Brevet FR2523369A1 — publié le 19830916

1, La présente invention concerne un détecteur infrarouge, matriciel, comprenant une matrice d'éléments infrarouge, notamment pour caméra, par exemple pour reconnaissance aérienne. L'avantage de tels détecteurs à matrice réside dans le fait que l'adressage, ou le balayage, des éléments de la ma- trice s'effectue de manière électronique, et non plus mécani- quement par spot lumineux. L'adressage consiste en fait, à l'aide de moyens électroni- ques de traitement, soit à intégrer les signaux délivrés par les éléments de la matrice, soit à commuter séquentiellement les éléments de la matrice sur un circuit de lecture des si- gnaux délivrés On conçoit donc que chacun des éléments de la matrice est connecté à ces moyens électroniques de traitement. Pour obtenir les conditions de fonctionnement et de sen- sibilité les plus parfaites, la matrice d'éléments infrarouge doit fonctionner à basse température. Ainsi, pour des bandes spectrales de 3 à 5 Fum ou de 8 à 12 am, par exemple, la température optimale est de 770 K pour le détecteur en Hg Cd Te ou en In Sb. On a donc proposé de disposer la matrice d'éléments sur une surface refroidie, dans une enceinte cryogénique. On a alors commencé par réaliser le couplage des éléments de la matrice à des circuits électroniques de traitement, exté- rieurs à l'enceinte cryogénique, par des connexions Mais cette solution présente des inconvénients dus à la longueur des li- gnes de connexion, dans lesquelles sont engendrés des bruits parasites, et à leur nombre qui provoque une charge thermique à cause des pertes en ligne Par ailleurs, cette solution con- duit à des modules de détection d'encombrement important, avec un grand nombre de soudures élémentaires. On a ensuite proposé de disposer la matrice d'éléments infra-rouge et les circuits électroniques sur une même surface froide, à l'intérieur de l'enceinte cryogénique. Mais les dimensions de cette surface sont forcément li- mitées par la puissance des refroidisseurs Cette dernière solution a donc conduit à adopter, comme circuits électro- niques de traitement, des circuits intégrés en silicium dont la maîtrise était acquise, permettant de rassembler sur une faible surface un nombre important de fonctions électriques, avec des éléments infra-rouge photovoltarques, et non photoconducteurs, pour des raisons d'adaptation d'im- pédance, avec un très grand nombre d'éléments sensibles. Deux solutions étaient alors possibles Soit disposer la matrice d'éléments infra-rouge et le circuit silicium l'un à côté de l'autre, soit disposer la matrice au-dessus du circuit silicium. La première de ces solutions n'apportait pas un avantage décisif, ni au plan de l'encombrement, ni au plan de la fa- brication. En adoptant la deuxième solution, on pouvait encore opter soit pour une technologie dans laquelle l'éclairage de la matrice par les rayonnements s'effectue par la face portant les diodes détectrices, c'està-dire la face avant éloignée du circuit silicium, soit pour une technologie à éclairage par la face arrière, opposée à celle qui porte les diodes. Dans la technologie à éclairage par la face arrière, on se heurte à la difficulté de réaliser une couche détectrice, monocristalline, par exemple en Hg Cd Te sur un substrat transparent aux rayonnements Certes, dans ce cas, les élé- ments sensibles étant adjacents au circuit silicium, les liaisons par soudure froide entre les plots de connexion du circuit silicium et de la couche détectrice, par exemple en indium, sont facilement réalisables. Dans la technologie à éclairage par la face avant, on perce des orifices dans la plaquette active monolithique pour réaliser, par couches minces, des liaisons entre les zones de la plaquette de dopage différent de celui du reste de la plaquette et définissant les diodes de la plaquette, et les plots d'entrée du circuit silicium, à l'arrière de la plaquette, créant ainsi des ilots de matériau détec- teur, relativement décalés les uns par rapport aux autres pour permettre précisément les connexions sur le circuit silicium Dans ce cas, le rapport entre la surface de la portion active et la surface totale de la plaquette, c'est-à-dire le coefficient d'occupation, est faible En outre, cette structure en flots est très fragile Enfin, et tout comme dans la technologie à éclairage par la face arrière, subsiste la difficulté de réaliser un grand nom- bre de connexions. La présente invention a pour but de pallier les incon- vénients de cette technologie à éclairage par la face avant. A cet effet, la présente invention concerne un détec- teur infra-rouge matriciel comprenant: une première plaquette de semiconducteur de l'un des deux types p et n, des zones de l'autre des deux types p et N dans la pre- mière plaquette, s'étendant depuis l'une des deux faces de cette plaquette destinée à être exposée aux rayonne- ments infra-rouge, définissant des jonctions formant une matrice de détecteurs élémentaires, une deuxième plaquette de semi-conducteur, vers laquelle est tournée l'autre des deux faces de la première pla- au moins quette, comprenant/un circuit intégré pour le traitement des signaux délivrés par les détecteurs élémentaires de la matrice de la première plaquette, des plots de soudure connectant notamment lesdites zones de la première plaquette à la face de la deuxième pla- quette tournée vers la première plaquette, détecteur caractérisé par le fait que lesdites zones de la première plaquette s'étendent de l'une à l'autre des deux faces de la première plaquette,et lesdits plots de soudure s'étendent le long de la face de la première plaquette tournée vers la deuxième plaquette. Grâce à l'invention, on a donc pu reporter les con- tacts des plots de soudure avec les zones de l'autre type de la première plaquette, de la face avant de celle-ci, celle qui est exposée aux rayonnements, à la face arrière. Cette caractéristique présente deux avantages Le premier, qui est du reste celui de la technologie non monolithique à éclairage par la face arrière, réside dans le fait que les connexions entre la plaquette de détection et la pla- quette de traitement sont les plus courtes possible Le second, le plus important, réside dans le fait que ces connexions peuvent être faites collectivement en une seule opération. On remarquera que la demanderesse a réalisé son inven- tion en partant, d'une part, de détecteurs photovoltaiques et de circuits de traitement silicium et, d'autre part, de détecteurs refroidis dans une enceinte cryogénique Il est clair qu'elle n'entend pas limiter la portée de son inven- tion à de tels détecteurs, et que celle-ci s'étend à tous détecteurs à éclairage par la face avant dont les connexions avec les circuits de traitement sont reportés sur la face arrière Il n'est en effet pas utile pour que le progrès procuré par cette invention soit déjà significatif que celle-ci s'applique à des détecteurs refroidis, de grande sensibilité, ou à des détecteurs à circuits de traitement silicium L'invention se suffit à elle-même dès lors que les jonctions assurent simultanément les fonctions de dé- tection et de liaison avec la face arrière. Dans la première forme de réalisation du détecteur de l'invention, la première plaquette de détection est massive. Dans une deuxième forme de réalisation du détecteur de l'invention, la première plaquette de détection a une struc- ture ménageant de l'une à l'autre de ses deux- faces, des orifices, et les dites zones de l'autre type s'étendent le long des parois des orifices. Dans cette forme de réalisation, les inconvénients de la relative faiblesse du coefficient d'occupation et de la fragilité de la structure, qui certes subsistent, s'effacent néanmoins devant les avantages de l'invention. Dans ce cas, les parois des orifices peuvent_ être métallisées ou les orifices peuvent être remplis de résine époxy chargée pour assurer les connexions. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de deux formes de réalisation du dé- tecteur de l'invention, en référence aux dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 5 représentent une première forme de réalisation de la plaquette de détection et de liaison du détecteur de l'invention, dans ses différentes phases de fabrication la figure 6 représente une vue schématique du détecteur de l'invention avec la plaquette de détection et de liaison des figures 1 à 5, et les figures 7 à 12 représentent une deuxième forme de réalisation de la plaquette de détection et de liaison du détecteur de l'invention. Décrivons tout d'abord les différentes phases du procédé de fabrication de la première forme de réalisation de pla- quette de détection, en référence aux figures 1 à 6. On part d'un substrat massif 1, par exemple en Hg Cd Te ( figure 1), qui est un matériau semi-conducteur bien appro- prié notamment pour la détection d'objets ou de paysages dans les bandes spectrales de 3 à 5 ym et de 8 à 12 Pm, bien que l'invention ne soit pas limitée à un tel matériau, le subs- trat 1 est plus précisément de type p bien qu'on aurait également pu prendre un substrat de type n. On procède ensuite à un amincissement du substrat 1, par des moyens connus, et par exemple par polissage, pour obtenir une plaquette 2, en l'espèce de 20 à 30 pm d'épaisseur (fi- gure 2). On dépose une couche de masquage, dans le cas présent en Zn S, sur les deux faces 4 et 5 de la plaquette 2, et on pro- cède à des ouvertures dans ces deux couches pour ménager, sur chacune des faces, des bandes de masquage 3 disposées de façon matricielle et, entre ces bandes, des fenêtres 6 dans une configuration de mosaïque, les fenêtres, et donc les bandes de masquage, des deux faces étant respectivement les unes au droit des autres (figure 3). On procède, à partir des fenêtres 6, à une diffusion de type N simultanément depuis les deux faces 4 et 5 de la pla- quette 2, pour obtenir des zones 7 de type N s'étendant de la face 4 à la face 5 de la plaquette 2 (fig 4) Ces zones 7 de type n se présentent sous la forme de canaux présentant une por- tion médiane 8, due à la technique de diffusion "planar" mi- se en oeuvre en l'occurrence. Bien entendu, si on était parti d'un substrat de type n, on aurait procédé ensuite à une diffusion de type p. La face 4 de la plaquette 2 est celle qui est destinée à être exposée aux rayonnements infra-rouge à détecter. Cette détection est réalisée par la mosa Tque des photodiodes élémentaires créées par les zones 7 de type n dans le substrat de type p de la plaquette 2. Bien que la plaquette 2 décrite jusqu'ici soit sensi- blement symétrique par rapport à son plan médian, on appe- lera sa face 4 la face avant, et donc sa face 5, la face arrière, d'une partparce que c'est la face 4 qui sera exposée aux rayonnements et, d'autre part, parce que les jonctions détectrices s'étendent de toutes façons depuis cette face 4, par analogie avec le vocabulaire employé en liaison avec la technologie classique à éclairage par la face avant. Outre le fait que le plan des jonctions ainsi définies est sensiblement parallèle à la direction des rayonnements à recevoir, ces jonctions sont donc remarquables par le fait qu'elles s'étendent de la face avant 4 à la face arriè- re 5 de la plaquette 2. On recouvre ensuite la face avant 4 de la plaquette 2 d'une couche de protectionou de passivation, 9 (fig 5). Puis on dépose dans les fenêtres 6 de la face arrière 5, le long des zones de type n, de façon collective en une seule opération, une couche de métallisation, de préférence en indium, pour réaliser des plots/de connexion des zones de type N des photodiodes, destinés à être reliés par sou- dure froide avec des plots d'entrée correspondants 31 d'un circuit intégré silicium de traitement des signaux délivrés par les jonctions pn de la plaquette 2 (fig 5). Quant au seul plot de connexion des zones de type p de la plaquette, à relier avec un plot correspondant du circuit silicium de traitement, il peut Utre formé en n'importe quel endroit du massif de la plaquette 2, mais de préférence, sur la face arrière 5. Les zones de type n, en définitive, sont composées d'un premier espace de détection 10, formé par la diffusion depuis la face avant 4, et un deuxième espace de liaison 11., formé par la diffusion depuis la face arrière 5, ces deux espaces étant reliés par la portionmédiane 8 de/ ptriquec. Les caractéristiques des photodiodes ainsi obtenues par diffusion doubles faces sont tout-à-fait similaires à celles de photodiodes obtenues par diffusion simple face, grâce à la faible épaisseur de la plaquette 2, permettant d'obtenir des surfaces de jonction comparables à celles des jonctions diffusées par une seule face. En ce qui concerne le coefficient d'occupation, il n'est limité que par les caractéristiques électroniques du matériau de départ, Hg Cd Te, et donc par les possibilités électri ues de diffusion des porteursl Il peut atteindre 70 f pour des surfaces sensibles carrées exposées aux rayonnements de 50 1 tk M de côté. Il reste ensuite, disposant de la plaquette de détec- tion, et de liaison, à prendre ue deuxième plaquette 15 de silicium de traitement des signaux délivrés par les photo- diodes de la première plaquette 2, qui ne fait pas l'objet de la présente invention, au demeurant parfaitement connue de l'homme de métier, et qui ne sera donc pas décrite plus avant ici, à former les plots de connexion en indium 31 destinés à être reliés aux plots 30 de la face arrière 5 de la plaquette 2, à relier les plots des deux plaquettes deux à deux par soudure froide, pour connecter les zones 7 de type N et le massif de type p de la plaquette 2 au cir- cuit de la plaquette 15, et à disposer les deux plaquettes 2 et 15 sur une surface 16 refroidie, dans une enceinte cryogénique 17 (fig 6). On notera que grâce au bon transfert thermique de la plaquette silicium 15, le refroidissement de la plaquette 2 de détection et de liaison, séparée de la surface froide 16 par la plaquette 15, reste quand même assuré. Enfin, si la liaison entre les plaquettes 2 et 15 s'ef- fectue par un très grand nombre de connexions, la sortie de la plaquette silicium s'effectue par un nombre beaucoup plus faible de plots de sortie, non représentés. En référence aux figures 7 à 12, qui concernent la deu- xième forme de réalisation du détecteur de l'invention, on part d'un substrat 1, par exemple en Hg Cd Te de type l"p". Sur la face avant 44 de ce substrat, on dépose une couche de masquage 45 Par photogravure de cette couche de masquage, on dégage des fenêtres 46 La plaquette est ensuite amincie par polissage de sa face arrière pour obtenir une plaquette 43 d'environ 20 à 30,um d'épaisseur Sur la face arrière de cet- te plaquette, on dépose une couche de masquage 47 (figure 9). A l'intérieur des fenêtres 46, on perce par gravure ionique, des trous 48, de préférence de 10 >ym par 10 pm, traversant la plaquette ainsi que la couche de masquage 47 déposée sur la face arrière On procède ensuite -à une diffusion de type "n". Une zone 49 de type "n" se développe sous la fenêtre 46 et le long de la paroi des trous 48, donc de la face avant à la face arrière de la plaquette 43 (figure 11) La liaison entre la zone "n" du détecteur ainsi réalisé et le plot d'entrée correspondant du circuit silicium est obtenu par dépôt d'une couche métallique 50 (figure 12) Un tel dépôt peut être réa- lisé par électrolyse On peut également procéder à un remplis- sage des trous 48 par une résine époxy chargée, pour assurer cette même fonction de liaison. En outre, la plaquette 43, décrite en référence aux figures 7 à 12, est destinée à être montée, tout comme la plaquette 2 des figures 1 à 5, sur la surface froide d'une enceinte cryogénique, avec interposition d'une plaquette silicium de traitement. Il s'agit donc, avec cette deuxième forme de réalisation du détecteur de l'invention, d'une technologie à trous dif- fusés, similaire à celle dite à trous métallisés, employée couramment par ailleurs. 9- Revendications. 1 Détecteur infra-rouge matriciel comprenant une première plaquette ( 2) de semi-conducteur de l'un des deux types p et n, des zones ( 7) de l'autre des deux types p et N dans la pre- mière plaquette, s'étendant depuis l'une ( 4) des deux faces de cette plaquette destinée à être exposée aux rayonnements infra-rouge, définissant des jonctions formant une matrice de détecteurs élémentaires, une deuxième plaquette ( 15) de semi-conducteur, vers la- quelle est tournée l'autre ( 5) des deux faces de la pre- mière plaquette, comprenant au moins un circuit intégré pour le traitement des signaux délivrés par les détecteurs élémentaires de la matrice de la première plaquette, des plots de soudure ( 30) connectant notamment lesdites zones ( 7) de la première plaquette à la face de la deuxiè- me plaquette tournée vers la première plaquette, détecteur caractérisé par le fait que lesdites zones ( 7) de la première plaquette s'étendent de l'une ( 4) à l'autre ( 5) des deux faces de la première pla- quette, et lesdits plots de soudure s'étendent le long de la face ( 5) de la première plaquette tournée vers la deuxième plaquette. 2 Détecteur infra-rouge selon la revendication 1, dans lequel la première plaquette ( 2) est massive. 3 Détecteur infra-rouge selon la revendication 2, dans lequel lesdites zones de la première plaquette ont, chacune, la forme d'un canal comprenant un espace de détec- tion, s'étendant depuis la face ( 4) destinée à tre exposée aux rayonnements, et un espace de liaison s'étendant depuis l'autre face ( 5) de la première plaquette. 4 Détecteur infra-rouge selon la revendication 1, dans lequel la première plaquette a une structure ménageant de l'une à l'autre de ses deux faces des trous ( 48), et les dites zones ( 49) de l'autre type s'étendent le long des pa- rois des trous. Détecteur infra-rouge selon la revendication 4, dans lequel, sur les parois des trous, est déposée une couche de métallisation ( 50). 6 Détecteur infra-rouge selon la revendication 4, dans lequel les trous sont remplis de résine époxy chargée. 7 Détecteur infra-rouge selon l'une des revendica- tions 1 à 6, dans lequel la première plaquette est un semi-conducteur de type p et lesdites zones sont des zones diffusées de type n. 8 Détecteur infra-rouge selon l'une des revendica- tions 1 à 6, dans lequel la première plaquette est un semi-conducteur de type N et lesdites zones sont des zones diffusées de type p. 9 Détecteur infra-rouge selon l'une des revendica- tions 1 à 8, dans lequel la première plaquette est en Hg Cd Te. Détecteur infra-rouge selon l'une des revendica- tions 1 à 9, dans lequel la deuxième plaquette est en silicium.