Brevet FR2158128A1 — publié le 19730615

La présente invention concerne les photodiodes semiconductrices de type planaire et permet la suppression de l'effet photoélectrique dû à l'illumination externe à la métallisation sur les photodiodes (effet Photo MOS). Il est connu que les photodiodes du type ci-dessus présentent une partie sensible aux rayons lumineux incidents constituée d'un type de conductivité n ou p et disposée sur un substrat d'un type de conductivité opposé. Les photodiodes fonctionnent sous polarisation inverse, une source de potentiel positif étant appliquée à la zone de conductivité n. Le branchement de cette polarisation nécessite une métallisation connectée à la zone sensible. La métallisation entoure cette zone et est isolée du substrat par une couche de bioxyde de silicium, afin de ne pas provoquer un court circuit entre les zones n et p. Sous l'effet de la polarisation inverse il apparaît une zone de charge d'espace qui s'étend dans le substrat à l'interface silice et silicium.Cette zone de charge d'espace se prolonge latéralement au-delà de la métallisation ce qui a pour inconvénient de créer une zone photosensible concentrique à la métallisation. En aveuglant la partie centrale de la zone sensible de la photodiode et en illuminant la partie extérieure à la métallisation il apparat un signal aux bornes de la photodiode. Le photocourant recueilli diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la métallisation jusqu a disparaître complètement à une distance plus ou moins grande du bord extérieur de la métallisation. L'effet d'illumination latérale est connu sous le nom d'effet Photo MOS. On sait limiter l'effet Photo MOS en disposant à une certaine distance de la métallisation un anneau de protection p+ si le substrat est du type de conductivité p ou n+ si le substrat est du type de conductivité n. On provoque ainsi un dopage dans une zone limitée où la concentration des impuretés atteint 1019 à 1021 atomes par cm3 par opposition à une concentration dans le substrat de 1015 atomes par cm3 par exemple. L'effet Photo MOS dû à l'apparition d'une zone de charge d'espace créé localement une inversion du type de conductivité. L'anneau de protection à concentration fortement dopée sert à supprimer cette inversion à l'endroit où il se trouve. Mais les photodiodes réalisées jusqu'à ce jour présentent un espace non protégé entre l'anneau de protection et la métallisation. Cet espace est susceptible d'illumination externe ce qui a pour effet de provoquer de graves inconvénients dans certaines utilisations. On obtient ainsi une réponse à une lumière incidente non seulement dans la zone centrale mais dans une zone périphérique à la métallisation. En télémétrie ces réponses multiples peuvent créer un effet d'écho dues à des cibles voisines et fausser les résultats. Le perfectionnement selon la présente invention permet de remédier à cet inconvénient. Dans celui-ci, en effet, il est possible de supprimer completement les effets d'illumination latérale sur les photodiodes tout en évitant d'accroître de façon notable la capacité entre les électrodes de la photodiode. La présente invention a pour objet un perfectionnement assurant une photodiode comportant sur une partie de la face avant d'un bloc semiconducteur une zone photosensible du type de conductivité n+ ou p+ diffusée dans un substrat du type de conductivité p ou n, respectivement, une couche isolante recouvrant ladite face avant, en dehors de ladite zone photosensible, une couche de métallisation recouvrant en partie ladite couche isolante de manière à établir un contact électrique avec ladite zone photosensible, ledit substrat comportant en outre un anneau de protection de type de conductivité p+ ou n+ respectivement, ledit anneau étant disposé sur ladite face avant autour et à distance de ladite zone photosensible, et étant recouvert par ladite couche isolante, photodiode caractérisée par le fait que ladite couche de métallisation recouvre sensiblement toute la surface entre ladite zone photosensible et ledit anneau et au moins, une partie de la surface de cet anneau. Un exemple de mise en oeuvre de -la présente invention donné à titre purement illustratif et nullement limitatif va être décrit en référence à la figure unique qui représente schématiquement une coupe selon l'épaisseur d'une photodiode. La figure 1 illustre une photodiode du type np dans laquelle la zone sensible aux rayons lumineux incidents est constituée d'une zone n+, 1. Le substrat 2 est constitué de silicium de type de conductivité p. La face avant de la photodiode est recouverte d'un isolant électrique et chimique. C'est une couche de bioxyde de silicium 3 obtenue soit par oxydation thermique soit par dépôt à partir d'une phase gazeuse composée d'hydrogène, de tétrachlorure de silicium et d'anhydride carbonique. Une fenêtre est ensuite ouverte et à l'emplacement de cette fenêtre un anneau de garde 4 du type de conductivité n est diffusé à la limite de la jonction n+p dans le but d'améliorer les caractéristiques de claquage de cette jonction. Cet anneau de garde 3 n'est pas indispensable au fonctionnement du dispositif selon l'invention. Ensuite une autre fenêtre 5 est ouverte et à cet emplacement est diffusé un anneau de protection 6 du type de conductivité p+ à forte concentration dont le dopage est constitué de bore, de gallium ou d'aluminium. Cet anneau de protection peut également être obtenu par alliage d'aluminium. La fenêtre 5 se referme à la fin de l'opération de diffusion par suite de la croissance du bioxyde de silicium selon une épaisseur qui est moindre que celle de la couche 3. Une fine couche d'aluminium ou d'or est ensuite déposée sous vide sur toute la face avant de la photodiode. Par photogravure et attaque chimique selective, on ne laisse subsister que la partie 7 de la métallisation à savoir une métallisation entrant en contact avec la zone sensible 1, recouvrant la couche d'oxyde 3 ainsi qu'une partie de la fenêtre 5.La métallisation 7 est donc en contact électrique avec la zone n+ et est isolée du substrat 2. En appliquant une source de tension positive sur cette métallisation 7, on réalise une polarisation en inverse, indispensable au fonctionnement de la photodiode. Il se produit alors une zone de charge d'espace 8 qui inverse superficiellement le type de conductivité du substrat. L'effet Photo MOS dû à l'apparition de cette zone de charge d'espace ne peut provoquer de photosensibilité externe parce que la métallisation 7 arrête les rayons incidents et que la partie de la charge d'espace qui se trouve au-delà de l'anneau de protection 6 est coupée par cet anneau de la zone de charge d'espace située à l'intérieur de l'anneau. Il est à remarquer que la capacité existant entre la métallisation 7 et le substrat 2 s'ajoute à celle de la jonction. L'augmentation de cette capacité détériore les performances de la photodiode notamment dans le domaine des très hautes fréquences. Afin de diminuer la capacité existant du fait de la métallisation, celle-ci doit avoir des dimensions courtes. La distance entre l'anneau de protection 6 et la zone sensible 1 est de l'ordre de cinquante microns et peut être réduite dans certains cas. Bien que le dispositif qui vient d'être décrit paraisse le plus avantageux, on comprendra que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention certains des éléments du dispositif pouvant être remplacés par d'autres susceptibles d'y assurer la même fonction technique. Notamment le dispositif peut concerner tout élément photosensible semiconducteur possédant une jonction tel qu'un phototransistor. Le perfectionnement, objet de l'invention, peut être utilisé dans tous les cas où l'effet dû à l'illumination externe doit être supprimée dans une photodiode sans nuire pour cela aux performances en fréquence. Des applications particulièrement intéressantes concernent des photodiodes de petit diamètre (50 microns) permettant notamment en télémétrie de haute définition de séparer deux cibles dont la distance angulaire est très faible ou de réaliser des mesures radiométriques précises dans le cas d'appareillage embarqué sur satellite. REVENDICATIONS 1/ Photodiode comportant sur une partie de la face avant d'un bloc semiconducteur une zone photosensible du type de conductivité n+ ou p+ diffusée dans un substrat du type de conductivité p ou n, respectivement, une couche isolante recouvrant ladite face avant en dehors de ladite zone photosensible, une couche de métallisation recouvrant en partie ladite couche isolante de manière à établir un contact électrique avec ladite zone photosensible, ledit substrat comportant en outre un anneau de protection de type de conductivité p+ ou n+ respectivement, ledit anneau étant disposé sur ladite face avant autour et à distance de ladite zone photosensible et étant recouvert par ladite couche isolante, photodiode caractérisée par le fait que ladite couche de métallisation recouvre sensiblement toute la surface entre ladite zone photosensible et ledit anneau et au moins une partie de la surface de cet anneau.