Brevet FR2666689A1 — publié le 19920313

DETECTEUR INFRAROUGE A SUBSTRAT FORTEMENT DOPE ET ECLAIREMENT PAR LA FACE AVANT L'invention concerne les détecteurs infrarouge, notamment les détecteurs matriciels permettant de fournir une image d'un objet émettant un rayonnement thermique dans l'infrarouge. Pour réaliser de tels détecteurs infrarouge, on utilise notamment des matrices de diodes schottky au siliciure de platine déposé sur silicium. Ces diodes peuvent absorber les rayons infrarouge de longueur d'onde située dans la bande de 3 à 5 micromètres et fournir un signal électrique fonction de l'intensité du rayonnement reçu. Ces matrices ont l'intérêt de pouvoir être réalisées par des technologies similaires à celles des circuits intégrés silicium et par conséquent elles permettent une très haute résolution d'image avec une grande densité d'intégration. Mais le faible rendement quantique (nombre d'électrons engendrés par photons traversant la diode) de ces diodes est faible et nécessite des précautions de réalisation si on veut obtenir une sensibilité de détection suffisante. Les détecteurs matriciels peuvent être réalisés soit en technologie purement monolithique, dans laquelle on intègre sur un même substrat de silicium à la fois une matrice de diodes de détection et un multiplexeur permettant de transmettre les charges engendrées par l'illumination de chaque diode; la fabrication est alors particulièrement avantageuse pour des matrices à grand nombre de points d'image, mais la sensibilité est plus faible puisque la surface des pixels est limitée par la nécessité de réserver une place pour un élément du multiplexeur à chaque point d'image; soit en technologie hybride dans laquelle un premier substrat, portant une matrice de diodes, est collé sur un deuxième substrat portant un multiplexeur, chaque diode étant connectée directement à un élément de multiplexeur placé exactement en regard de la diode; le collage est difficile pour des matrices à grand nombre de points mais la sensibilité est meilleure puisque la surface utile de chaque diode de détection peut être plus grande. En principe le détecteur est illuminé par la face arrière du substrat, c'est-à-dire celle qui ne porte pas les diodes de détection. Dans le cas de la technologie hybride, la raison en est évidente : la face avant est masquée par le substrat portant le multiplexeur. Dans le cas de la technologie monolithique c'est parce que l'indice de réfraction élevé du siliciure de platine (indice n voisin de 5 autour d'une longueur d'onde de 4 micromètres) rend peu souhaitable un éclairage direct sans adaptation d'indice; on perdrait 50% du rayonnement incident, par simple réflexion sur le siliciure de platine; en éclairant par la face arrière, on peut plus facilement introduire le rayonnement infrarouge sans pertes : d'une part le substrat de silicium a un indice d'environ 3, et d'autre part on peut recouvrir la face arrière d'une couche d'oxyde de silicium (indice 1, 5) pour faciliter encore l'introduction du rayonnement. Dans les matrices réalisées jusqu a présent, on a remarqué que des images parasites se formaient parfois sur la matrice. Cela a été constaté en particulier lorsque l'image observée comporte des points fortement éclairés : Il apparaît alors des taches claires parasites autour de l'image du point fortement éclairé et à une certaine distance de celui-ci, à des endroits où l'image devrait normalement être sombre. Ces taches sont gênantes puisqu'elles font croire à la présence d'objets émettant fortement un rayonnement infrarouge à des endroits où il n'y a en fait pas de tels objets. On a pensé d'abord que ce phénomène était dû à des diffractions de rayonnement il ne faut pas oublier qu'on travaille à des longueurs d'onde qui sont de l'ordre de grandeur des dimensions des motifs intégrés dans la surface du substrat portant les diodes de détection. L'invention part de la remarque que ces images parasites seraient plutôt dues en fait à des réflexions parasites des rayonnements infrarouge. Selon l'invention, on propose un détecteur infrarouge dont les éléments de détection photosensibles sont intégrés dans un substrat semiconducteur dont la face arrière est très fortement dopée pour absorber la majeure partie du rayonnement infrarouge, l'éclairement des éléments étant assuré par la face avant. On pense en effet que le relief accidenté de la surface avant du substrat provoque des réflexions dans des directions non normales au plan du substrat, et que le rayonnement réfléchi sur la face arrière peut venir frapper des diodes éloignées de celle sur laquelle le rayonnement direct produit une image. Et on pense selon l'invention que ce dopage très fort du substrat permet d'élIminer les conséquences de ces réflexions en empêchant le retour vers les diodes d'un rayonnement réfléchi. Le substrat est de préférence un substrat de silicium dopé 3 de type P++ (environ 1020 atomes/cm ) sur lequel on a fait croître une couche épitaxiale faiblement dopée de type P (environ 14 3 1014 atomes/cm par exemple). La face arrière du substrat (celle qui ne porte pas les éléments photosensibles) est de préférence pourvue d'une métallisation pour porter le substrat à un potentiel de référence. La métallisation peut être en aluminium déposé par évaporation classique sous vide, ou en un métal "noir", ctest-à-dire déposé dans des conditions telles qu'il soit pulvérulent et très absorbant pour le rayonnement qui n'aurait pas été intégralement absorbé par le substrat fortement dopé. Les éléments photosensibles sont de préférence recouverts non seulement d'une couche de passivation, mais aussi d'une ou plusieurs couches d'adaptation d'indice optique (couches antireflet) permettant d'éviter le mieux possible une réflexion du rayonnement incident sur les éléments photosensibles : dans le cas du siliciure de platine notamment, le fort indice de réfraction de ce matériau conduirait, si on effectuait un éclairement direct, à une réflexion de 40% de l'énergie incidente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un détecteur infrarouge matriciel éclairé par sa face arrière; - la figure 2 représente un détecteur modifié selon l'invention . - la figure 3 représente le détecteur monté sur un substrat de céramique. Sur la figure 1, qui représente très schématiquement un détecteur infrarouge (soit monolithique soit hybride) classique, on a désigné par 10 un substrat de silicium, sur la face avant duquel sont intégrées des diodes de détection 12 en siliciure de platine. Le plus souvent une couche d'oxyde de silicium 14 recouvre la face arrière du substrat pour faciliter l'introduction sans réflexion du rayonnement infrarouge arrivant par la face arrière. Le plus souvent aussi, les diodes de siliciure de platine 12 sont elles-mêmes recouvertes par une sorte de cavité optique constituée par une couche d'oxyde de silicium 16 puis une couche d'aluminium 18 formant miroir pour renvoyer vers l'arrière le rayonnement lumineux après qu'il a traversé la diode; étant donné que l'absorption dans la diode n'est guère que de 0,5%, on a en effet intérêt à faire passer le rayonnement deux fois à travers la diode grâce à ce miroir. Là où le miroir est bien perpendiculaire au plan du substrat, le rayonnement est réfléchi perpendiculairement vers l'arrière et ressort du substrat. Mais là où des surfaces réfléchissantes obliques sont présentes, que ce soit des portions obliques du miroir ou d'autres surfaces inclinées ou toute autre cause de réflexion oblique, une fraction importante de rayonnement peut être réémise vers l'arrière avec une incidence telle qu'elle ne puisse pas ressortir du substrat; cette fraction est renvoyée à nouveau vers les diodes de siliciure de platine, mais loin de l'endroit d'incidence initiale. Il faut comprendre que ce phénomène est d'autant plus important que le rayonnement réfléchi est peu atténué puisque l'atténuation dans les diodes de siliciure de platine n'est guère que de 1% après passage dans les deux sens. Si le substrat a par exemple une épaisseur de 500 micromètres et si une fraction importante de rayonnement est réfléchie par exemple avec une incidence d'environ 300 par rapport à la normale, il se produira une image parasite à environ 500 micromètres de distance de l'image principale, c'est-à-dire à une vingtaine de pixels de distance pour des dimensions de pixels de l'ordre de 25 micromètres. Dans cette réalisation classique de la figure 1, le substrat semiconducteur est faiblement dopé de type P et constitue l'anode des diodes schottky dont les cathodes sont en siliciure de platine. Selon l'invention, on propose de doper très fortement le substrat semiconducteur dans sa partie arrière, de sorte qu'il devienne très absorbant pour les longueurs d'onde infrarouges. La face avant, portant les éléments photosensibles, reste faiblement dopée si la nature des éléments photosensibles l'exige, ce qui est le cas pour les diodes au siliciure de platine. L'éclairement est alors effectué par la face avant du substrat. Dans ce cas, on ne place pas de miroir d'aluminium devant les éléments photosensibles. Cependant on prévoit de préférence des couches d'adaptation optique au dessus des éléments photosensibles (des couches de passivation sont de toutes façons nécessaires et jouent en partie le rôle de couche d'adaptation optique). La figure 2 représente schématiquement l'invention. De même qu a la figure 1, les échelles de dimensions ne sont pas respectées pour que la structure générale reste intelligible. Le substrat semiconducteur peut être constitué par un 20 3 substrat 10 de type P+ de dopage environ 10 atomes/cm3, sur lequel on a fait croître par épitaxie une couche de silicium 11 de type P faiblement dopé (environ 1014 atomes/cm3). La transition entre la couche épitaxiale et le substrat après la phase de croissance épitaxiale est progressive, et cette progressivité permet d'éviter toute réflexion vers l'avant de rayonnements qui se dirigeraient de la face avant vers la face arrière du substrat, que ces rayonnements soient perpendiculaires ou obliques par rapport au plan du substrat. L'épaisseur de la couche épitaxiale est de l'ordre de 10 micromètres et l'épaisseur du substrat de l'ordre de quelques centaines de micromètres. Le substrat peut aussi être réalisé à partir d'une tranche semiconductrice faiblement dopée que l'on dope très fortement par la face arrière. Toutefois, la zone très dopée s'étendra alors sur une profondeur qui ne peut guère dépasser quelques dizaines de micromètres, ce qui n'est pas forcément suffisant pour absorber complètement les rayonnements infrarouge, surtout pour les grandes longueurs d'onde. Sur la face avant du substrat, les éléments photosensibles sont directement recouverts par une couche de passivation transparente 20 (oxyde et/ou nitrure de silicium) elle-même éventuellement recouverte d'une ou plusieurs couches d'adaptation d'indice 22, transparentes en infrarouge et ayant un effet anti-reflet pour les rayonnements incidents. Sur la face arrière, on peut prévoir une couche conductrice 24 (métallisation en aluminium en général) servant à porter uniformément le substrat (et donc la couche épitaxiée 11) à un potentiel de référence. Dans les réalisations de l'art antérieur, avec éclairage par l'arrière, il était nécessaire de prévoir une prise de contact sur la face avant pour accéder au substrat et le porter à un potentiel de référence. Pour améliorer l'élimination des rayonnements ayant déjà traversé les éléments photosensibles, on peut aussi prévoir que cette métallisation de contact face arrière est réalisée en un matériau conducteur de l'électricité mais non réfléchissant pour les longueurs d'onde infrarouge considérées. De l'aluminium noir (pulvérulent) peut convenir. Le substrat de silicium ainsi réalisé, portant les éléments photosensibles ainsi que la circuiterie de multiplexage nécessaire pour transmettre et traiter les charges électriques engendrées par chaque élément photosensible, sera en général monté sur un autre substrat, de préférence en céramique, destiné à assurer le refroidissement. Le substrat de céramique 30 porte classiquement des connexions électriques et des plages de connexion permettant une soudure par fils avec des plots de connexion portés par le substrat de silicium 10. On n'utilise donc pas la technique de soudure avec retournement de puce ("flip chip") utilisée lorsque le détecteur doit être éclairé par la face arrière, mais on revient à la technique plus ancienne de connexion par fils soudés ("wire-bonding") de sorte que le détecteur peut être éclairé par la face avant du substrat 10. La face arrière du substrat de silicium est soudée ou collée à l'aide d'une colle conductrice sur une plage conductrice du substrat de céramique. L'invention a été décrite en détail à propos de détecteurs infrarouges dont les éléments photosensibles sont des diodes schottky au siliciure de platine sur silicium. On comprendra cependant qu'elle serait transposable à des détecteurs infrarouges dont les éléments photosensibles sont différents, étant donné que le problème ne vient pas principalement du fait de ces diodes mais bien plutôt de réflexions parasites sous incidence non normale. REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge comportant un ensemble d'éléments photosensibles en infrarouge (12) intégrés sur la face avant d'un substrat semiconducteur (10), caractérisé en ce que la face arrière du substrat semiconducteur est très fortement dopée pour absorber la majeure partie du rayonnement infrarouge reçu par le détecteur, l'éclairement du détecteur étant assuré par la face avant. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments photosensibles sont des diodes schottky au siliciure de platine sur silicium. 3. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est un substrat de silicium dopé de type P++ sur lequel on a fait croître une couche épitaxiale (11) faiblement dopée de type P. 4. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face arrière du substrat est pourvue d'une couche conductrice (24) pour porter le substrat à un potentiel de référence. 5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche conductrice est non-réfléchissante pour les rayonnements infrarouge. 6. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments photosensibles sont recouverts d'une couche de passivation et d'une ou plusieurs couches d'adaptation d'indice optique. 7. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat de silicium est soudé ou collé par sa face arrière sur un substrat de céramique (30).