Brevet FR2761813A1 — publié le 19981009

DETECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES MULTIELEM ENTS A DIAPHOTIE REDUITE Le domaine de l'invention est celui des détecteurs d'ondes électromagnétiques et plus précisément celui des détecteurs infrarouge de type matriciel et hybridés sur un circuit de lecture. Les systèmes infrarouge basés sur un plan focal multiéléments ont des performances qui dépendent directement des caractéristiques intrinsèques des détecteurs élémentaires mais également du taux de diaphotie d'un pixel à l'autre (phénomène analogue à la diaphonie, concernant des photons parasites). Actuellement, les détecteurs infrarouge à puits quantiques permettent d'atteindre, du fait de la maturité des procédés de réalisation (épitaxie et technologie) des hétérostructures de semiconducteurs 111-V et des rendements de fabrication compatibles avec la production industrielle de dispositifs à très grand nombre d'éléments (matrices 256x256, 512x512, grandes barrettes). Cependant, à cause des mécanismes physiques régissant les transitions optiques intersousbandes, à la base de la détection infrarouge dans les puits quantiques, seule la composante du champ électrique du rayonnement électromagnétique à détecter parallèle à l'axe de croissance, c'est-à-dire normale à la surface du détecteur, peut être détectée. L'utilisation de systèmes de couplage optique, comme des réseaux de diffraction par exemple, permet de défléchir le faisceau incident. Dans ce cas, la limitation sur l'angle d'incidence est résolue, et il devient possible d'atteindre des rendements quantiques de détection suffisants, quelle que soit la polarisation initiale ou l'angle d'incidence du rayonnement incident à détecter. La figure 1 illustre un exemple de détecteur multiéléments dont seulement deux éléments sont représentés. Ils comprennent sur un substrat S, une couche guide G, une structure active à puits quantiques PQ insérée entre deux couches de contact CI et C2, un réseau de couplage R étant superposé à la couche de contact supérieur C2. La couche G d'indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction des autres couches, permet un confinement des photons incidents à détecter, plus important au niveau de la région active comme l'illustre la figure 1. Néanmoins, la présence de la couche guidante, ne résout pas les problèmes de diaphotie qui existent entre détecteurs élémentaires adjacents et qui viennent perturber la réponse du détecteur infrarouge utilisé notamment en imagerie infrarouge. C'est pourquoi, I'invention propose un détecteur d'ondes électromagnétiques du type de celui décrit en figure i, dans lequel la couche guidante est gravée et fait partie intégrante du mesa correspondant à un détecteur élémentaire. Plus précisément, I'invention a pour objet un détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires photoconducteurs sur un substrat, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire présente une structure en mesa élaborée sur le substrat et comprend l'empilement d'une couche guide, d'une couche de contact inférieur, d'au moins une couche active à matériau photoconducteur, d'une couche de contact supérieur, L'indice de réfraction de la couche guide étant inférieur aux indices de réfraction des autres couches de manière à confiner les ondes électromagnétiques à détecter à l'intérieur de chaque structure en mesa de détecteur élémentaire et réduire la diaphotie entre détecteurs élémentaires. De préférence, la couche active comprend une structure à puits quantique et chaque détecteur élémentaire comprend une couche de couplage optique de type réseau de diffraction, superposée ou intégrée à la couche de contact supérieur. Dans le détecteur selon l'invention, chaque photon diffracté par le réseau de diffraction et non absorbé par la structure à puits quantique est ainsi réfléchi par la couche guide et réinjecté dans le même détecteur élémentaire. Cette solution permet ainsi d'éliminer totalement la diaphotie due aux réflexions sur la couche guidante. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires photoconducteurs sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes: - la réalisation sur un substrat: d'une couche guide e d'une couche de contact inférieur d'au moins une couche active à base de matériau photoconducteur d'une couche de contact supérieur - la gravure des couches actives et de contact supérieur de manière à définir des premiers mesa - la gravure des couches guide et de contact inférieur de manière à définir en-dessous des premiers mesa, des seconds mesa présentant une surface plus grande que la surface des premiers mesa, de manière à définir les détecteurs élémentaires - I'encapsulation dans une couche isolante de planarisation, de l'ensemble des détecteurs élémentaires - la gravure de via-trous dans la couche isolante pour accéder aux couches de contact inférieur et supérieur et la métallisation de ces trous. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure I illustre un détecteur multiéléments selon l'art connu; - la figure 2 illustre un détecteur multiéléments selon l'invention; - la figure 3a illustre une vue de dessus de huit détecteurs élémentaires d'un détecteur selon l'invention; - la figure 3b illustre une vue en coupe selon l'axe AA' d'un détecteur élémentaire illustré en figure 3a. Le détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'invention est schématisé en figure 2. Sur un substrat S transparent aux longueurs d'onde à détecter sont élaborés des détecteurs élémentaires Dij. De manière préférentielle, ces détecteurs élémentaires comprennent, une couche guide 1, une couche de contact inférieur 2, une structure active photoconductrice 3, une couche de contact supérieur 4, et avantageusement une couche de couplage optique 5. Comme l'illustre la figure 2, les photons incidents non absorbés directement par la structure active restent confinés dans un même détecteur élémentaire et permettent ainsi de réduire notablement les problèmes de diaphotie rencontrés dans l'art antérieur. Toutefois, cette architecture de détecteur, isole électriquement les détecteurs élémentaires. Dans une configuration matricielle, telle que celle utilisée en imagerie infrarouge, I'une des électrodes doit être commune à une ligne de pixels (pour un adressage ligne/colonne) ou à l'ensemble des pixels (pour un adressage aléatoire). Pour relier électriquement les électrodes inférieures, I'invention propose un procédé de réalisation particulièrement adapté au détecteur de l'invention. Ce procédé comprend la réalisation d'une électrode inférieure sur chaque pixel de la matrice de détecteurs élémentaires, puis la connexion de ces électrodes, par une technique de connectique classique permettant d'obtenir la configuration d'électrodes telle qu'illustrée en figure 3a et figure 3b. Cette configuration comprend pour chaque détecteur élémentaire réalisé sur un substrat commun un premier mesa constitué de la structure active 3 et de la couche de contact supérieur 4 et la couche de couplage optique 5. Un second mesa, de surface plus importante que celle du premier mesa est constitué par la couche guide 1 et la couche de contact inférieur 2. Une électrode inférieure Eiij est déposée sur la partie libre du second mesa. L'ensemble des premier et second mesa est noyé dans une couche isolante 6, localement dégagée pour réaliser des plots métalliques de contact Psij du niveau de la couche 4 et des plots métalliques de contact Piij au niveau de la couche 2 sur l'électrode inférieure Eiij, comme le montre la vue en coupe selon l'axe AA' de la figure 3b. La figure 3a illustre une vue de dessus d'une telle matrice de détecteurs élémentaires. Sur cette figure, la couche isolante 6 n'est pas représentée, mais les pistes d'interconnexion PI, permettant de relier les plots de contact Pijj sont mises en évidence. Au niveau des plots de contact supérieur Psjj il est possible d'hybrider la matrice de détecteurs élémentaires avec un circuit classique de lecture par l'intermédiaire de microbilles MB. Lorsque la couche de couplage optique 5 est un réseau de diffraction, ce demier est métallisé de manière à assurer le contact électrique entre la couche de contact supérieur 4 et les plots de contact supérieurs Psij. Le réseau de diffraction peut également avantageusement être réalisé par gravure dans la couche de contact supérieur 4. Pour réaliser une telle configuration de détecteurs élémentaires, on peut avantageusement utiliser le procédé qui va être décrit dans le cadre d'un exemple de détecteur utilisant comme couche active une structure à puits quantique à base de GaAs. Sur un substrat semi-isolant de GaAs, on réalise par croissance épitaxiale les dépôts: - d'une couche guide i de AlAs d'indice de réfraction inférieur à ceux du substrat et des couches actives - d'une couche de contact inférieur 2 de GaAs dopée n - de la structure active 3 constituée * d'une couche barrière de AlxGai-xAs non dopée * d'une couche puits de GaAs dopée n d'une couche barrière de AlxGa1-xAs non dopée - d'une couche de contact supérieur 4 de GaAs dopée n Le réseau de diffraction assurant un meilleur couplage optique est gravé dans la couche de contact 4. Les premier et second mesa sont réalisés par gravure sèche (plasma) ou humide (attaque chimique) avec respectivement arret de gravure sur la couche de contact 2, et sur le substrat. Puis l'ensemble des détecteurs élémentaires préalablement défini est noyé dans une couche isolante 6 de planarisation, de type polymère. On procéde alors à la réalisation de via-trous par gravure sèche ou humide de la couche isolante 6, de manière à accéder aux couches 4 et 2 de contact supérieur et inférieur. Puis des dépôts métalliques sont réalisés dans ces trous pour obtenir les plots de contact Psij et Piij. On réalise dans un demier temps, les pistes conductrices PI de manière à relier tous les plots de contact Piij d'une même ligne, ou de l'ensemble des plots de contact Eij, selon l'adressage que l'on envisage. REVENDICATIONS 1. Détecteur d'ondes électromagnétiques comprenant un ensemble de détecteurs élémentaires (Dij) photoconducteurs sur un substrat (S), caractérisé en ce chaque détecteur élémentaire (Dij) présente une structure en mesa élaborée sur le substrat et comprend l'empilement d'une couche guide (1), d'une couche de contact inférieur (2), d'au moins une couche active (3) à matériau photoconducteur , d'une couche de contact supérieur (4), L'indice de réfraction de la couche guide (1) étant inférieur aux indices de réfraction des autres couches de manière à confiner les ondes électromagnétiques à détecter à l'intérieur de chaque structure en mesa de détecteur élémentaire (do;) et réduire la diaphotie entre détecteurs élémentaires. 2. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche active (3) comprend une structure à puits quantiques. 3. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire comprend une couche de couplage optique (5) de type réseau de diffraction, superposée ou intégrée à la couche de contact supérieur (4). 4. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de contact inférieur (2) est une couche de contact de commande, la couche de contact supérieur (4) est une couche de contact de lecture. 5. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire (Dij) comprend une structure en double mesa, un premier mesa comportant au moins la couche active (3) et la couche de contact supérieur (4), un second mesa comportant la couche guide (1) et la couche de contact inférieur (2), la surface dans le plan des couches du second mesa étant supérieure à la surface dans le plan des couches du premier mesa. 6. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble des détecteurs (Dij) est recouvert d'une couche isolante de planarisation (6), chaque détecteur élémentaire (Dij) comprenant des via-trous métallisés de manière à former des plots de contacts (Piij) reliant la couche de contact inférieur (2) à la surface extérieure de la couche de planarisation (6), des pistes d'interconnexion (PI) déposées sur ladite surface extérieure assurant le contact électrique entre les couches de contact (2) d'un ensemble de détecteurs élémentaires pour la commande commune desdits détecteurs élémentaires. 7. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire (Dij) comprend un plot de contact (psi) au niveau de la couche de contact (4), permettant l'hybridation des détecteurs élémentaires (Dij) avec un circuit de lecture. 8. Procédé de réalisation d'un détecteur selon la revendication i, comprenant une matrice de détecteurs élémentaires caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes: - la réalisation sur le substrat (S): t d'une couche guide (1) * d'une couche de contact inférieur (2) t d'au moins une couche active à base de matériau photoconducteur (3) t d'une couche de contact supérieur (4) - la réalisation d'une couche de couplage optique (5) de type réseau de diffraction - la gravure de l'ensemble des couches (3) à (5) en premiers mesa sur le substrat (S) - la gravure de l'ensemble des couches (1) à (2) de manière à définir en-dessous desdits premiers mesa, des seconds mesa, l'ensemble des premiers mesa et seconds mesa définissant les détecteurs élémentaires (Dij) - I'encapsulation dans une couche isolante (6) de l'ensemble des détecteurs élémentaires - la gravure de via-trous dans la couche isolante (6) pour accéder aux couches de contact (2) et (4) et la métallisation de ces trous. 9. Procédé de réalisation d'un détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les couches de contact inférieur (2) sont reliées entre elles par des pistes conductrices (PI) de manière à créer une électrode commune de commande, pour les détecteurs élémentaires.