Brevet FR2494910A1 — publié le 19820528

La présente invention a pour objet un dispositif semiconducteur pour la lecture électrique d'une image à deux dimensions, cette image étant reçue sous forme d'un rayonnement électromagnétique, notamment itlfra-rouge. Ce genre de dispositif comporte généralement une matrice d'éléments détecteurs destinés à capter le rayonnement électromagnétique incident, répartis par exemple régulierement suivant des lignes et des colonnes rectangulaires, et une matrice d'éléments de lecture, associes chacun à un élément détecteur de la matrice précédente et destinés à transformer en un signal électrique le signal fourni par les détecteurs. Dans certaines réalisations connues, les photo-détecteurs et les éléments de lecture sont formés dans un seul et même substrat, oU ils sont placés côte à côte. Ce mode de réalisation, quoique simple, a l'inconvénient d'exiger du substrat de bonnes qualités à la fois de détection et de lecture, ce qui en limite beaucoup le choix. Dans une autre forme de réalisation connue, éléments détecteurs et éléments de lecture sont réalisés dans deux substrats distincts, l'un étant choisi pour ses qualités de détection et l'autre pour la lecture, ce qui permet d'éviter l'inconvénient précédent ; il est alors nécessaire d'établir des connexions électriques entre chacun des détecteurs et l'élément de lecture qui lui correspond. Il est connu de réaliser des connexions à l'aide de fils conducteurs dont les extrémités sont soudées aux entrées de chacun des deux substrats. Toutefois, ce type de réalisation devient complexe des que le nombre de détecteurs devient important : ce dispositif se trouve donc, en pratique, limité en nombre de points de détection et par suite en taille. Pour éviter cet inconvénient, il a été proposé (voir notamment le brevet américain nQ 3 808 135) de conserver le principe des deux substrats distincts pour la détection et la lecture, mais de les appliquer l'un contre l'autre sur la totalité de l'une de leurs faces, les connexions entre chaque détecteur et chaque élément de lecture étant faites par un dépôt de soudure dont on provoque la fusion après la mise en place de l'un des substrats sur l'autre. tes deux substrats se trouvent ainsi reliés mécaniquement de façon rigide l'un à l'autre.Il apparaît alors un autre inconvénient : du fait que ces deux substrats sont de natures différentes, ils présentent en général des propriétés physiques différentes et, en particulier, un coefficient de dilatation thermique différent ; des contraintes apparaissent alors à l'interface entre les deux substrats lorsqu'on modifie leur température. La conséquence en est que la qualité du contact électrique établi au moment de la fusion du matériau de soudure entre les substrats se conserve alors diffi cillement en fonctionnement, où le dispositif est généralement porté à une température très inférieure à celle atteinte lors de la fusion de mise en place.Cela est particulièrement critique dans le cas où le dispcsitif est destiné à recevoir des images infra-rRouges, la température de fonctionnement étant alors dans le domaine cryogénique, par exemple de l'ordre de 779K. Pour éviter cet inconvénient, on est à nouveau conduit à une limitation des dimensions du dispositif. La présente invention a pour objet un dispositif permettant d'éviter ces inconvénients, qui autorise un grand nombre de points de détection tout en restant de technologie simple. Ce dispositif comporte notamment - une matrice d'éléments photo-détecteurs destinés à capter le rayonnement incident, réalisé sous forme d'ilots distincts - un substrat, par exemple semi-conducteur, assurant la lecture des signaux délivrés par les photo-détecteurs précédents, comportant à cet effet une matrice d'éléments de lecture ; sur chacun de ces éléments de lecture est placé et électriquement connecté un ilot photo-détecteur - un second substrat, placé en contact électrique avec chacun des photo-détecteurs, constituant la seconde connexion électrique, commune , des éléments photo-détecteurs. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées, qui représentent : - la figure 1, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention - la figure 2a, une vue en coupe du dispositif de la figure 1 et la figure 2b, une vue de dessus de ce même dispositif - la figure 3, a à e, un premier procédé de fabrication du dispositif selon l'invention - la figure 4, a à f, un deuxième procédé de fabrication du dispositif selon l'invention - la figure 5, a à f, un troisième procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes numéros de référence se rapportent aux mêmes éléments. Sur la figure 1, on a représenté un premier substrat 1 dans lequel sont réalisés des éléments de lecture, un ensemble d'éléments photo-détecteurs 4, déposés sur le substrat 1 et recouverts par un deuxième substrat 2, transparent, recevant le rayonnement incident (L). Les photo-détecteurs 4 ont pour fonction de capter le rayonnement incident ; ils sont constitués par exemple par-des jonctions photovoltaïques ou par des photo-conducteurs tels que jonctions pn réalisée dans un substrat de tellurure de plomb et d'étain, ou assemblages de tellurure de plomb et d'étain d'une part et de tellurure de plomb d'autre part, réalisés par épitaxie. Dans tous les cas, ils sont réalisés sous forme d'un ensemble de N petits parallélépipèdes distincts, ou ilots. Dans le substrat 1 sont réalisés les éléments de lecture des signaux fournis par les photo-détecteurs 4. Ce substrat 1 comporte autant d'éléments de lecture que de photo-détecteurs les N éléments de lecture sont réalisés suivant toutes techniques connues, comme par exemple un dispositif à transfert de charges ou à injection de charges ou un ensemble de transistors SILOS, cas dans lesquels il est de préférence en silicium.Le substrat 1 est recouvert d'une couche de passivation isolante 12, dans laquelle sont ménagées N ouverturesl0 permettant l'accès électrique aux N éléments de lecture. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure, sous les ouvertures 10, les entrées 11 des éléments de lecture sous forme de zones dopées d'un type de conductivité (n par exemple) opposé à celui du substrat 1 (p), qui constituent avec celui-ci une jonction pn. Les N photodétecteurs 4 sont placés respectivement sur les N entrées 10 et connectés aux-entrées 11 des éléments de lecture par l'intermédiaire d'une couche conductrice de connexion 3. te matériau constituant les connexions 3 est de préférence un métal de soudure à très bas point de fusion, par exemple l'indium. Le substrat 2 est un matériau transparent au rayonnement incident (flèches L) et il est placé sur les photo#détec- teurs 4 par l'intermédiaire d'éléments de connexion décrits plus en détail sur les figures 2. te matériau consituant le substrat 2 est choisi de façon#que son coefficient de dilatation thermique soit aussi proche que possible de celui du substrat 1. Dans le cas où ce substrat 1 est en silicium, le matériau 2 peut être également en silicium. tes figures 2, a et b, représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus, du côté du rayonnement incident, du dispositif de la figure 1. Sur la figure 2a, on retrouve le substrat 1, les éléments photo-détecteurs 4 placés au droit des zones 11, et le substrat transparent 2. te substrat 2 est déposé sur les photo-détecteurs 4 par l'intermédiaire de deux séries de connexions. La première série est constituée par des ilots 21 d'un métal à bas point de fusion, comme de l'indium, placés dans un angle de la surface de chacun des photo-détecteurs 4. La deuxième série de connexions est constituée par un réseau d'électrodes 22, vues en coupe sur la figure 2a. te réseau d'électrodes 22 peut être relié, comme représenté sur cette figure, à une source de tension extérieure V ; il constitue la seconde borne des photo-détecteurs 4, permettant leur polarisation par rapport au substrat 1. La figure 2b représente un exemple des géométries données aux électrodes 22 et aux connexions 21 précédentes. Sur cette figure, on voit à travers le substrat transparent 2 deux rangées de photo-détecteurs 4 qui sont par exemple de section carrée et qui portent chacun dans leur angle supérieur droit une connexion 21. A chaque rangée de photo-détecteurs 4 est associée une électrode 22, celle-ci étant placée entre les rangées de photo-détecteurs ; chaque électrode 22 comporte des excroissances 22a,venant assurer le contact avec l'ilot de connexion 21 de chaque photo-détecteur 4. te réseau d'électrodes 22 est par exemple réalisé par photo-lithographie. Cette configuration permet d'une part de masquer un minimum de surface photo-détectrice et d'autre part d'occuper un minimum de surface totale, ce qui permet d'augmenter la densité d'éléments photo-détecteurs. La structure décrite ci-dessus est une structure.mono- lithique, composée du substrat de lecture (1) et des détecteurs à l'état solide (4) posés sur celui-ci. Mais, contrairement au cas de la réalisation à la structure connue comportant deux substrats superposés et décrite ci-dessus, la structure selon l'invention, dans laquelle les détecteurs sont séparés les uns des autres, permet à la fois de choisir indépendamment l'un de l'autre les matériaux constitutifs du substrat de lecture et des éléments détecteurs et d'éviter les problèmes de dilatation thermique. Les figures 3, a à e, représentent un premier procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. Sur la figure 3a, on a représenté le substrat 1 portant les éléments de lecture. il s'agit par exemple d'un substrat semi-conducteur de type p, préparé sous forme d1une plaquette parallélépipédique. On y forme sur l'une de ses faces les zones d'entrée 11 des éléments de lecture, par diffusion d'impuretés de type (n) opposées à celles du substrat. Ony forme également l'ensemble des éléments de lecture selon l'une des techniques connues mentionnées plus haut. La couche isolante 12 est également déposée sur la face du substrat i portant les entrées 11 par toutes techniques connues de façon à ménager les fenêtres 10 mentionnées plus haut, au droit des zones 11. La figure 3b représente la préparation des éléments de détection 4 dans le cas où ceux-ci sont constitués par des jonctions pn. On utilise un substrat 41 semi-conducteur de type p par exemple, préparé de façon à réaliser à sa surface une zone de jonction 42 (type n) par toutes techniques connues (diffusion, implantation ou épitaxie). Sur la surface swterieure de la couche 42 est déposée une couche conductrice de soudure 30 celle-ci peut être un métal à bas point de fusion ou une colle conductrice. La figure 3c représente l'application l'un sur l'autre des deux substrats préparés précédemment (1 et 41). La couche conductrice 50 est appliquée sur la couche isolante 12 et les zones 11 du substrat~1, puis le substrat 41 est aminci par tous moyens connus (mécanique, chimique ou électrolytique). La figure 3d représente les mêmes éléments que la figure précédente, mais des ilots sont alors délimités, par exemple par photo-lithographie, dans les couches 41 et 42 et 30, afin de constituer les détecteurs 4 et leur connexion 3 de la figure 1. La figure 3e représente la structure de la figure 3d à laquelle on a ajouté le substrat transparent 2 et ses connexions. Ainsi qu'il est dit plus haut, le substrat 2 est choisi pour~avoir un coefficient de dilatation adapté à celui du substrat 1 et pour être transparent au rayonnement à détecter. il peut être par exemple constitué par du silicium, du gallium, de l'arséniure de gallium (GaAs), du tellurure de cadmium (CdTe) ou du bifluorure de baryum (PaF2). A la surface du substrat 2 est réalisé le réseau d'électrodes 22, par exemple selon le motif représenté figure 2b, par photo-lithographie par exemple. tes contacts 21 qui relient électriquement le réseau d'électrodes 22 aux photo-détecteurs 4 peuvent être par exemple de l'indium déposé sur une au moins des deux faces en présence, par électro-déposition ou par évaporation sous vide. l'assemblage de la structure de la figure 3d avec le substrat 2 et ses connexions se fait par exemple à température ambiante, en exerçant une pression entre les deux substrats 1 et 2. Le positionnement du substrat 2 par rapport-au substrat 1 est réalisé par exemple au moyen d'un système de repérage mécanique ou d'un microscope#infra-rouge. tes figures 4, a à f, représentent un deuxième procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. La figure 4a représente le substrat dans lequel sont réalisés les éléments de lecture et peut être avantageusement préparé comme décrit figure 3a, aux types de conductivité des zones 1 et il près, qui sont inversés. Pour préparer les photo-détecteurs 4, on utilise par exemple un substrat semi-conducteur 41 d'un type de conductivité donné (par exemple p) sur lequel est réalisée une zone de conductivité opposée 42 (n) par tous procédés connus. Des ilots sont ensuite individualisés, par formation de vallées 43, par photolithographie par exemple, de façon à isoler les zones de jonction les unes des autres, comme représenté figure 4b. Sur la figure 4c, on a représenté la structure de la figure 4b, fixée par l'intermédiaire d'une colle 6, à un support 5 rigide. La colle 6, qui est par exemple une colle organique, remplit complètement les intervalles entre le support 5 et les substrats de détection 41-42. La figure 4d représente la structure de la figure précédente amincie du côté du substrat 41 de telle sorte que les éléments de détection 41 et 42 soient totalement isolés les uns des autres, constituant ainsi les détecteurs 4 de 12 figure 1. L'ensemble ainsi obtenu est collé sur la couche 12 et les zones 11 du substrat 1 de façon à ce que les détecteurs 4 coïncident avec les fenêtres 10. Le collage se fait au moyen de couches conductrices 3, reliant électriquement détecteurs 4 et zone Il du substrat 1. te collage peut se ^aire à température ambiante au moyen d'un métal à bas point de fusion déposé prea- lablement en ilots (électrodéposé ou évaporé sous vide) sur un des deux substrats, ou sur les deux ; il peut être également réalisé en faisant fondre un métal de soudure. La colle 6 est ensuite dissoute afin d'éliminer le substrat 5 pour obtenir la structure représentée figure 4e. On obtient alors une structure identique à celle représentée figure 3d et la dernière phase du procédé, qui consiste à ajouter à la structure le substrat transparent 2 et ses connexions, représentée figure 4f, peut alors être identique à ce qui est décrit ci-dessus pour la figure 3e. t'avantage de ce procédé par rapport à celui qui est décrit figure 3 tient au fait que les jonctions constituant les détecteurs 4 sont réalisées sur le substrat 41 avant toute autre opération : une plus grande précision aans les dimensions est alors possible. D'autre part, le rayonnement incident arrive, dans la structure de la figure 4f, du côté de la zone 42 et non du substrat 41 comme sur la figure 3e, ce qui diminue l'atténuation du rayonnement. Par ailleurs, ce mode de réalisation peut être préféré dans certains cas, du fait qu'il conduit à inverser le sens de la jonction il par rapport à la structure précédente. Les figures 5, a à f, représentent un troisième procédé de fabrication du dispositif selon l'invention. La figure Sa est identique à la figure 4a. La figure 5b est analogue à la figure 3b, sauf en ce qui concerne la couche conductrice déposée sur la zone 42. En effet, sur la figure 5b, il est déposé une couche 23 qui doit être à la fois conductrice et transparente au rayonnement à détecter ; son coefficient de dilatation thermique doit également être proche de celui du substrat de lecture 1. Cette couche peut être homogène ou être constituée par la superposition de plusieurs couches. Elle peut être par exemple constituée par du silicium polycristallin, déposé à basse température par une technique de dépôt par condensation de vapeur activée par plasma. L'ensemble substrats 41-42 et couche 23 est ensuite, comme représenté figure 5c, fixé sur un substrat rigide 20 à l'aide d'une couche 21 jouant le rôle de joint de colle. te substrat 41 est ensuite aminci à une faible épaisseur et des ilote sont individualisés dans les matériaux 41 et 42 de façon à constituer les éléments détecteurs 4, par un procédé de photo-lithographie connu, comme représenté figure 5d. La figure Se montre l'assemblage de la structure de la figure 5d avec celle de la figure Sa au moyen d'ilote conducteurs 3 d'une façon analogue à ce qui est décrit figure 4e. La structure de la figure 5e peut être utilisée telle quelle ; toutefois, pour certaines applications, il est possible de décoller le substrat 20 par dissolution de la couche 21, conduisant ainsi à la structure de la figure 5f. tes procédés de réalisation décrite ci-dessus sont particulièrement adaptés au cas ou le rayonnement à détecter est dans le domaine de l'infra-rouge, le semi-conducteur utilisé étant alors du silicium ou un corps ayant l'une des formules chimiques suivantes : Pb1 xSnxTe, Cd1-x Hgx Te, Pb1-x Snx Se, InSb, InAs1-x Sbx, Ga1-x Inx Sb. La description faite ci-dessus du dispositif selon l'invention et de trois de ses procédés de fabrication l'est bien entendu à titre d'exemple non limitatif. C'est ainsi qu'est comprise dans la présente invention une variante consistant à recevoir le rayonnement incident à travers le substrat 1 ; dans ce cas, les zones de connexion 3 ne doivent plus occuper qu'une partie de la surface des photo-détecteurs 4, afin de n'absorber que le minimum du rayonnement incident. REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur de lecture électrique d'une image en deux dimensions, caractérisé par le fait qu'il comporte - une matrice d'éléments détecteurs (4) du rayonnement (2) formant l'image, chacun d'eux étant constitué par un ilot distinct comportant au moins deux faces sensiblement parallèles ; - un premier substrat (1) comportant une matrice d'éléments de lecture, sur chacun#desquels est placé en contact électrique et mécanique par une des dites faces, un élément détecteur -(4) - un second substrat (2) dont le coefficient de dilatation thermique est adapté à celui du premier substrat (1), placé en contact électrique avec la seconde face de chacun des éléments détecteurs (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier substrat (1) est recouvert d'une couche isolante (12) sauf au droit des zones d'entrée électrique (li) de chacun des éléments de lecture, et que les éléments détecteurs (4) sont fixés sur ces zones (11) par l'intermédiaire d'une couche conductrice (3). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le second substrat (2) et les éléments détecteurs (4) sont reliés par l'intermédiaire de deux séries de connexions, la première série consistant en un ensemble de plots (21) conducteurs de l'électricité, placés respectivement sur les éléments détecteurs (4) et la seconde série consistant en un réseau d'électrodes (22), disposées sur la face du second substrat (2) qui est en regard des éléments détecteurs (4) et entre ces derniers, ces électrodes (22) comportant des excroissances (22a) au niveau de chaque élément détecteur (4) afin d'assurer la connexion électrique et la liaison mécanique avec les plots conducteurs (21) des éléments détecteurs (4), les électrodes (22) du réseau étant enfin toutes reliées entre elles. 4. Dispositif selon #'une des revendications précéden- tes, caractérisé par le fait que l'image (2) est reçue du côté du second substrat (2) et que celui-ci est -transparent. 5. Procédé de réalisation du dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes a) réalisation du premier substrat (1), plan et semiconducteurs; b) réalisation sur l'une des faces de celui-ci de la matrice d'élément de lecture comportant chacune une zone d'entrée (11) c) réalisation d'un troisième substrat (41) plan en un matériau semi-conducteur a) réalisation d'une jonction pn sur l'une des faces du troisième substrat (41) e) dépôt sur cette face d'une couche d'un matériau de soudure (30) f) fixation du troisième substrat ainsi aminci sur la face du premier substrat (1) qui porte la matrice d'élément de lecture g)amincissement du troisième substrat (t1) h) individualisation des éléments détecteurs (4) dans le troisième substrat i) dépôt de plots (21) conducteurs de l'électricité sur les éléments détecteurs (4) j) réalisation du second substrat (2), plan k) dépôt sur l'une des faces du second substrat d'un réseau d'électrodes (22) 1) fixation des éléments détecteurs (4) au réseau d'électrodes (22) par l'intermédiaire des plots conducteurs (21) 6.Procédé de réalisation du dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes a) réalisation du premier substrat (1), plan et semiconducteur b) réalisation sur l'une des faces de celui-ci de la matrice d'élément de lecture comportant chacune une zone d'entrée (ii) c) réalisation d'un troisième substrat (41) plan en un matériau semi-conducteur ~ d) réalisation d'une jonction pn sur l'une des faces du troisième substrat (41) e) réalisation de sillons (43) sur cette face de façon à isoler les zones de jonction les unes des autres f) collage du troisième substrat, du côté des sillons, sur un support rigide (5) g) amincissement du troisième substrat (41) de façon à isoler complètement les éléments détecteurs (4) les uns des autres h) fixation des éléments détecteurs (4) et de leur support (5) sur la face du premier substrat (1) qui porte la matrice d1éiéments de lecture i) dissolution de la colle (6) liant les éléments détecteurs (4) à leur support (5) j) dépôt de plots (21) conducteurs de l'électricité sur les éléments détecteurs (4) k) réalisation du second substrat (2), plan l) dépôt sur l'une des faces du second substrat d'un réseau d'électrodes (22) m) fixation des éléments détecteurs (4) au réseau d'électrodes (22) par l'intermédiaire des plots conducteurs (21) 7.Procédé de réalisation du dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes a) réalisation du premier substrat (1), plan et semi conducteur b) réalisation sur l'une des faces de celui-ci de la matrice d'élément de lecture comportant chacune une zone d'entrée (11) ;; c) réalisation d'un troisième substrat (41), plan en un matériau semi-conducteur d) réalisation d'une jonction pn sur l'une des faces du troisième substrat (41) e) dépôt sur cette face d'une couche (23), conductrice de l'éleotricité et transparente au rayonnement, de coefficient de dilatation thermique adapté à celui du premier substrat (1) f) collage d'un substrat rigide (20) au troisième substrat, du côté de la couche conductrice (23) g) amincissement du troisième substrat (41) puis individualisation d'ilots constituant les éléments détecteurs (4) h) fixation des éléments détecteurs (4) et de leurs supports (20, 23) sur la face du premier substrat (1) qui porte la matrice d'éléments de lecture. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en outre la suppression du substrat rigide (20). 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en outre, sur la face du premier substrat (1) qui porte les éléments de lecture, une couche isolante (12) recouvrant le substrat (1) au moins en partie, en dehors des zones d'entrée (11).