Brevet FR2644293A1 — publié le 19900914

DISPOSITIF PHOTODETECTEUR RECEVANT LA LUMIERE SUR SA SURFACE ARRIERE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un dispositif pho- todétecteur du type recevant la lumière sur sa surface ar- rière, comportant une section de réception de lumière de type réseau, et plus particulièrement un dispositif de ce type capable d'éviter une interaction ou diaphonie entre des éléments d'image, et elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif. La figure 4 montre une coupe d'un dispositif pho- todétecteur de l'art antérieur qui est décrit dans la pu- blication de brevet du Japon n Sho. 63-43366. Sur la figu- re 4, la référence 1 désigne un substrat en CdTe. Des cou- ches d'absorption de lumière 4 sont formées sur le substrat en CdTe 1. Une couche de CdHgTe de type p. 2, est formée sur le substrat en CdTe 1 de façon à recouvrir les couches d'absorption de lumière 4. Des parties 3a et 3b en CdHgTe de type n sont formées sur la région de surface de la cou- che de CdHgTe de type p. 2. Ce dispositif photodétecteur fonctionne de la ma- nière suivante. En premier lieu, on décrira la diaphonie qui constitue un problème dans un dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur la surface arrière, comportant une section de réception de lumière du type réseau. La fi- gure 5 montre un dispositif dans lequel les couches d'absorption de lumière 4 sont supprimées dans le disposi- tif photodétecteur de la figure 4. Tout d'abord, les rayons infrarouges qui tombent sur la surface arrière du substrat en CdTe 1 sont absorbés par la couche en CdHgTe de type p 2, pour produire des por- teurs 5. Lorsque ces porteurs 5 atteignent la jonction pn au voisinage des parties en CdHgTe de type n 3a et 3b, un photocourant est produit, ce qui permet la détection de la lumière. Cependant, lorsque les éléments d'image sont dis- posés avec une densité plus élevée, la distance de diffu- sion des porteurs 5 devient plus longue, comparativement au pas des éléments d'image, et les porteurs 5 qui sont pro- duits par la lumière qui tombe sur des parties situées en- tre les éléments d'image adjacents peuvent atteindre n'im- porte lesquels des éléments d'image des parties en CdHgTe de type n 3a et 3b, comme le montre la figure 5, ce qui produit de la diaphonie. Dans le dispositif de l'art anté- rieur, du fait que les couches d'absorption de lumière 4 sont prévues pour empêcher que la lumière ne tombe sur des parties situées entre des éléments d'image, des porteurs ne sont pas produits dans des parties situées entre des élé- ments d'image. Lorsqu'on augmente encore davantage la densité d'éléments d'image dans le dispositif photodétecteur de l'art antérieur ayant une telle structure, les porteurs 5 qui sont produits au voisinage de l'élément d'image de la partie en CdHgTe de type n, 3a, diffusent jusqu'à l'élément d'image de la partie 3b, malgré la présence des couches d'absorption de lumière 4, ce qui fait apparaître de la diaphonie et diminue la résolution de l'élément d'image. Un but de l'invention est de procurer un disposi- tif photodétecteur capable d'empêcher que des porteurs qui sont produits par la lumière incidente ne diffusent vers des éléments d'image adjacents. Conformément à l'invention, un dispositif photo- détecteur comporte des couches d'absorption de lumière for- mées à des intervalles désirés sur une surface d'un subs- trat semi-isolant, une couche semi-isolante recouvrant les couches d'absorption de lumière sur le substrat, une couche de semiconducteur d'un premier type de conductivité, formée sur la couche semi-isolante, et des parties de semiconduc- teur d'un second type de conductivité, formées dans des parties exigées de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité, entre les couches d'absorption, de façon à atteindre la couche semi-isolante à partir de la surface de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité. Dans ce dispositif photodétecteur, la fraction de la lumière tombant sur la surface arrière du dispositif qui a atteint la couche d'absorption de lumière est absorbée par cette dernière, tandis que l'autre fraction, qui a at- teint la couche de semiconducteur, est absorbée par celle- ci, pour produire ainsi des porteurs. Les porteurs qui ont atteint la jonction pn produisent un photocourant qui sera détecté. Du fait que la jonction pn définissant une section de réception de lumière atteint la couche isolante, à par- tir de la surface de la couche de semiconducteur, tous les porteurs peuvent atteindre la jonction pn ou peuvent se re- combiner pour s'éliminer. Il en résulte qu'ils n'atteignent pas les éléments d'image adjacents et qu'il n'apparaît pas de diaphonie. Lorsqu'on utilise un matérau isolant pour les couches d'absorption de lumière, on peut obtenir les mêmes effets sans incorporer une couche isolante entre les cou- ches d'absorption de lumière et la couche de semiconducteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, don- nés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe montrant un dispositif photodétecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une représentation en perspective et en coupe du dispositif de la figure 1; La figure 3 est une coupe montrant un dispositif photodétecteur conforme à un second mode de réalisation de l'invention; La figure 4 est une coucpe montrant un dispositif photodétecteur de l'art antérieur; et Les figures 5 et 6 sont des coupes destinées à l'explication des difficultés que l'on rencontre dans le dispositif de l'art antérieur. La figure i montre une coupe d'un dispositif pho- todétecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, et la figure 2 est une représentation en perspective et en coupe de ce dispositif. Dans ces figures, les références 1 à 4 désignent les mêmes éléments que sur la figure 4, et la référence 6 désigne une couche isolante en CdTe. Dans ce mode de réalisation, la couche isolante en CdTe 6 est formée entre la couche en CdHgTe de type p. 2, et le substrat en CdTe 1, de façon à recouvrir les couches d'absorption de lumière en HgTe 4, et les parties en CdHgTe de type n 3 sont formées de façon & atteindre la couche isolante 6. Ce dispositif photodétecteur fonctionne de la ma- nière suivante. La lumière qui a atteint les couches d'absorption de lumière en HgTe 4, parmi la lumière qui tombe sur le côté du substrat semi-isolant 1, c'està-dire la surface arrière du dispositif, est absorbée par les couches d'absorption de lumière 4, et la lumière qui tombe sur les autres parties est absorbée par les parties en CdHgTe de type n, 3, pour produire des porteurs dans ces parties. Ces porteurs donnent naissance à un photocourant dans la partie de jonction pn entre la partie en CdHgTe de type n 3 et la couche en CdHgTe de type p 2, ou bien ils se recombinent pour s'éliminer. Ils n'atteignent donc pas les éléments d'image adjacents, c'est-à-dire les parties en CdHgTe de type n adjacentes, et il n'apparaît donc pas de diaphonie concernant les porteurs. En outre, du fait que la couche isolante en CdTe 6 et la couche en CdHgTe 2 et les parties en CdHgTe 3 pré- sentent une bonne coïncidence de leurs constantes de réseau, il y a très peu de dégradation des performances du disposi- tif résultant de la discordance dans les constantes de ré- seau entre les couches. En outre, la section de réception de lumière 3 est du type n, et lorsque ce dispositif photodétecteur est connecté à des dispositifs à transfert de charge, tels que des dispositifs à couplage de charge (ou CCD), le disposi- tif global constitue un système d'injection de charges dans lequel des charges sont injectées de la photodiode vers le dispositif CCD. Ceci signifie que le couplage est facilité. On va maintenant décrire le procédé de fabrica- tion du photodétecteur décrit ci-dessus. En premier lieu, on forme une couche en HgTe sur un substrat en CdTe 1, avec une épaisseur de 10 micromètres, par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur de compo- sés organométalliques (ou MOCVD), ou le procédé d'épitaxie par jets moléculaires (ou MBE). On forme ensuite des cou- ches d'absorption de lumière en HgTe 4, en définissant un motif dans la couche en HgTe, et on forme par-dessus une couche isolante en CdTe 6, avec une épaisseur d'environ 10 micromètres, par le procédé MOCVD ou le procédé MBE. Les couches d'absorption de lumière en HgTe 4 consistent en un semi-métal et ont un coefficient d'absorp- tion de lumière très élevé. Au contraire, la couche isolan- te en CdTe 6, ayant une bande interdite suffisamment grande, transmet bien la lumière, en particulier le rayonnement infrarouge. On peut former aisément ces couches d'absorp- tion de lumière en HgTe 4 et la couche isolante en CdTe 6, par le procédé MOCVD ou le procédé MBE. On ne peut cependant pas former aisément la cou- che isolante en CdTe 6 par un procédé d'épitaxie en phase liquide (ou LPE) , qui est plus économique que le procédé MOCVD ou le procédé MBE. Ceci résulte du fait que dans le procédé d'épitaxie en phase liquide, on doit employer une température élevée pendant la croissance de la couche iso- lante en CdTe 6, et dans ces conditions les couches d'absorption de lumière en HgTe 4, qui ont un bas point de fusion, fondent et se mélangent à la couche isolante en CdTe 6. On va maintenant décrire le processus de fabrica- tion des parties en CdHgTe de type n, 3. En premier lieu, on forme sur le substrat ayant la constitution décrite ci- dessus une couche en CdHgTe, en employant le procédé MOCVD ou le procédé LPE, et on ajoute à cette couche une faible quantité d'indium, pour donner ainsi le type n à la couche en CdHgTe. Lorsqu'on chauffe ce dispositif, il y a extrac- tion de l'élément Hg, et les trous qui résultent de l'ex- traction de Hg donnent le type p. On forme donc la couche en CdHgTe de type p, 2. On diffuse ensuite sélectivement Hg dans la couche en CdHgTe de type p, 2, et les parties dans lesquelles Hg est diffusé redeviennent du type n. On forme donc des parties en CdHgTe de type n, 3. On peut former cette couche en CdHgTe de type p 2 en ajoutant à la couche en CdHgTe un dopant de type p tel que l'argent ou le cuivre et on forme ensuite les parties en CdHgTe de type n, 3, en diffusant sélectivement un dopant de type n tel que In dans la couche de type p 2. Lorsqu'on utilise CdHgTe pour la couche de semi- conducteur pour détecter le rayonnement infrarouge, en par- ticulier le rayonnement d'environ.10 micromètres de lon- gueur d'onde, l'épaisseur de la couche de semiconducteur doit être au moins supérieure à 10 microns, compte tenu du coefficient d'absorption de la lumière. Il est difficile de former une telle région de type n profonde, d'environ 10 micromètres, par le procédé d'implantation ionique utili- sant du bore, qu'on emploie habituellement. Cependant, si on optimise les conditions de diffusion dans le processus de diffusion de Hg ou In, on peut aisément former une ré- gion de type n profonde, comme indiqué cidessus. On peut aisément former cette région de type n, seulement par l'op- timisation des conditions de diffusion, même dans un cas dans lequel la couche de semiconducteur consiste en un ma- tériau autre que CdHgTe. Bien que dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, on utilise CdTe pour la couche isolante 6, cette couche isolante peut consister en CdxHglxTe ayant une ban- x 1_x de d'énergie interdite Eg > 1 eV (x > 0,7), ou bien elle peut consister en Cd 0,7Zn 0,3Te. Dans ces cas, la constante de réseau de la couche en CdHgTe 2 comportant les sections de réception de lumière 3 et celle de la couche isolante 6 présentent une bonne coincidence mutuelle, et les perfor- mances du dispositif sont encore améliorées. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, il est nécessaire d'incorporer la couche isolante 6 du fait que la couche d'absorption de lumière 4 est constituée par un matériau conducteur tel que HgTe. Cependant, si on uti- lise un matériau isolant tel que le silicium polycristallin pour les couches d'absorption de lumière 4, on peut obtenir les mêmes effets sans incorporer la couche isolante 6, com- me le montre la figure 3. On peut aisément former ces cou- ches d'absorption de lumière 4 par un procédé de dépôt en phase vapeur, un procédé de pulvérisation cathodique ou un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, sans utiliser un procédé MOCVD coûteux. En outre, lorsqu'on forme la couche en CdHgTe de type p 2 par le procédé d'épitaxie en phase liquide, on peut aisément recouvrir la couche d'absorption de lumière 4. On peut également former cette couche en CdHgTe de type p 2 par le procédé MOCVD ou le procédé MBE. 26442-93 Dans la structure de ce second mode de réalisa- tion, le matériau de la couche d'absorption de lumière 4 et celui de la couche en CdHgTe qui est formée par-dessus sont mutuellement tout à fait différents. Ceci peut provoquer la génération de bruits résultant de l'augmentation de la den- sité d'états d'interface. Pour éviter cette difficulté, on doit donner à la bande d'énergie interdite de la couche en CdHgTe au voisinage des couches d'absorption de lumière 4, une valeur plus élevée que dans l'autre partie. Les bruits sont ainsi réduits proportionnellement à la valeur de la bande d'énergie interdite, comme la théorie le confirme. Bien que dans les premier et second modes de réa- lisation décrits ci-dessus, on utilise CdTe pour le subs- trat 1, HgTe pour la couche d'absorption de lumière 4 et CdHgTe pour la couche de semiconducteur 2 comportant les parties de réception de lumière 3, il est possible d'utili- ser du saphir ou un semiconducteur composé des groupes III- V tels que GaAs pour le matériau de substrat, CdHgTe pour la couche d'absorption de lumière 4, et ZnHgTe ou PbSnTe ou une substance analogue pour la couche de semiconducteur 2. Bien que dans les premier et second modes de réa- lisation décrits ci-dessus, on ait décrit un dispositif conçu pour détecter la lumière, la présente invention est applicable aux dispositifs qui sont conçus pour détecter tout type de lumière visible, de rayons infrarouges, de rayons ultraviolets et de radiations. La description précédente montre de façon éviden- te que, conformément à l'invention, des couches d'absorp- tion de lumière formées à des intervalles désirés sur un substrat semi-isolant sont recouvertes par une couche semi- isolante, une couche de semiconducteur est formée par- dessus, et des parties de conversion de lumière en électri- cité sont formées dans des parties exigées de la couche de semiconducteur, de façon à atteindre la couche semi-isolan- te, à partir de la surface de la couche de semiconducteur. Par conséquent, on peut parfaitement empêcher que les por- teurs qui sont produits par la lumière incidente ne diffu- sent vers les éléments d'image adjacents, ce qui permet d'obtenir une image à haute résolution ne présentant pas de diaphonie. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière, caractérisé en ce qu'il comprend: des couches d'absorption de lumière (4) formées à des intervalles nécessaires sur un substrat semiisolant (1); une couche semi-isolante (6) recouvrant les couches d'absorption de lumière (4) sur le substrat semi-isolant (1); une couche de semiconducteur d'un premier type de con- ductivité (2) formée sur la couche semi-isolante (6); et des parties de semiconducteur d'un second type de conducti- vité (3) formées dans des parties désirées de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2), entre les couches d'absorption de lumière (4), de façon à attein- dre la couche semi-isolante (6) à partir de la surface de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2). 2. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-isolant (1) consiste en CdTe, la couche semi-isolante (6) consiste en CdTe, les couches d'absorption de lumière (4) consistent en HgTe, la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2) consiste en CdHgTe de type p, et les parties de semi- conducteur du second type de conductivité (3) consistent en CdHgTe de type n. 3. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiisolante (6) consiste en CdxHgl_ xTe ayant une bande d'énergie interdite Eg > 1 eV (x > 0,7) ou en Cd Zn Te.' 0,7 0,3 4. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1) consiste en saphir ou en un semiconducteur composé des groupes III-V. 5. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches d'absorption de lumière (4) consistent en CdHgTe. 6. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de semiconducteur du pre- mier type de conductivité (2) consiste en ZnHgTe ou PbSnTe. 7. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- détecteur du type recevant la lumière sur sa surface arriè- re, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de proces- sus suivantes: on forme des couches d'absorption de lumiè- re (4) aux intervalles nécessaires sur un substrat (1); on forme une couche isolante (6) sur le substrat (1) de façon à recouvrir les couches d'absorption de lumière (4); on forme une couche de semiconducteur d'un premier type de conductivité (2) sur toute la surface; et on forme des par- ties de semiconducteur d'un second type de conductivité (3) en diffusant sélectivement des impuretés dans des parties désirées de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2), jusqu'à ce que les régions de diffusion atteignent la couche isolante (6). 8. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- détecteur du type recevant la lumière sur sa surface arriè- re selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on forme les couches d'absorption de lumière (4) par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur de substances organométalli- ques (ou MOCVD), ou par le procédé d'épitaxie par jets mo- léculaires (ou MBE), et on forme la couche isolante (6) par le procédé MOCVD ou le procédé MBE. 9. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- détecteur du type recevant la lumière sur sa surface arriè- re selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pro- cessus de fabrication pour la formation de la couche de se- miconducteur du premier type de conductivité (2) et des parties de semiconducteur du second type de conductivité (3) comprennent les étapes de processus suivantes: on for- me une couche de semiconducteur sur la couche isolante (6) par le procédé MOCVD ou le procédé d'épitaxie en phase li- quide (ou LPE), et on ajoute à cette couche une faible quantité d'impuretés du second type de conductivité; on chauffe cette couche de semiconducteur de façon à lui don- ner le premier type de conductivité; et on forme les par- ties de semiconducteur du second type de conductivité (3) en diffusant sélectivement des impuretés du second type de conductivité dans la couche de semiconducteur du premier type de conductivité. 10. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière, caractérisé en ce qu'il comprend: des couches d'absorption de lumière (4) consis- tant en un matériau isolant déposé à des intervalles néces- saires sur une surface d'un substrat semi-isolant (1); une couche de semiconducteur d'un premier type de conductivité (2) recouvrant les couches isolantes d'absorption de lumiè- re (4), formée sur le substrat semi-isolant (1); et des parties de semiconducteur d'un second type de conductivité (3), formées dans des parties désirées de la couche de se- miconducteur du premier type de conductivité (2), entre les couches isolantes d'absorption de lumière (4), de façon à atteindre le substrat semi-isolant (1) à partir de la sur- face de la couche de semiconducteur du premier type de con- ductivité (2). 11. Dispositif photodétecteur du type recevant la lumière sur sa surface arrière selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat semiisolant (1) consiste en CdTe, les couches d'absorption de lumière (4) consistent en silicium polycristallin, la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2) consiste en CdHgTe de type p, et les parties de semiconducteur du second type de con- ductivité (3) consistent en CdHgTe de type n. 12. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- conducteur du type recevant la lumière sur sa surface ar- rière, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de pro- cessus suivantes: on forme des couches d'absorption de lu- mière (4) consistant en un matériau isolant, aux interval- les nécessaires sur un substrat (1); on forme une couche de semiconducteur d'un premier type de conductivité (2) sur le substrat (1), de façon à recouvrir les couches d'absorption de lumière (4); et on forme des parties de semiconducteur d'un second type de conductivité (3), en diffusant sélecti- vement des impuretés dans des parties désirées de la couche de semiconducteur du premier type de conductivité (2), jus- qu'à ce que les régions de diffusion atteignent le substrat. 13. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- détecteur du type recevant la lumière sur sa surface arriè- re selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on forme les couches d'absorption de lumière (4) par un procédé de dépôt en phase vapeur, un procédé de pulvérisation cathodi- que, ou un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, et on forme la couche de semiconducteur du second type de conduc- tivité (2) par un procédé d'épitaxie en phase liquide, un procédé de dépôt chimique en phase vapeur de substances organométalliques, ou un procédé d'épitaxie par jets molé- culaires. 14. Procédé de fabrication d'un dispositif photo- conducteur du type recevant la lumière sur sa surface ar- rière selon la revendication 12, caractérisé en ce que les processus de fabrication qu'on utilise pour former la cou- che de semiconducteur du premier type de conductivité (2) et les parties de semiconducteur du second type de conduc- tivité (3) comprennent les étapes de processus suivantes: on produit une couche de semiconducteur sur le substrat et on y ajoute une faible quantité d'impuretés du second type de conductivité; on chauffe cette couche de semiconducteur de façon à lui donner le premier type de conductivité; et on forme les parties de semiconducteur du second type de conductivité (3) en diffusant sélectivement des impuretés du second type de conductivité dans la couche de semicon- ducteur du premier type de conductivité (2).