesa and reduce the crosstalk between elementary detectors.
  • the active layer comprises a quantum well structure and each elementary detector comprises an optical coupling layer of the diffraction grating type, superimposed or integrated into the upper contact layer.
  • each photon diffracted by the diffraction grating and not absorbed by the quantum well structure is thus reflected by the guide layer and reinjected into the same elementary detector. This solution thus makes it possible to completely eliminate the crosstalk due to the reflections on the guiding layer.
  • the subject of the invention is also a method of producing an electromagnetic wave detector comprising a set of elementary photoconductive detectors on a substrate, characterized in that it comprises the following different steps: - production on a substrate: • a guide layer • a lower contact layer • at least one active layer based on photoconductive material
  • FIG. 1 illustrates a multi-element detector according to the known art
  • FIG. 2 illustrates a multi-element detector according to the invention
  • FIG. 3a illustrates a top view of eight elementary detectors of a detector according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a sectional view along the axis AA 'of an elementary detector illustrated in Figure 3a.
  • the electromagnetic wave detector according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 2.
  • these elementary detectors comprise, a guide layer 1, a lower contact layer 2, an active photoconductive structure 3, an upper contact layer 4, and advantageously an optical coupling layer 5.
  • incident photons not absorbed directly by the active structure remain confined in the same elementary detector and allow thus significantly reducing the crosstalk problems encountered in the prior art.
  • this detector architecture electrically isolates the elementary detectors.
  • one of the electrodes In a matrix configuration, such as that used in infrared imaging, one of the electrodes must be common to a line of pixels (for row / column addressing) or to all of the pixels (for random addressing).
  • the invention provides an embodiment particularly suited to the detector of the invention. This method comprises producing a lower electrode on each pixel of the matrix of elementary detectors, then connecting these electrodes, by a conventional connection technique making it possible to obtain the configuration of electrodes as illustrated in FIG. 3a and Figure 3b.
  • This configuration includes for each elementary detector produced on a common substrate a first mesa consisting of the active structure 3 and of the upper contact layer 4 and the optical coupling layer 5.
  • a second mesa with a larger surface area than that of the first mesa, consists of the guide layer 1 and the lower contact layer 2.
  • a lower electrode Eijj is deposited on the free part of the second mesa.
  • All of the first and second mesa are embedded in an insulating layer 6, locally cleared to produce metallic contact pads Ps at the level of layer 4 and metallic contact pads Pijj at the level of layer 2 on the lower electrode. Eijj, as shown in the sectional view along the axis AA 'in Figure 3b.
  • FIG. 3a illustrates a top view of such an array of elementary detectors.
  • the insulating layer 6 is not shown, but the interconnection tracks PI, making it possible to connect the contact pads Pijj are highlighted.
  • the optical coupling layer 5 is a diffraction grating
  • the latter is metallized so as to ensure contact electric between the upper contact layer 4 and the upper contact pads Psy.
  • the diffraction grating can also advantageously be produced by etching in the upper contact layer 4.
  • deposits are made by epitaxial growth: - of a guide layer 1 of AlAs with a refractive index lower than that of the substrate and of the active layers
  • the diffraction grating ensuring better optical coupling is etched in the contact layer 4.
  • the first and second mesa are made by dry etching
  • the conductive tracks PI are produced so as to connect all of the contact pads Piy of the same line, or of all of the contact pads Ey, according to the addressing that is envisaged.

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Abstract

L'invention concerne des détecteurs d'ondes électromagnétiques de type détecteur infrarouge à puits quantique, constitué de détecteurs élémentaires. Chaque détecteur élémentaire présente une structure en mesa élaborée sur un substrat et comprend l'empilement d'une couche guide (1), d'une couche de contact inférieur (2), d'au moins une couche active (3), d'une couche de contact supérieur (4). L'indice de réfraction de la couche guide (1) est inférieur aux indices de réfraction des autres couches de manière à confiner les ondes électromagnétiques à détecter à l'intérieur de chaque structure en mesa de détecteur élémentaire. Cette architecture de détecteurs élémentaires permet de réduire la diaphotie entre détecteurs élémentaires. Application: imagerie infrarouge.

Description

DETECTEUR DONDES ELECTROMAGNETIQUES MULTIELEMENTS A
DIAPHOTIE REDUITE
Le domaine de l'invention est celui des détecteurs d'ondes électromagnétiques et plus précisément celui des détecteurs infrarouge de type matriciel et hybrides sur un circuit de lecture.
Les systèmes infrarouge basés sur un plan focal multielements ont des performances qui dépendent directement des caractéristiques intrinsèques des détecteurs élémentaires mais également du taux de diaphotie d'un pixel à l'autre (phénomène analogue à la diaphonie, concernant des photons parasites).
Actuellement, les détecteurs infrarouge à puits quantiques permettent d'atteindre, du fait de la maturité des procédés de réalisation (épitaxie et technologie) des hétérostructures de semiconducteurs lll-V et des rendements de fabrication compatibles avec la production industrielle de dispositifs à très grand nombre d'éléments (matrices 256x256, 512x512, grandes barrettes). Cependant, à cause des mécanismes physiques régissant les transitions optiques intersousbandes, à la base de la détection infrarouge dans les puits quantiques, seule la composante du champ électrique du rayonnement électromagnétique à détecter parallèle à l'axe de croissance, c'est-à-dire normale à la surface du détecteur, peut être détectée. L'utilisation de systèmes de couplage optique, comme des réseaux de diffraction par exemple, permet de défléchir le faisceau incident. Dans ce cas, la limitation sur l'angle d'incidence est résolue, et il devient possible d'atteindre des rendements quantiques de détection suffisants, quelle que soit la polarisation initiale ou l'angle d'incidence du rayonnement incident à détecter. La figure 1 illustre un exemple de détecteur multielements dont seulement deux éléments sont représentés. Ils comprennent sur un substrat S, une couche guide G, une structure active à puits quantiques PQ insérée entre deux couches de contact C1 et C2, un réseau de couplage R étant superposé à la couche de contact supérieur C2. La couche G d'indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction des autres couches, permet un confinement des photons incidents à détecter, plus important au niveau de la région active comme l'illustre la figure 1. Néanmoins, la présence de la couche guidante, ne résout pas les problèmes de diaphotie qui existent entre détecteurs élémentaires adjacents et qui viennent perturber la réponse du détecteur infrarouge utilisé notamment en imagerie infrarouge. C'est pourquoi, l'invention propose un détecteur d'ondes électromagnétiques du type de celui décrit en figure 1 , dans lequel la couche guidante est gravée et fait partie intégrante du mesa correspondant à un détecteur élémentaire.
Plus précisément, l'invention a pour objet un détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires photoconducteurs sur un substrat, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire présente une structure en mesa élaborée sur le substrat et comprend l'empilement d'une couche guide, d'une couche de contact inférieur, d'au moins une couche active à matériau photoconducteur, d'une couche de contact supérieur, l'indice de réfraction de la couche guide étant inférieur aux indices de réfraction des autres couches de manière à confiner les ondes électromagnétiques à détecter à l'intérieur de chaque structure en mesa de détecteur élémentaire et réduire la diaphotie entre détecteurs élémentaires. De préférence, la couche active comprend une structure à puits quantique et chaque détecteur élémentaire comprend une couche de couplage optique de type réseau de diffraction, superposée ou intégrée à la couche de contact supérieur.
Dans le détecteur selon l'invention, chaque photon diffracté par le réseau de diffraction et non absorbé par la structure à puits quantique est ainsi réfléchi par la couche guide et réinjecté dans le même détecteur élémentaire. Cette solution permet ainsi d'éliminer totalement la diaphotie due aux réflexions sur la couche guidante.
L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires photoconducteurs sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes : - la réalisation sur un substrat : • d'une couche guide • d'une couche de contact inférieur • d'au moins une couche active à base de matériau photoconducteur
• d'une couche de contact supérieur
- la gravure des couches actives et de contact supérieur de manière à définir des premiers mesa
- la gravure des couches guide et de contact inférieur de manière à définir en-dessous des premiers mesa, des seconds mesa présentant une surface plus grande que la surface des premiers mesa, de manière à définir les détecteurs élémentaires
- l'encapsulation dans une couche isolante de planarisation, de l'ensemble des détecteurs élémentaires
- la gravure de via-trous dans la couche isolante pour accéder aux couches de contact inférieur et supérieur et la métal lisation de ces trous.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un détecteur multielements selon l'art connu ; - la figure 2 illustre un détecteur multielements selon l'invention ;
- la figure 3a illustre une vue de dessus de huit détecteurs élémentaires d'un détecteur selon l'invention ;
- la figure 3b illustre une vue en coupe selon l'axe AA' d'un détecteur élémentaire illustré en figure 3a. Le détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'invention est schématisé en figure 2.
Sur un substrat S. transparent aux longueurs d'onde à détecter sont élaborés des détecteurs élémentaires Dij.
De manière préférentielle, ces détecteurs élémentaires comprennent, une couche guide 1 , une couche de contact inférieur 2, une structure active photoconductrice 3, une couche de contact supérieur 4, et avantageusement une couche de couplage optique 5. Comme l'illustre la figure 2, les photons incidents non absorbés directement par la structure active restent confinés dans un même détecteur élémentaire et permettent ainsi de réduire notablement les problèmes de diaphotie rencontrés dans l'art antérieur.
Toutefois, cette architecture de détecteur, isole électriquement les détecteurs élémentaires. Dans une configuration matricielle, telle que celle utilisée en imagerie infrarouge, l'une des électrodes doit être commune à une ligne de pixels (pour un adressage ligne/colonne) ou à l'ensemble des pixels (pour un adressage aléatoire). Pour relier électriquement les électrodes inférieures, l'invention propose un procédé de réalisation particulièrement adapté au détecteur de l'invention. Ce procédé comprend la réalisation d'une électrode inférieure sur chaque pixel de la matrice de détecteurs élémentaires, puis la connexion de ces électrodes, par une technique de connectique classique permettant d'obtenir la configuration d'électrodes telle qu'illustrée en figure 3a et figure 3b.
Cette configuration comprend pour chaque détecteur élémentaire réalisé sur un substrat commun un premier mesa constitué de la structure active 3 et de la couche de contact supérieur 4 et la couche de couplage optique 5.
Un second mesa, de surface plus importante que celle du premier mesa est constitué par la couche guide 1 et la couche de contact inférieur 2. Une électrode inférieure Eijj est déposée sur la partie libre du second mesa.
L'ensemble des premier et second mesa est noyé dans une couche isolante 6, localement dégagée pour réaliser des plots métalliques de contact Ps du niveau de la couche 4 et des plots métalliques de contact Pijj au niveau de la couche 2 sur l'électrode inférieure Eijj, comme le montre la vue en coupe selon l'axe AA' de la figure 3b.
La figure 3a illustre une vue de dessus d'une telle matrice de détecteurs élémentaires. Sur cette figure, la couche isolante 6 n'est pas représentée, mais les pistes d'interconnexion PI, permettant de relier les plots de contact Pijj sont mises en évidence.
Au niveau des plots de contact supérieur Ps il est possible d'hybrider la matrice de détecteurs élémentaires avec un circuit classique de lecture par l'intermédiaire de microbilles MB.
Lorsque la couche de couplage optique 5 est un réseau de diffraction, ce dernier est métallisé de manière à assurer le contact électrique entre la couche de contact supérieur 4 et les plots de contact supérieurs Psy. Le réseau de diffraction peut également avantageusement être réalisé par gravure dans la couche de contact supérieur 4.
Pour réaliser une telle configuration de détecteurs élémentaires, on peut avantageusement utiliser le procédé qui va être décrit dans le cadre d'un exemple de détecteur utilisant comme couche active une structure à puits quantique à base de GaAs.
Sur un substrat semi-isolant de GaAs, on réalise par croissance épitaxiale les dépôts : - d'une couche guide 1 de AlAs d'indice de réfraction inférieur à ceux du substrat et des couches actives
- d'une couche de contact inférieur 2 de GaAs dopée n
- de la structure active 3 constituée
* d'une couche barrière de AlxGa -xAs non dopée * d'une couche puits de GaAs dopée n
* d'une couche barrière de AlxGaι.xAs non dopée
- d'une couche de contact supérieur 4 de GaAs dopée n
Le réseau de diffraction assurant un meilleur couplage optique est gravé dans la couche de contact 4. Les premier et second mesa sont réalisés par gravure sèche
(plasma) ou humide (attaque chimique) avec respectivement arrêt de gravure sur la couche de contact 2, et sur le substrat.
Puis l'ensemble des détecteurs élémentaires préalablement défini est noyé dans une couche isolante 6 de planarisation, de type polymère. On procède alors à la réalisation de via-trous par gravure sèche ou humide de la couche isolante 6, de manière à accéder aux couches 4 et 2 de contact supérieur et inférieur. Puis des dépôts métalliques sont réalisés dans ces trous pour obtenir les plots de contact Psy et Piy.
On réalise dans un dernier temps, les pistes conductrices PI de manière à relier tous les plots de contact Piy d'une même ligne, ou de l'ensemble des plots de contact Ey, selon l'adressage que l'on envisage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires (Dij) photoconducteurs sur un substrat (S), caractérisé en ce chaque détecteur élémentaire (Dij) présente une structure en mesa élaborée sur le substrat et comprend l'empilement d'une couche guide (1 ), d'une couche de contact inférieur (2), d'au moins une couche active (3) à matériau photoconducteur , d'une couche de contact supérieur (4), l'indice de réfraction de la couche guide (1 ) étant inférieur aux indices de réfraction des autres couches de manière à confiner les ondes électromagnétiques à détecter à l'intérieur de chaque structure en mesa de détecteur élémentaire (Dij) et réduire la diaphotie entre détecteurs élémentaires.
2. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche active (3) comprend une structure à puits quantiques.
3. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire comprend une couche de couplage optique (5) de type réseau de diffraction, superposée ou intégrée à la couche de contact supérieur (4).
4. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de contact inférieur (2) est une couche de contact de commande, la couche de contact supérieur (4) est une couche de contact de lecture.
5. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire (Dij) comprend une structure en double mesa, un premier mesa comportant au moins la couche active (3) et la couche de contact supérieur (4), un second mesa comportant la couche guide (1 ) et la couche de contact inférieur (2), la surface dans le plan des couches du second mesa étant supérieure à la surface dans le plan des couches du premier mesa.
6. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble des détecteurs (Dij) est recouvert d'une couche isolante de planarisation (6), chaque détecteur élémentaire (Dij) comprenant des via-trous métallisés de manière à former des plots de contacts (Piy) reliant la couche de contact inférieur (2) à la surface extérieure de la couche de planarisation (6), des pistes d'interconnexion (PI) déposées sur ladite surface extérieure assurant le contact électrique entre les couches de contact (2) d'un ensemble de détecteurs élémentaires pour la commande commune desdits détecteurs élémentaires.
7. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication
5, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire (Dij) comprend un plot de contact (Psij) au niveau de la couche de contact (4), permettant l'hybridation des détecteurs élémentaires (Dij) avec un circuit de lecture.
8. Procédé de réalisation d'un détecteur selon la revendication 1 , comprenant une matrice de détecteurs élémentaires caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes :
- la réalisation sur le substrat (S) :
* d'une couche guide (1 )
* d'une couche de contact inférieur (2) * d'au moins une couche active à base de matériau photoconducteur (3)
* d'une couche de contact supérieur (4)
- la réalisation d'une couche de couplage optique (5) de type réseau de diffraction - la gravure de l'ensemble des couches (3) à (5) en premiers mesa sur le substrat (S)
- la gravure de l'ensemble des couches (1 ) à (2) de manière à définir en-dessous desdits premiers mesa, des seconds mesa, l'ensemble des premiers mesa et seconds mesa définissant les détecteurs élémentaires (Dij)
- l'encapsulation dans une couche isolante (6) de l'ensemble des détecteurs élémentaires
- la gravure de via-trous dans la couche isolante (6) pour accéder aux couches de contact (2) et (4) et la métallisation de ces trous.
9. Procédé de réalisation d'un détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les couches de contact inférieur (2) sont reliées entre elles par des pistes conductrices (PI) de manière à créer une électrode commune de commande, pour les détecteurs élémentaires.
PCT/FR1998/000713 1997-04-08 1998-04-08 Detecteur d'ondes electromagnetiques multielements a diaphotie reduite WO1998045884A1 (fr)

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