Brevet FR2666453A1 — publié le 19920306

BATTERIE DE PHOTOPILES MONTEES EN SERIE La présente invention se rapporte d'une manière générale aux dispositifs photoélectriques susceptibles de transformer en une énergie éLectrique un rayonnement électromagnétique incident dans le domaine Lumineux. Elle concerne encore de façon plus particulière des photodétecteurs et des photopiles qui produisent une différence de potentiel électrique lorsqu'ils reçoivent un flux lumineux et sont utilisés, en ce qui concerne les premiers, pour mettre en évidence l'existence d'une radiation lumineuse déterminée et, en ce qui concerne les seconds, comme générateurs électriques aptes à transformer l'énergie lumineuse incidente en courant électrique. Pour des raisons de simplification, on désignera dans toute la suite du présent texte sous le terme générique de photopiles les appareils des deux types précédemment rappelés. De façon plus précise encore, la présente invention vise la réalisation des photopiles miniatures (ayant des dimensions de l'ordre de quelques microns) obtenues par des techniques propres à la fabrication des circuits intégrés. Jusqu a ce jour, on a réalisé dans certains circuits intégrés, une photopile isolée, le plus souvent par gravure horizontale, c'est-à-dire par empilement horizontal de couches de semi-conducteurs de type P et N permettant de réaliser les jonctions du type P-N, P-I-N ou du type SCHOTTKY caractéristiques des photopiles. Le matériau utilisé est généralement du silicium sous forme monocristalline, polycristalline ou amorphe. La différence de potentiel électrique fournie par une telle photopile étant de l'ordre de 0,6 Volt, il est nécessaire, si l'on veut obtenir une tension supérieure à cette valeur, de mettre en série un certain nombre de photopiles qui doivent être alors soigneusement isolées électriquement les unes des autres. Dans la technique actuelle, cet isolement électrique est généralement obtenu en partant d'un substrat isolant en verre par exemple, ce qui conduit à des complications de fabrication très importantes. En d'autres termes, la réalisation facile de batteries de photopiles montées en série à l'aide des techniques courantes des circuits intégrés est un problème technique non résolu jusqu'# ce jour. La présente invention a précisément pour objet une telle batterie de photopiles montées en série, réalisable simplement à l'aide de techniques dont la mise en oeuvre est simple et fait appel en partie à des structures connues et de réalisation possible dans tout laboratoire d'élaboration de circuits intégrés. Cette batterie de photopiles montées en série se caractérise en ce que les photopiles sont intégrées dans des caisssons isolants au sein d'un même substrat à l'aide d'une structure du type SOI en soi connue (en terminologie anglo-saxonne "silicium on insulator"), comprenant, dans un bloc de silicium, des caissons isolants dont les fonds sont par exemple constitués à l'aide d'une couche isolante profonde de SiO2 obtenue par implantation d'ions oxygène suivie d'un recuit à haute température, et dont les murs latéraux verticaux d'isolement diélectrique sont obtenus par oxydation thermique localisée, les photopiles étant réalisées par implantation ionique et création de zones de types P et N dans les domaines de silicium contenus dans les différents caissons, et en ce- que les connexions électriques entre les photopiles sont réalisées par gravure de conducteurs par exemple, aluminium ou silicium polycristallin dopé, à l'aide de masques sur la surface du substrat. Comme on le comprend de ce qui précède, le Demandeur a trouvé qu'il était possible d'utiliser les structures de semi-conducteurs connues sous la dénomination SOI ("silicium on insulator") et décrites par exemple dans le brevet français publié FR-A-2 616 590 pour les appliquer à la réalisation d'une batterie de photopiles montées en série. En effet, on connaît, par ce brevet antérieur et d'autres publications, une catégorie de circuits intégrés, dits en abrégé circuits SOI, et destinés notamment à présenter une tenue élevée aux radiations ionisantes dans lesquels les parties actives desdits circuits intégrés sont logées dans des caissons isolants le plus souvent en oxyde de silicium SiO2. Les parois de ces caissons sont obtenues, en ce qui concerne le fond des caissons, par un film isolant résultant d'une implantation d'ions oxygène dans un substrat massif de silicium suivi d'un recuit à haute température, et, en ce qui concerne les parois latérales verticales de ces caissons, par croissance locale de SiO2 par oxydation thermique du silicium en présence de masques destinés à protéger les zones extérieures à ces murs. L'invention réside donc dans Le fait d'avoir montré la possibilité -ce que personne n'avait vu jusqu'à ce jour, bien que le problème technique des batteries de photopiles soit posé depuis longtempsd'utiliser de telles structures intégrées à caissons isolants pour y fabriquer in situ des photopiles que l'on pouvait ensuite relier par des conducteurs extérieurs, selon tout câblage voulu, permettant de constituer ainsi des batteries de ces mêmes photopiles en série et/ou en parallèle. Dans ces conditions, les photopiles en question sont rréalisées, aI s.selon l'inven- tion, par implantation ionique et dopage direct des domaines de silicium contenus dans les différents caissons de façon à y créer, selon une structure cette fois verticale et non plus horizontale, des zones de type P et N aptes à réaliser les photopiles désirées. Les connexions extérieures permettant de relier, selon tout câblage désiré, les électrodes positives et négatives de ces photopiles sont, réalisées alors par gravure de conducteurs obtenus de façon connue à l'aide de masques sur la surface du substrat. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de deux exemples de réalisation de batterie de photopiles, exemples qui seront donnés à titre surtout illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 et 2 ci-jointes, sur lesquelles - la figure 1 montre une batterie de photopi les en série avec des photopiles de struc ture PN ; - la figure 2 montre une batterie de photo piles en série avec une structure PNN+. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement les éléments d'une batterie de photopiles, au nombre de quatre sur la figure, qui sont logées conformément à l'invention dans les caissons isolants juxtaposés en silice SiO2, chaque caisson comportant un fond 2 et deux murs latéraux verticaux 4 et 6. L'ensemble est réalisé dans un substrat de silicium 8 monocristallin situé à la partie inférieure du dessin. Dans l'exemple de la figure 1, chaque photopile teLle que 10, 12, 14 et 16 est réalisée à l'aide de trois zones dopées adjacentes de types respectifs P, N et P. Les deux zones P de chaque pile sont connectées en parallèle et mises en communication par les conducteurs 18, 20 et 22 à la zone de type N de la photopile voisine. On constitue ainsi un circuit électrique en série ayant un pôle positif 24 et un pâle négatif 26. Les photopiles 10, 12, 14 et 16 étant en série et produisant chacune une différence de potentiel de l'ordre de 0,6 volt, on obtient ainsi entre le pâle positif 24 et le pâle négatif 26 une différence de potentiel de l'ordre de 2,4 volts. La fabrication d'une telle structure intervient par des procédés connus. On décrira brièvement pour mémoire l'un de ces procédés qui comporte les séquences suivantes. Sur le substrat de silicium 8, on commence par fabriquer, par implantation d'ions oxygène à grande profondeur, le fond de silice SiO2 commun à toutes les photopiles intégrées dans le même bloc de silicium. Un recuit à haute température permet de créer la zone d'oxyde Si 02. A ce stade de la fabrication, on parachève la fabrication des différents caissons destinés ultérieurement à contenir les photopiles en fabriquant par oxydation thermique localisée, les murs latéraux verticaux isolants tels que 4 et 6 en silice SiO2. Enfin, on fabrique par implantation ionique et dopage en ions nécessaires les zones de type P et N permettant de réaliser ainsi des jonctions ayant les caractéristiques d'une photopile. Enfin, les différentes connexions entre les zones de type P et N ainsi que les connexions 18, 20 et 22 entre Les photopiles adjacentes, sont réalisées par gravure de conducteurs à l'aide de masques sur la surface du substrat. On réalise ainsi un ensemble de photopiles intégrées dans un même substrat de silicium, par conséquent sur une très petite surface, et montées en série les unes avec les autres ce qui permet d'obtenir des tensions électriques multiples de la tension unitaire d'une photopile. La figure 2 sur laquelle les mêmes éléments ont été représentés munis des mêmes chiffres de référence montre un mode de mise en oeuvre d'une batterie de quatre photopiles dans une structure quelque peu différente en ce qui concerne ces dernières. Celles-ci sont en effet réalisées par gravure verticale juxtaposée de zones de conduction de type PNN+NP. Le fonctionnement et le procédé de fabrication de la structure de la figure 2 sont par ailleurs identiques à ceux de la figure 1. REVENDICATION Batterie de photopiles montées en série, caractérisée en ce que les photopiles (10, 12, 14, 16) sont intégrées dans des caissons isolants au sein d'un même substrat (8) à l'aide d'une structure de type SOI en soi connue (en terminologie anglo-saxonne "silicium on insulator"), comprenant, dans un bloc de silicium, des caissons isolants juxtaposés en silice SiO2 dont les fonds sont constitués à l'aide d'une couche isolante profonde (2) de SiO2 obtenue par implantation d'ions oxygène 0+ suivie d'un recuit à haute température, et dont les murs latéraux verticaux d'isolement diélectrique (4, 6) sont obtenus par oxydation thermique localisée, les photopiles étant obtenus par implantation ionique et création de zones de type P et N dans les domaines de silicium contenus dans les différents caissons et en ce que les connexions électriques (18, 20, 22) entre les photopiles sont réalisées par gravure de conducteurs à l'aide de masques sur la surface du substrat.