Brevet FR2680280A1 — publié le 19930212

La présente invention concerne un dispositif photodétecteur à l'antimoniure d'indium (In Sb) à large bande, comportant une surface photo-réceptrice passivée qui élimine la dégradation de la réponse lumineuse dans la région infrarouge, provoquée par le phénomène d'éclair et qui permet au photodétecteur de détecter aussi bien les radiations visibles que les radiations infrarouges. On utilise traditionnellement des dispositifs photodétecteurs à l'In Sb à éclairage par l'arrière, comme par exemple des matrices de photodiodes, pour détecter les rayonnements infrarouges ayant une longueur d'onde comprise entre 1 et 5,5 micromètres Cependant, ils ne peuvent être utilisés pour détecter une lumière aussi bien dans le visible que l'infrarouge en raison d'un effet d"'éclair" qui est inhérent aux dispositifs classiques à l'In Sb comportant une passivation sur la face arrière et un revêtement anti-réfléchissant. On forme un revêtement classique de passivation/ anti-réfléchissant par anodisation de l'arrière ou de la surface photo-réceptrice du substrat du dispositif photodétecteur La figure 1 présente les variations de la réponse lumineuse relative d'un photodétecteur classique à l'In Sb anodisé en fonction de la longueur d'onde On voit que la réponse lumineuse augmente à partir d'une faible valeur dans le visible inférieure à 1 micromètre jusqu'à un pic à environ 5 micromètres, après lequel elle tombe rapidement Ce phénomène est extrêmement peu souhaitable, car la réponse optimale par photon devrait être constante à toutes les longueurs d'ondes d'utilisation. La technique antérieure dans sa tentative d'utiliser des photodétecteurs à l'In Sb pour détecter des rayonnements infrarouges consiste à proposer un filtre qui empêche sélectivement la lumière ayant une longueur d'onde visible et ultra-violette, d'arriver au dispositif comme représenté sur la figure 2 Bien évidemment, cela rend le dispositif inopérant pour détecter la lumière visible. Un autre problème lié aux photodétecteurs à In Sb dans le spectre des longueurs d'ondes visibles réside dans un effet d'avalanche qui se produit à moins de 0,7 micromètres comme on le voit encore sur la figure 1 La réponse lumineuse augmente rapidement quand la longueur d'onde tombe en dessous de cette valeur, ce qui rend le dispositif pratiquement inutilisable pour la détection de rayonnements de longueurs d'ondes plus courtes en raison d'un flou lors de la production d'images. Le procédé de la présente invention donne un dispositif photodétecteur à l'In Sb qui fonctionne convenablement sur un large intervalle de longueurs d'ondes, qui comprend la région visible et l'infrarouge. Conformément à la présente invention, la surface photo-réceptrice, ou surface arrière d'un substrat d'un dispositif photodétecteur à l'In Sb, est nettoyée pour en éliminer tous les oxydes d'indium et d'antimoine On forme ensuite sur cette surface des couches de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible, ces couches étant en des matériaux qui ne réagissent pas avec le In Sb au risque de former une structure qui comprendait des pièges à porteurs et conduirait à des éclairs Les couches de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible peuvent comprendre une couche mince d'un semi-conducteur tel que le germanium ou des oxydes et des nitrures avec un matériau filtrant assurant le blocage de la lumière visible, comme par exemple le dioxyde de silicium/silicium et/ou le nitrure de silicium/silicium. La longueur d'onde de coupure optique et l'épaisseur de la couche de blocage de la lumière visible sont choisies de façon à supprimer l'effet d'avalanche dans le dispositif aux longueurs d'ondes visibles. Ces caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier dans la description détaillée qui va suivre accompagnée des dessins annexés dans lesquels les mêmes numéros de référence se rapportent aux mêmes pièces Sur ces dessins: la figure 1 est un graphique illustrant la réponse lumineuse relative d'un photodétecteur classique à l'In Sb anodisé en fonction de la longueur d'onde sans filtre de blocage de la lumière visible; la figure 2 est un graphique illustrant la réponse lumineuse relative d'un photodétecteur classique à l'In Sb anodisé en fonction de la longueur d'onde avec un filtre de blocage complet de la lumière visible; la figure 3 est une vue simplifiée en coupe d'un dispositif photodétecteur représentant une forme de réalisation de la présente invention; et les figures 4 et 5 sont des graphiques illustrant le rendement quantique relatif du dispositif photodétecteur de la présente invention qui comprend des couches de passivation formées dans les différents matériaux considérés. Le procédé classique de passivation de la surface arrière d'un photodétecteur à l'In Sb par anodisation est décrit dans un article intitulé "Formation and Properties of Anodic Oxide Films on Indium Antimonide", par T Sakurai et al, Japanese Journal of Applied Physics, vol 7, No.12, Décembre 1968, pages 1491 à 1496 Un substrat ou tranche en In Sb est immergé dans une solution électrolytique d'hydroxyde de potassium (KOH), et on lui applique un potentiel électrique positif On applique un potentiel négatif à une électrode au mercure (maintenant, on utilise souvent du platine) électrode qui est également immergée dans la solution de KOH Il se produit un effet électrolytique, la tranche d'In Sb servant d'anode, de sorte qu'il se forme sur la tranche une couche d'oxyde qui constitue la couche de passivation anodique. Comme décrit dans un article intitulé "Surface Study of Anodized Indium Antimonide" par R Hung et al Journal of Applied Physics, vol 41, No 5, avril 1970, pages 2185 à 2189, la couche d'oxyde anodisée est essentiellement constituée de In 203 microcristallin (le Sb 2 03 est également un constituant selon une proportion de 2 In 203 pour 1 Sb 203) une concentration élevée d'antimoine étant située en position interstitielle dans le film d'oxyde. Les ions antimoine situés au voisinage de l'interface oxyde/Ins B forment des pièges à porteurs. La présente invention se fonde sur la constatation selon laquelle l'effet d'éclair est provoqué par des électrons chauds produits par des photons correspondant à des radiations visibles ou ultra- violettes, qui sont captés par ces pièges à électrons dans la couche de passivation Les électrons piégés suppriment la réponse infrarouge par une recombinaison avec les porteurs minoritaires obtenus sous l'effet de la lumière (trous pour la base de type N) avant d'être collectés dans les jonctions semi-conductrices P-N du dispositif. Les oxydes In 203 et Sb 203, en plus de tous autres oxydes pouvant être formés par la réaction de l'indium et/ou de l'antimoine avec l'oxygène, sont appelés des "oxydes naissants" La présente invention supprime le problème de l'effet d'éclair en éliminant de la surface photo-réceptrice d'un photodétecteur à l'In Sb ces oxydes naissants et les pièges à porteurs qui leur sont associés. En se référant maintenant à la figure 3, un dispositif photodétecteur à l'In Sb représentant une forme de réalisation de la présente invention est désigné dans son ensemble par la référence 10 et comprend une tranche ou substrat In Sb 12 comportant une surface frontale 14 dans laquelle est formée au moins une jonction semi- conductrice photosensible Typiquement, le substrat 12 est légèrement dopé par un dopant de type N tel que le tellure Il se forme dans la surface 14, par une implantation d'ions beryllium, des régions de type P+ fortement dopées 16 Des jonctions semiconductrices photosensibles 18 qui constituent des photodiodes se forment au niveau des interfaces entre les régions P+ 16 et le substrat 12 de type N Des contacts ohmiques 20 se forment sur les régions P+ 18 Un circuit complet pour les photodiodes est réalisé par des moyens qui sont symboliquement désignés par le raccordement du substrat 12 à la terre. Le substrat 12 possède une surface envers ou surface arrière photoréceptrice 22 qui est conçue de façon à recevoir la lumière incidente qui va être détectée par le dispositif 10, comme l'indiquent les flèches 24 On observe cependant que la surface photo-réceptrice 22 peut également être la surface frontale du dispositif Le substrat 12 est suffisamment mince pour que les porteurs photo-générés diffusent à travers elle, à partir d'un point situé en dessous de la surface 22 jusqu'aux jonctions 18, en provoquant une collecte des porteurs au niveau des jonctions 18 Au cours du procédé de fabrication selon l'invention, on nettoie convenablement la surface 22 pour en éliminer tous les oxydes naissants d'indium et d'antimoine. Selon la présente invention, on forme sur la surface arrière 22 des couches 26 et 28 de passivation et/ou de blocage de la lumière visible en un matériau qui ne va pas réagir avec l'indium et/ou l'antimoine au point de former des oxydes naissants ou toute autre substance ou toute autre structure qui contiendrait des pièges à porteurs et conduirait à un effet d'éclair Le matériau des couches 26 et 28 de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible peut être un matériau semi-conducteur, tel que le germanium, le tellurure de cadmium ou l'arséniure de gallium, ou encore un oxyde tel que le dioxyde de silicium et/ou un nitrure tel que le nitrure de silicium suivi d'une couche mince de silicium assurant le blocage partiel de la lumière visible bien que le cadre de l'invention ne leur soit pas limité Les couches 26 et 28 de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible peuvent être réalisëes en tous matériaux qui ne donnent pas de pièges à porteurs quand ils sont formés sur la surface 22, qui passivent la surface 22 en empêchant sa réaction avec l'atmosphère ambiante, et qui soient suffisamment transparents à la lumière, sur un intervalle choisi de longueur d'onde, pour permettre le fonctionnement du dispositif 10. Si on le désire, on peut former un revêtement ou couche antiréfléchissant 30 sur la couche 28 de blocage partiel de la lumière visible La couche 30 peut être formée d'un matériau anti-réfléchissant classique tel que In 203 j, Sioou Zn Se, sur une épaisseur de plusieurs). centaines de nanomètres (plusieurs milliers d'Angstrâms Ou encore, on peut former un revêtement anti-réfléchissant constitué de plusieurs couches pour les applications à large bande sur la couche 26 de passivation assurant le blocage partiel de la lumière visible, bien que cette forme de réalisation ne soit pas particulièrement décrite ici. Les couches 26 et 28 de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible peuvent être formées en un matériau semi- conducteur tel que le germanium par une technique classique d'évaporation sur film mince, ou d'un oxyde et/ou d'un nitrure de silicium, par une technique classique de déposition au plasma, suivie d'une évaporation d'un matériau assurant le blocage partiel de la lumière visible tel que le silicium, à l'aide d'une technique classique d'évaporation sur film mince, bien que l'invention ne soit pas limitée à ces techniques Quand la couche 28 est constituée de germanium, son épaisseur préférée est comprise entre environ 5 et 25 nanomètres ( 50 et 250 Angstràms) Quand la couche 26 est en Si O 2 et/ou en Si 3 N 4, son épaisseur préférée est comprise entre environ et 15 nanomètres ( 100 et 150 Angstrôms), cette couche étant suivie de la couche 28 dont l'épaisseur préférée est d'environ 200 nanomètres ( 2 000 Angstràms) de Si. Comme il a été décrit ci-dessus, le phénomène d'avalanche qui se produit à des longueurs d'ondes inférieures à 0,7 micromètre conduit à un effet de flou très gênant au niveau de la photodétection et de la production d'images sur l'intervalle des longueurs d'ondes visibles On peut réduire cet effet dans une mesure permettant au dispositif 10 selon l'invention de fonctionner efficacement aux longueurs d'ondes visibles, grâce à la sélection de la longueur d'onde de coupure optique et de l'épaisseur de la couche de passivation 28 assurant le blocage de la lumière visible Une valeur préférée de la longueur d'onde de coupure est comprise entre environ 1 et 2 micromètres La longueur d'onde de coupure est d'environ 1,8 micromètre pour le germanium, alors qu'elle est d'environ 1,1 micromètre pour le silicium. La transmissivité optique de la couche 28 commence à diminuer à la longueur d'onde de coupure et diminue avec la longueur d'onde à une vitesse qui dépend de l'épaisseur de la couche 28 Il en résulte une réduction de l'intensité de la lumière incidente en fonction inverse de la longueur d'onde L'effet d'avalanche provoque la photo-réponse maximale à moins de 0,5 micromètre L'effet de coupure de la couche 28 de blocage de la lumière visible provoque une diminution de l'intensité de la lumière incidente qui se traduit par une réduction de la photo-réponse avec la longueur d'onde Ces deux effets se contrarient l'un l'autre, ce qui donne une photo-réponse plus constante dans la région des longueurs d'ondes visibles que ce que l'on peut avoir avec un photodétecteur classique à l'In Sb. Les figures 4 et 5 illustrent les résultats des formes de réalisation de la présente invention Ces graphiques donnent, en fonction de la longueur d'onde, le rendement quantique du photodétecteur qui mesure le rendement de la réponse lumineuse par photon Les mesures ont été faites alors que les échantillons étaient à une température de 80 K La figure 4 illustre le cas d'une couche 28 en germanium de 5 nanomètres ( 50 Angstrâms) d'épaisseur assurant le blocage partiel de la lumière visible sur laquelle a été appliqué un revêtement anti-réfléchissant 30 La figure 5 illustre le cas d'une couche de passivation 26 de 13 nanomètres ( 130 Angstràms) d'épaisseur en S Io 2/Si 3 N 4 suivie d'une couche 28 en Si de nanomètres ( 2 000 Angstràms) d'épaisseur assurant le blocage partiel de la lumière visible sur laquelle est appliqué un revêtement anti-réfléchissant 30 On voit que la réponse lumineuse sur les deux bandes de longueurs d'ondes visibles et infra-rouges est beaucoup plus forte que ce que l'on a dans la configuration classique illustrée sur la figure 1 Ces spectres présentent des fluctuations plus fortes de la réponse lumineuse entre le visible et environ 2,5 micromètres Ces fluctuations sont cependant dues au revêtement anti-réfléchissant qui est essentiellement adapté à la région infrarouge. EXEMPLE On a fabriqué par le mode opératoire suivant des dispositifs photodétecteurs expérimentaux ayant conduit aux résultats illustrés sur les figures 4 et 5. ( 1) On a formé des régions P+ 16, des contacts 20 et d'autres éléments associés sur la face frontale 14 d'un substrat ou tranche d'In Sb 12 qui, au départ, avait 750 micromètres d'épaisseur, de façon à former des jonctions de photodiodes 18 prêtes à l'emploi. ( 2) On a provoqué une abrasion de la surface arrière 22 jusqu'à réduction de l'épaisseur du substrat 12 à environ 15 micromètres. ( 3) Le côté frontal 14 du substrat 12 a été monté sur une platine en saphir, et on a protégé avec un revêtement épais de photo-réserve des zones de la surface arrière 22, sauf celles sur lesquelles il était prévu de former les couches 26 et 28 de passivation et/ou de blocage partiel de la lumière visible. ( 4) La surface 22 a été gravée au plasma à l'aide d'un plasma à l'oxygène pendant 10 minutes sous une pression de 67 Pa ( 0,5 Torr) et à une puissance de 150 W. ( 5) La surface 22 a subi une attaque chimique par un procédé en deux étapes: (a) 30 secondes dans une solution 50/50 d'acide chlorhydrique et d'eau désionisée, (b) 3 minutes dans une solution 70/10 d'acide lactique/acide nitrique. Les étapes ( 4) et ( 5), en combinaison, ont assuré le nettoyage de la surface arrière 22 en éliminant les oxydes naissants, les détériorations du cristal provoquées par l'opération d'amincissement de l'étape 2, et une partie d'In Sb, de façon que l'épaisseur finale du substrat 12 soit comprise entre environ 8 et 12 micromètres. ( 6) Le substrat 12 a été rincé dans un bain d'eau désionisée et séché par un courant d'azote gazeux L'étape suivante, consistant à appliquer les couches 26 et 28 de passivation et de blocage partiel de la lumière visible, a été mise en oeuvre en un temps suffisamment court pour qu'il ne puisse pas se former, sous l'effet d'une exposition à l'atmosphère ambiante, une quantité appréciable d'oxydes naissants sur la surface 22. ( 7) On a formé sur la surface 22 du substrat 12 les couches 26 et 28 de passivation et de blocage partiel de la lumière visible Des couches de germanium ont été formées par une technique classique d'évaporation sur film mince sous l'effet d'un faisceau électronique, tandis que les couches de dioxyde et de nitrure de silicium ont été obtenues par une technique classique de déposition à plasma Dans ce dernier cas, on a obtenu une couche de passivation 26 contenant si O 2 et Si 3 N 4 à l'aide d'un plasma comprenant N 2, 02 et du silane (Si H 4). ( 8) L'éventuel revêtement anti-réfléchissant 30 a été appliqué sur la couche 28 de blocage partiel de la lumière visible. Alors que différentes formes de réalisation de l'invention ont été représentées et décrites, de nombreuses variantes dans les formes de réalisation apparaîtront évidentes à l'homme du métier, sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention En conséquence, il est clair que l'invention n'est pas limitée uniquement aux formes de réalisation spécifiquement illustrées et décrites Diverses modifications peuvent être envisagées et peuvent être effectuées sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention telle que définie dans les revendications annexées. il REVENDICATIONS 1 Procédé de passivation d'une surface photo-réceptrice constituée d'un substrat photodétecteur à l'antimoniure d'indium (In Sb), comprenant les étapes consistant: (a) à éliminer de cette surface sensiblement tous les oxydes naissants d'indium et d'antimoine; et (b) à former sur cette surface au moins une couche de passivation et/ou une couche de blocage partiel de la lumière visible, en un matériau qui ne réagisse pas avec In Sb pour former une structure comportant des pièges à porteurs. 2 Procédé selon la revendication 1, dans laquelle l'étape (b) comprend l'opération consistant à réaliser en un matériau semi-conducteur la couche de blocage partiel de la lumière visible. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à sélectionner le matériau semi-conducteur parmi l'ensemble comprenant le germanium, le silicium, le tellurure de cadmium et l'arséniure de gallium. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à former la couche de passivation en un matériau choisi parmi l'ensemble comprenant un oxyde et un nitrure. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à sélectionner le matériau de la couche de passivation parmi l'ensemble comprenant le dioxyde de silicium et le nitrure de silicium. 6 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à former la couche de blocage partiel de la lumière visible en un matériau ayant une longueur d'onde de coupure optique comprise entre environ 1 et 2 micromètres. 7 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à former la couche de blocage partiel de la lumière visible en germanium sur une épaisseur comprise entre environ 5 et 25 nanomètres. 8 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (b) comprend l'opération consistant à former la couche de passivation en oxyde et nitrure de silicium sur une épaisseur comprise entre environ 10 et 15 nanomètres. 9 Dispositif photodétecteur à l'antimoniure d'indium (In Sb), comprenant: un substrat d'In Sb comportant une surface photo- réceptrice sur laquelle il n'y a pratiquement pas d'oxyde d'indium et d'antimoine; et au moins une couche de passivation ou une couche de blocage partiel de la lumière visible formées sur ladite surface, en un matériau qui ne réagit pas avec l'In Sb pour former une structure comportant des pièges à porteurs. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la couche de blocage partiel de la lumière visible comprend un matériau semi-conducteur. 11 Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le matériau semi-conducteur est choisi parmi l'ensemble comprenant le germanium, le silicium, le tellurure de cadmium et l'arséniure de gallium. 12 Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la couche de passivation est formée en un matériau choisi parmi l'ensemble comprenant les oxydes et les nitrures. 13 Dispositif selon la revendication 12, dans lequel le matériau est choisi parmi l'ensemble comprenant le dioxyde de silicium et le nitrure de silicium. 14 Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la couche de blocage partiel de la lumière visible comprend un matériau ayant une longueur d'onde de coupure optique comprise entre environ 1 et 2 micromètres. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la couche de blocage partiel de la lumière visible est formée de germanium sur une épaisseur d'environ 5 à 25 manomètres. 16 Dispositif selon la revendication 9, dans lequel la couche de passivation est formée d'oxyde et de nitrure de silicium sur une épaisseur comprise entre environ 10 et nanomètres. 17 Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre une couche anti-réfléchissante formée sur la couche de blocage partiel de la lumière visible. 18 Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre au moins une jonction semi-conductrice photosensible formée dans une surface du substrat opposée à ladite surface photo-réceptrice. 19 Dispositif selon la revendication 18, dans lequel le substrat à une épaisseur d'environ 8 à 12 micromètres. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le substrat a une épaisseur d'environ 8 à 12 micromètres. 21 Dispositif selon la revendication 9, dans lequel ladite surface est une surface arrière du dispositif. 22 Dispositif selon la revendication 21, dans lequel la couche de blocage partiel de la lumière visible est en outre formée sur une surface frontale du dispositif.