Brevet FR2199199A1 — publié le 19740405

L'invention concerne les diodes photosensibles à semi-conducteurs et plus particulièrement celles dont la sensibilité doit être grande sur une partie de la surface du semi-conducteur, appelée zone photosensible, et nulle sur le reste de cette surface. De telles diodes sont utilisées par exemple dans les télémètres à laser. Un tel télémètre comprend très schématiquement un générateur laser déclenché émettant une impulsion de lumière en direction d'une cible, et un organe récepteur au sein duquel la photodiode est disposée dans le plan focal d'un objectif. Cette photodiode délivre un signal électrique lorsqu'elle est illuminée par l'écho lumineux c 'est-à-dire par la partie de la lumière qui s'est réfléchie sur la cible. Un dispositif électronique mesure l'intervalle de temps compris entre l'émission de l'impulsion de lumière et l'arrivée de l'écho sur la photodiode. La mesure de cet intervalle est une mesure de la distance de la cible. Pour améliorer la sélectivité directionnelle du télémètre l'organe récepteur comporte un diaphragme de champ qui élimine les échos lumineux parasites provenant des objets voisins de la cible. Il est connu de constituer ce diaphragme de champ par la couche métallique de connexion, en forme de couronne, qui entoure la zone photosensible de la photodiode. On sait qu'une diode photosensible à semi-conducteurs comporte un substrat semi-conducteur présentant dans sa masse un premier type de conductivité, par exemple le type P. Une zone superficielle de ce substrat, disposée sur une face de celui-ci, présente le deuxième type de conductivité, par exemple N, de manière à créer une jonction semi-conductrice à l'interface entre cette zone et la masse du substrat. L'épaisseur de cette zone est suffisamment petite pour que la lu mière puisse atteindre cette jonction à travers cette zone lorsque la face en question reçoit de la lumière. Une couche électriquement isolante couvre ladite face du substrat et elle est percée d'une fenêtre qui expose une partie de ladite zone superficielle.La couche métallique de connexion recouvre la couche isolante au voisinage de cette fenatre et une fraction de la partie de ladite zone exposée par cette fenêtre, de manière à être en contact électrique avec cette zone et non avec la masse du substrat. La partie de la zone superficielle de type n qui est exposée par la fenêtre et qui n'est pas recouverte par la couche de connexion, constitue la zone photosensible de la diode. Des moyens de connexion électrique avec la couche métallique de connexion et avec la masse du substrat permettent de polariser la diode en inverse, de manière à ce que un courant significatif ne traverse cette diode que lorsque la zone photosensible est éclairée. Malheureusement la photosensibilité de la diode s'étend au-delà de la zone superficielle dont le type de conductivité a été inversé. La photosensibilité correspond en effet à la présence au voisinage de la surface, d'une zone de charge d'espaee dans laquelle règne un champ électrique, et dont les porteurs de charge électrique mobiles sont pratiquement absents. Une zone de charge espace parasite est située au-delà du bord extérieur de la couche métallique de connexion car cette couche est portée, par rapport à la masse du substrat, à un potentiel électrique, positif dans l'exemple choisi, de nature à repousser les porteurs du substrat. Les porteurs créés par la lumière dans cette zone parasite se déplacent à la surface du substrat vers la jonction sous l'action de la composante du champ électrique parallèle à cette surface.Il en résulte qu'il est difficile d'éviter que la diode soit sensible à la lumière tombant au-delà du bord extérieur de la couche métallique de connexion. Si l'on étend la couche métallique de connexion vers l'extérieur pour éliminer cette sensibilité parasite on augmente d'une part les risques de court-circuit entre cette couche de connexion et le substrat, et d'autre part la capacité entre ces mêmes éléments. Or, cette capacité présente un caractère parasite et diminue la rapidité de réponse de la diode. L'inconvénient qui vient d'être mentionné peut être évité par l'utilisation d'un diaphragme de champ situé au-dessus de la diode. Mais d'une part la mise en place d'un tel diaphragme opaque présente quelques difficultés et d'autre part elle ne supprime pas d'autres inconvénients des diodes construites de la manière qui a été décrite ci-dessus. Ces autres inconvénients ne sont en effet pas liés à l'arrivée de lumière sur le substrat semi-conducteur. Il s'agit tout d'abord de courants de fuite, qui résultent de l'apparition spontanée de paires électronstrous dans la zone de charge d'espace parasite précédemment mentionnée.Une telle apparition spontanée est d'autant plus à craindre que la zone de charge d'espace en question peut s'étendre à une distance relativement grande de la jonction, et qu'elle se trouve à la surface du substrat où le réseau cristallin est plus dé sordonné. Là encore la composante du champ électrique qui est parallèle à la surface du substrat fait déplacer les porteurs négatifs qui sont ainsi crées jusqu'à la jonction où ils sont collectés par la zone superficielle de type N, si l'on reste dans le cadre de l'exemple précédemment utilisé. Ces courants de fuite créent un bruit de fond qui se superpose au signal utile de la diode.Ils sont particulièrement importants dans le cas d'une diode photosensible à avalanche#, c'est-à-dire d'une diode dans laquelle la différence de potentiel appliquée en inverse à la jonction est particulièrement importante, de manière à ce que la création d'une paire électrons-trous par la lumière au voisinage de la jonction provoque sous l'action du champ électrique intense, par effet d'avalanche,la création d'un nombre plus ou moins grand de paire électrons-trous supplémentaires. Ceci permet d'augmenter l'intensité du courant constituant le signal utile de la diode photosensible. Dans ces cas-là l'importance de la différence de potentiel appliqué peut provoquer l'apparition de micro-plasmas, clest- -dire au ausein du semi-conducteur, de zones fortement ionisées. Ces micro-plasmas constituent évidemment des sources de porteurs de charge, qui peuvent apparaître dans toute la zone de charge d'espace, et donner naissance à des courants de fuite particulièrement bruyants. La présente invention permet de remédier aux inconvénients indiqués ci-dessus. Elle a pour objet une diode photosensible à semi-conducteur comportant - un substrat semi-conducteur présentant dans sa masse un premier type de conductivité P ou N, - dans une face dudit substrat une zone superficielle de ce substrat présentant le type de conductivité opposé de manière à créer une jonction semiconductrice à l'interface entre cette zone et la masse du substrat, l'épaisseur de cette zone étant suffisamment petite pour que la lumière puisse atteindre cette jonction à partir de cette face à travers cette zone, - une première couche électriquement isolante recouvrant ladite face et étant percée d'une fenêtre exposant une partie de ladite zone superficielle, - une couche métallique de connexion recouvrant ladite première couche isolante au voisinage de ladite fenêtre et une fraction de la partie de ladite zone exposée par cette fenêtre, de manière à être en contact électrique avec cette zone et non avec la masse dudit substrat, - des moyens de connexion électrique avec ladite couche métallique de connexion, - des moyens de connexion électrique avec la masse dudit substrat, - caractérisé en ce qu'une couche métallique d'écran recouvre la partie de ladite première couche isolante qui est autour de ladite zone superficielle, cette couche d'écran s'étendant vers ladite fenêtre de manière à atteindre la partie de cette couche isolante qui est au-dessus de cette zone superficielle, et a s'interposer entre ladite couche de connexion et cette couche isolante, tout en restant à distance du bord de ladite fenêtre, - une deuxième couche électriquement isolante recouvrant ladite couche d'écran au moins au voisinage de ladite couche de connexion en s'interposant entre cette couche d'écran et cette couche de connexion, et s'étendantvers ladite fenêtre au-delà du bord de cette couche d'écran en s'interposant entre ladite première couche isolante et ladite couche de connexion, - des moyens de connexion électrique permettant de fixer le potentiel de ladite couche d'écran par rapport à la masse dudit substrat. A l'aide des figures schématiques 1 à 8, ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une vue en coupe d'une partie d'une diode photosensible selon l'invention, au voisinage du bord de la zone superficielle précédemment mentionnée. Les figures 2 à 8 représentent des vues en coupe de la même diode lors d'étapes successives de la fabrication de celle-ci. La photodiode selon le mode de réalisation de 1 invention qui va être décrit est une phototodiode du type à avalanche. La photodiode comporte, selon la figure 1, un substrat semi-conducteur 2, constitué d'un disque circulaire de silicium monocristallin de type P. Sur la figure 1, on voit seulement une partie de la face supérieure horizontale de ce disque dont l'axe de symétrie vertical est situé à droite de la figure. D'une manière générale, l'ensemble de la photodiode, à part les fils de connexion présente la même symétrie de révolution que le substrat 2. La zone superficielle précédemment mentionnée, dont une partie constitue la zone photosensible proprement dite, comporte une couche mince 4, de type N+, c'est-à-dire à fort dopage. C'est cette couche 4 qui est éclairée par la lumière que la photodiode doit détecter. Cette lumière crée au voisinage de la jonction entre la couche 4 et la masse du substrat 2, dans la zone de charge d'espace, des paires électrons-trous, qui lorsque la jonction est polarisée en inverse, créent un courant qui peut être détecté. En raison des fortes différences de potentiel utilisées pour provoquer l'effet d'avalanche précédamment décrit, et pour éviter que cet effet d'avalanche, utile sur la plus grande partie de la surface de la couche 4, ne soit nuisible au voisinage des bords de cette couche, où le champ électrique est particulièrement intense et risque de provoquer des avalanches gênantes, on entoure, de manière connue, la couche à fort dopage 4 par un anneau de garde 6 de plus forte épaisseur et de plus faible dopage. Cet anneau de garde permet en effet d'éviter un renforcement du champ électrique au voisinage du bord de la couche 4. Sur la face supérieure du substrat 2 sont déposées, de bas en haut, une pre mière couche isolante 8, constituée de silice, une couche métallique d'écran 10, constituée d'aluminium, une deuxième couche isolante constituée de silice, 12, et d'une couche métallique de connexion 14. Les couches isolantes 8 et 12 atteignent le bord de la couche 4 dans l'exemple décrit mais elles pourraient tout aussi bien soit aller quelque peu au-delà de ce bord, tout en ménageant une fenêtre permettant une connexion électrique par l'intermédiaire de la couche métallique 14, ou s'arrêter avant ce bord au dessus de l'anneau de garde 6. Les bords de ces deux couches, du côté de la couche 4, pourraient d'ailleurs ne pas être superposés. Il est cependant nécessaire que les couches 8 et 12 pénètrent toutes deux au-dessus de l'anneau de garde 6.La couche métallique d'écran 10 présente un bord, du côté de la couche 4, voisin du bord de l'anneau de garde 6. La couche métallique de connexion 14 présente la forme d'une couronne dont la partie intérieure est en contact avec la couche 4, dont la partie médiane est située au-dessus de l'anneau de garde 6, et en est séparée par les couches isolantes 8 et 12, et dont la partie extérieure est située au-dessus de la couche d'écran 10, et en est séparée par la couche isolante 12. Le rôle de la couche de connexion 14 est de permettre, de porter la couche 4 à un potentiel électrique convenable, c'est-à-dire positif, par rapport à la masse du substrat 2. Cette couche de connexion 14 a d'autre part le rôle de diaphragme pour la lumière, c'est-à-dire que la zone photosensible de la diode est délimitée par le bord intérieur de cette couche opaque. Dans la zone extérieure à la couche de connexion 14, une photosensibilité parasite est évitée grâce à la présence de la couche d'écran 10. La couche de connexion 14 créerait, en sence de la couche 10, à la surface du substrat à l'extérieur de l'anneau de garde 6 un champ électrique qui attirerait les porteurs de charge négatifs vers cet anneau de garde et créerait les courants de fuite dont il a été précédemment question.Cet inconvénient est évité, conformément à la présente invention, par la présence de la couche d'écran 10, portée à un potentiel fixe convenable par rapport au substrat 2. Il est à remarquer que seule la disposition selon la présente invention permet à la couche d'écran 10 d'éviter à la fois la photosensibilité parasite à l'extérieur de la couche de connexion 14 et les courants de fuite à la surface du substrat semiconducteur autour de l'anneau de garde 6. Cette disposition permet d'autre part d'éviter, d'une façon très simple, les risques de court-circuit électrique entre la couche 10 et la couche de connexion 14. Ces risques de courtcircuit sont en grande partie dus aux fils ou lames métalliques de connexion non représentés sur la figure 1 et qui doivent être connectés à la couche 14.Une disposition de couche d'écran au-dessus de la couche de connexion 14 aurait, par exemple, bien permis d'éviter la photosensibilité parasite, mais n' aurait pas permis de supprimer les courants de fuite et d'autre part aurait obligé pour éviter les risques de court-circuit avec la couche de connexion, à réaliser trois couches d'isolement, alors que selon l'invention deux seulement sont nécessaires. Le rôle de la couche isolante 12 est en effet d'éviter un court-circuit entre la couche d'écran 10 et la couche de connexion 14, alors que le rôle de la couche isolante 8 est d'éviter un court-circuit entre la couche d'écran 10 et l'anneau de garde 6. Cette couche isolante 8 peut aussi éviter un court-circuit entre la couche d'écran 10 et la masse du substrat 2, dans le cas où le potentiel de cette couche d'écran ne serait pas égal à celui du substrat. Il peut être en effet utile, en ce qui concerne le courant continu, de donner à cette couche d'écran un potentiel par exemple plus négatif que celui de ce substrat. Sur la figure 1 on a représenté en traits tiretés les limites de la zone de charge d'espace au voisinage de la jonction entre les zones de type P et N. En raison du fort dopage de la couche 4 la zone de charge d'espace s'étend très peu dans cette couche alors qu'elle s'étend beaucoup plus profondément dans la masse du substrat 2. Dans l'anneau de garde 6, de dopage plus faible que la couche 4 la zone de charge d'espace s'étend un peu plus. L'un des avantages de la présente invention est que, dans le substrat, à l'extérieur de l'anneau d- rde b, la zone de charge d'espace a une extension normale. En l'absonee de la couche d'é- cran 10 cette zone de charge d'espace s'étendrait beaucoup plus loin. La diode photosensible selon 1 invention peut être fabriquée de la manière indiquée ci-après Dans Dans un substrat 2 de type P, dont le taux de dopage est de 10 atomes par cm3, on réalise un anneau de garde 6, en forme de couronne circulaire, de diamètre extérieur 310 microns et de diamètre intérieur 270 microns, son épaisseur étant de 6 microns (figure 2). Le dopage de l'anneau de garde 6 est de type N 20 avec une concentration de 10 atomes par cm3. Conformément à la figure 3 on réa- lise ensuite par diffusion une couche 4 à fort dopage de type N+, dans laquelle 22 la concentration est de 1022 atomes par cm3. Cette couche a une épaisseur de 1/2 micron et un diamètre de 290 microns. Cette diffusion fait apparaître une mince couche d'oxyde 81 autour de la couche 4.On effectue ensuite, conformément à la figure 4, par les techniques classiques, un dépôt de silice qui forme une couche 8 qui recouvre la couche 4 mais est percée d'une fenêtre 100 en forme de couronne dont le diamètre extérieur est de 410 microns et le diamètre intérieur de 370 microns. On effectue ensuite (figure 5), le dépôt d'une couche métallique d'écran 10 et sauf au-dessus de la couche 4. Cette couche d'écran peut être constituée d'aluminium par exemple. Cette couche d'écran est isolée du substrat 2 par la couche isolante 8 sauf dans la fenêtre 100, ce qui assure une connexion électrique entre la masse de ce substrat et cette couche 8.On effectue-ensuite confor mément à la figure 6, le dépôt d'une deuxième couche isolante 12, constituée de silice, qui recouvre toute la face supérieure du substrat 2, et l'on perce dans l'ensemble des couches isolantes 12 et 8, une fenêtre qui expose la partie centrale de la couche à fort dopage 4. On dépose ensuite conformément à la figure 7, une couronne métallique formant la couche de connexion 14 précédemment mentionnée, avec un diamètre extérieur de 300 microns et un diamètre intérieur de 200 microns. Le diamètre de la fenêtre percée dans les couches 8 et 12 et exposant une partie de la couche 4 étant de 250 microns, la couche de connexion 14 est en contact électrique avec la couche 4. La zone photosensible définie par le diamètre intérieur de la couronne formant la couche de connexion 14, présente donc un diamètre de 200 microns. La couche d'oxyde peut avoir une épaisseur de 1/2 micron par exemple, la couche d'écran 10 peut avoir une épaisseur de 0,2 micron, par exemple la couche isolante 12 peut avoir une épaisseur de 0,5 micron par exemple, et la couche de connexion 14 peut avoir une épaisseur de 0,6 micron. Le diamètre extérieur de la couche de connexion 14, c'est-à-dire 300 microns, est supérieur au diamètre du cercle constituant le bord intérieur de la couche d'écran 10, ce dernier diamètre étant de 290 microns. On connecte ensuite, conformément à la figure 8, un fil métallique 141 à la couche de connexion 14 de manière à permettre de connecter celle-ci à une source de potentiel positif dont une borne est représentée schématiquement en 142. On connecte aussi la masse du substrat 2, par l'intermédiaire d'un bloc métallique de support de 100 et d'un fil 201 à la borne négative 202 de la même source de potentiel. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représente qui n' a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on pourra, sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Diode photosensible à semi-conducteur comportant : - un substrat semi-conducteur présentant dans sa masse un premier type de conductivité P ou N, - dans une face dudit substrat une zone superficielle de ce substrat présentant le type de conductivité opposé de manière à créer une jonction semi-conductrice à l'interface entre cette zone et la masse du substrat, l'épaisseur de cette zone étant suffisamment petite pour que la lumière puisse atteindre cette jonction à partir de cette face à travers cette zone, - une première couche électriquement isolante recouvrant ladite face et étant percée d'une fenêtre exposant une partie de ladite zone superficielle, - une couche métallique de connexion recouvrant ladite première couche isolante au voisinage de ladite fenêtre et une fraction de la partie de ladite zone exposée par cette fenêtre, de manière à être en contact électrique avec cette zone et non avec la masse dudit substrat, - des moyens de connexion électrique avec ladite couche métallique de connexion, - des moyens de connexion électrique avec la masse dudit substrat, - caractérisé en ce qu'une couche métallique d'écran recouvre la partie de ladite première couche isolante qui est autour de ladite zone superficielle, cette couche d'écran s'étendant vers ladite fenêtre de manière à atteindre la partie de cette couche isolante qui est au-dessus de cette zone superficielle, et à s'interposer entre ladite couche de connexion et cette couche isolante, tout en restant à distance du bord de ladite fenêtre, - une deuxième couche électriquement isolante recouvrant ladite couche d'écran au moins au voisinage de ladite couche de connexion en s'interposant entre cette couche d'écran et cette couche de connexion, et s'étendant vers ladite fenêtre au-delà du bord de cette couche d'écran en s'interposant entre ladite première couche isolante et ladite couche de connexion, - des moyens de connexion électrique permettant de fixer le potentiel de ladite couche d'écran par rapport à la masse dudit substrat. 2/ Diode selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens de connexion électrique permettant de fixer le potentiel de ladite couche d'écran par rapport à la masse dudit substrat, sont constitués par une deuxième fenêtre percée dans ladite première couche isolante, ladite couche d'écran pénétrant au fond de cette deuxième fenêtre et venant ainsi en contact avec ladite face du substrat. 3/ Diode selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ladite zone superficielle est constituée par une couche mince à fort dopage entourée par un anneau de garde à faible dopage et à épaisseur plus grande, caractérisée en ce que le bord intérieur de ladite couche d'écran est situé sensiblement au-dessus du bord extérieur dudit anneau de garde.