Brevet FR2791474A1 — publié le 20000929

L'invention concerne les détecteurs infrarouge semi- conducteur. On connaît des photodiodes réalisées en matériau semi- conducteur dans lesquelles un photon incident fait passer des électrons de leur état de repos dans lequel ils sont liés à un état excité, créant un couple électron-trou susceptible de produire un courant. La concentration de ces paires électron-trou dépend de la quantité de lumière reçue, ce qui rend possible la réalisation d'un photodétecteur. L'application d'une tension de polarisation permet la mesure la concentration des paires électron-trou. Actuellement de tels détecteurs sont fabriqués par empilement de semi-conducteurs de bandes interdites différentes, de telle sorte que les porteurs soient piégés dans le matériau de plus petite bande interdite. Ce sont généralement des matériaux à base de semi-conducteur III-V qui permettent d'obtenir les détecteurs efficaces. Ces détecteurs nécessitent donc la manipulation de matériaux spécifiques, par exemple des alliages à base d'arséniure de Gallium et d'aluminium non compatible avec les technologies silicium qui sont maintenant largement diffusées et maîtrisées puisqu'elles sont à la base d'environ 80% des composants de l'électronique moderne. Le but de l'invention est donc la réalisation d'un détecteur infrarouge semi-conducteur dans les technologies usuelles des semi-conducteurs, par exemple la technologie silicium. L'objectif est de mettre au point un tel photodétecteur susceptible, selon sa configuration de fonctionner dans des gammes de longueur d'onde comprises entre 5 et 20 pm. L'objet de l'invention est donc un détecteur infrarouge semi- conducteur réalisé en technologie silicium. Son fonctionnement est obtenu grâce à la géométrie particulière des motifs formés dans une couche de silicium. Plus précisément son fonctionnement est basé sur le fait que les niveaux d'énergie accessibles à une particule, plus particulièrement à l'électron, sont quantifiés quand l'espace accessible à cette 2 2791474 particule est confiné. La réalisation de motifs particuliers, ayant des dimensions nanométriques rend ces niveaux de quantification modulables en fonction des dimensions géométriques et les rend sensibles au rayonnement infrarouge. Selon l'invention, ce photodétecteur comporte dans l'ordre, un substrat semi-conducteur, une couche d'un matériau électriquement isolant, des motifs formés dans une couche de matériau semi-conducteur. Les motifs sont formés d'au moins un îlot relié à des ponts eux-mêmes reliés à des électrodes de polarisation. Les ponts sont des traits de largeur Ip approximativement constante, les îlots étant des zones de largeur li plus grande que celle des traits. Dans les modes de réalisation préférés présentant chacun des avantages spécifiques: * le détecteur est tel que I est plus grand ou égal à 1,2 Ip, la longueur des îlots L satisfait la relation 2 Ip pointe d'un A.F.M. ou d'un S.T.M. Le matériau semi-conducteur est avantageusement du silicium. L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'un tel détecteur infrarouge. Selon ce procédé, on part d'une structure comportant un substrat en silicium portant une couche d'un matériau électriquement isolant sur laquelle est superposée une couche de silicium. Les motifs sont réalisés par nanooxydation locale avec une pointe d'un A.F.M. ou d'un S.T.M. Dans des modes de réalisation préférés présentant chacun des avantages spécifiques: 3 2791474 La nanooxydation est réalisée avec une pointe d'un A.F.M. portée par un levier oscillant périodiquement et l'oxydation locale est obtenue en établissant une différence de potentiel périodique entre le semi-conducteur et la pointe, ladite différence de potentiel étant constituée d'impulsions synchronisées de même période que celle des oscillations du levier. L'oxydation est contrôlée en agissant sur la phase des impulsions par rapport à la phase des oscillations du levier. 10. La gravure est obtenue par voie humide par action de KOH qui décape les zones de silicium non oxydées. La fréquence d'oscillation du levier et des impulsions de tension est de l'ordre de 300 kHz, la tension moyenne des impulsions étant de l'ordre de 2 volts et leur valeur crête de I'ordre de 10 volt. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins dans lesquels: La Figure 1 est une vue en perspective d'un motif. La Figure 2A est une vue de dessus représentant la couche active de silicium. La Figure 2B est une représentation des niveaux fondamentaux des électrons ou des trous par rapport aux zones de la couche active de silicium o ils sont localisés. La Figure 3 est une vue de dessus de la couche active de silicium d'un photodétecteur selon l'invention. Le détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'invention est réalisé sur un substrat en silicium 1 dont l'épaisseur peut être par exemple de 500 pm sur lequel est formée une couche continue, électriquement isolante 2, par exemple en dioxyde de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 400 nanomètres environ. Sur cette couche isolante est formee une troisième couche de silicium 3 initialement continue. Dans cette couche de silicium dite active, sont formés des motifs 4 essentiellement constitués de ponts 5, 6 reliés à au moins 4 2791474 un îlot 7. Les ponts 5 et 6 sont chacun reliés à des électrodes de polarisation respectivement 8 et 9. Ces motifs 4 sont généralement multipliés et associés entre eux en lignes 10, tel que représenté sur la Figure 3. Il a été constitué que lorsque les dimensions de ces motifs sont nanométriques, c'est-à-dire de l'ordre du nanomètre, on obtient ainsi un confinement des électrons et des trous, quantifiant les niveaux d'énergie qui leur sont accessibles et leur donnant un comportant comparable à celui observé dans les détecteurs à puits quantiques. Il est d'ailleurs possible de moduler ces effets en fonction de la taille des motifs, c'est-à-dire aussi des puits quantiques. De manière générale, le détecteur tel que représenté sur la Figure 3 consiste en une succession d'îlots 7 reliés entre eux et à leurs extrémités aux électrodes de polarisation 8, 9 par des ponts de silicium 5, 6. Les ponts de silicium ont une section approximativement constante, une largeur Ip de quelques nanomètres, préférentiellement comprise entre 3 et 5 nanomètres et ils sont généralement rectilignes. Leur longueur est de l'ordre de 10 à 20 nanomètres. Leur épaisseur est également de l'ordre de quelques nanomètres, de préférence comprise entre 5 et 10 nanomètres. Les îlots 7 sont des zones de silicium de largeur plus importantes que les ponts, cette largeur est de préférence comprise entre 5 et 10 nanomètres et ils s'étendent dans le sens de la longueur des ponts sur une longueur comparable. Leur longueur L sera de préférence telle que Ip Tel que représenté sur la Figure 3, on pourra mettre en parallèle, avantageusement un certain nombre de lignes 10 d'îlots 7 reliés par des ponts 5 et 6. Chacune de ces lignes étant reliées aux électrodes de polarisation 8 et 9. La distance entre les lignes 10 est de l'ordre de 50 à 100 nm et la distance totale entre les électrodes est de l'ordre de 30 pm. 2791474 Un tel dispositif permet la détection de flux infrarouge. L'explication des mécanismes mis en jeu, illustrée par la Figure 2B, paraît être la suivante: à l'équilibre, les électrons (ou respectivement les trous) se trouvent sur les niveaux 11 d'énergie les plus bas du système qui sont localisés dans les îlots, là ou le confinement est le plus faible. Sous l'effet d'une excitation optique infrarouge, les électrons peuvent transiter vers le premier niveau 12 excité de chaque îlot. Les dimensions des motifs de la couche active du détecteur sont telles que le niveau excité est proche du niveau 13 fondamental des ponts, si bien que l'électron excité est faiblement lié. Sous l'application de la tension de polarisation établie entre les électrodes 8 et 9, ces électrons faiblement liés donnent lieu à un photocourant qui est mesurable et permet donc la mesure du flux infrarouge. La réalisation de la couche active 3 nécessite un contrôle précis des conditions de la lithographie utilisée en vue de la gravure. Pour la réaliser, on utilise un microscope à champ proche [A.F.M (microscope à force atomique) ou S.T.M (microscope à effet tunnel)]. On utilise ce microscope à champ proche pour oxyder la surface de silicium de la couche 3 initialement uniforme et préalablement hydrogénée. Cette surface hydrogénée est ensuite gravée chimiquement, par exemple par une attaque chimique anisotrope de la surface dans NaOH ou KOH o la silice est peu soluble. On forme ainsi les motifs recherchés. Le contrôle de la nanooxydation de la surface de la couche de silicium par une pointe A.F.M. peut être avantageusement réalisé en utilisant des impulsions de tension qui sont appliquées à la pointe. La pointe A.F.M. est utilisée en mode sans contact, c'est-à- dire que le levier qui porte la pointe est soumis à des oscillations périodiques de fréquence f de l'ordre de quelques centaines de kHz, par exemple 300 kHz. On applique à cette pointe une tension établissant une différence de potentiel entre la couche active 3 et la pointe de 6 2791474 l'ordre de dix volts, à une fréquence égale à celle des oscillations du levier. Les impulsions étant synchronisées par rapport aux oscillations du levier. On obtient le contrôle de l'oxydation, plus précisément de la largeur de la zone oxydée, en agissant sur la différence de phase entre les impulsions de tension et les oscillations du levier. Il est ainsi possible de tracer les zones destinées à former les ponts et celles destinées à former les îlots. Les électrodes de polarisation sont alors réalisées selon les techniques bien connues et classiques de la technologie des composants électroniques. Il est donc ainsi possible de fabriquer un détecteur infrarouge à semiconducteur en utilisant les techniques bien maîtrisées de la technologie silicium. Ce qui permet d'obtenir une très bonne compatibilité avec les circuits intégrés. De plus, la mise en parallèle de plusieurs détecteurs permet d'améliorer la sensibilité des systèmes ainsi obtenus. 7 2791474 REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'ordre: un substrat semi-conducteur (1) 5. une couche d'un matériau électriquement isolant (2) des motifs formés (4) dans une couche d'un matériau semi- conducteur (3), lesdits motifs (4) étant formés d'au moins un îlot (7) relié à des ponts (5, 6) eux-mêmes reliés à des électrodes de polarisation (8, 9) lesdits ponts (5, 6) étant des traits de largeur Ip la plus approximativement constante et les îlots (7) étant des zones de largeur I plus grande que celle des traits. 2. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est tel que I > 1,2 Ip. 3. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur L des îlots satisfait la relation 2 est Ip 4. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Ip est compris entre 1 et 10 nm, qu'il comporte un nombre de traits compris entre 1 et 1000 et que chaque trait comporte de l'ordre de 1 à 100 îlots. 5. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les motifs (4) formés dans la couche (3) de silicium sont réalisés par oxydation locale de la surface de la couche (3) de silicium puis attaque des zones non oxydées. 6. Détecteur infrarouge semi-conducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'oxydation locale du silicium est réalisée à l'aide d'une pointe d'un A.F.M. ou d'un S.T.M. 7. Procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on part d'une structure comportant un substrat en silicium 8 2791474 portant une couche de silice à laquelle est superposée une couche de silicium, les motifs sont réalisés par nanooxydation locale avec une pointe A.F.M. ou S.T.M. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la nanooxydation est réalisée avec une pointe A.F.M. portée par un levier oscillant périodiquement et que l'oxydation locale est obtenue en établissant une différence de potentiel périodique entre le semiconducteur et la pointe, ladite différence de potentiel étant constituée d'impulsions synchronisées de même période que celle des oscillations du levier, I'oxydation étant contrôlée en agissant sur la phase des impulsions par rapport à la phase des oscillations du levier. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la gravure est obtenue par voie humide par action de KOH qui décape les zones de silicium non oxydées. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation du levier est de l'ordre de 300 kHz, la fréquence des impulsions d'oxydation est égale à celle de l'oscillation du levier, la tension moyenne étant de I'ordre de 2 volts, avec des valeurs de crête de l'ordre de 10 volts et la lithographie étant contrôlée par action sur la différence de phase entre l'oscillation du levier et les impulsions.