Brevet FR2831992A1 — publié le 20030509

PROCEDE DE FABRICATION D'UN PHOTODETECTEUR SEMICONDUCTEUR, NOTAMMENT DANS LE DOMAINE UV-X DE BASSE ENERGIE, ET PHOTODETECTEUR OBTENU PAR CE PROCEDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un photodétecteur semiconducteur ainsi qu'un photodétecteur obtenu par ce procédé. L'invention s'applique notamment à la détection de rayonnements utraviolets (UV) et de rayonnements X de basse énergie et concerne donc plus particulièrement un procédé de fabrication d'un photodétecteur semiconducteur du domaine UV et X de basse énergie ainsi qu'un photodétecteur obtenu par ce procédé. Ce domaine s'étend typiquement de 3eV à 5keV. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les photodétecteurs à base de matériaux semiconducteurs sont fondés sur la collection de charges (paires électrons-trous) engendrées par interaction de rayonnements ionisants avec la matière. Ceci est schématiquement illustré par la figure 1 où l'on voit un tel photodétecteur 2 comprenant un élément 4 en matériau semiconducteur compris entre deux bornes ou électrodes 6 et 8. Le rayonnement ionisant 10, qui traverse le photodétecteur, transfère tout ou partie de son énergie au matériau. L'énergie absorbée conduit à la génération de charges électriques 12 (paires électrons-trous). Ces charges sont entraînées par le champ électrique interne 14 qui est établi lorsque le photodétecteur est polarisé par une source de tension 16. Les charges (électrons et trous), qui se déplacent entre les bornes du photédecteur, produisent un signal électrique qui est enregistré par des moyens électroniques appropriés 18. Le temps de réponse d'un photodétecteur dépend de la durée de vie des porteurs (électrons et trous) dans le volume de matériau dans lequel se déplacent les charges avant de se recombiner. Par exemple, pour obtenir un détecteur avec un temps de réponse de 100ps à mi-hauteur, il faut que la durée de vie des porteurs dans la zone de matériau, dans laquelle se déplacent les charges, soit du même ordre de grandeur (environ 100ps). Dans le domaine UV et X de basse énergie, le rayonnement est très faiblement pénétrant et les charges sont engendrées dans une couche superficielle du photodétecteur. Cette couche superficielle a une épaisseur comprise entre 1 nm et 100 nm, c'est-à-dire de l'ordre de quelques couches atomiques à quelques dizaines de couches atomiques, l'épaisseur d'une couche atomique étant de l'ordre de 0,2 nm. Dans ce domaine UV-X de basse énergie on utilise habituellement des photodétecteurs dont les électrodes sont coplanaires et qui sont formés sur des substrats dont l'épaisseur est de l'ordre d'une centaine de micromètres pour avoir une bonne résistance mécanique de ces photodétecteurs. Dans le cas d'un photodétecteur coplanaire, dans le domaine UV et X de basse énergie, l'épaisseur de la zone de matière utile à la détection, qui correspond à la profondeur de pénétration du rayonnement à détecter, est très faible (de 1 nm à 100 nm). La réponse du photodétecteur (temps de réponse et amplitude du signal) dépend fortement des propriétés électriques de cette zone de matière superficielle. Or, les propriétés de la zone de matière superficielle du substrat dépendent fortement de la diffusion d'impuretés non désirées et de la formation de défauts cristallographiques induits lors des étapes de fabrication du photodétecteur. Une faible quantité d'impuretés ou de défauts cristallogiques peut modifier de façon importante la durée de vie des porteurs dans la zone de matière superficielle utile à la détection. De ce fait, la fabrication de photodétecteurs, à partir de matériaux semiconducteurs (tels que le silicium, l'arséniure de gallium, le phosphure d'indium ou le tellurure de cadmium), qui possèdent des temps de réponse reproductibles, est très délicate. La reproductibilité est d'autant plus difficile à obtenir que les temps de réponse sont courts, notamment pour des temps de réponse inférieurs à une dizaine de nanosecondes. La fabrication de photodétecteurs de façon quasi-reproductible passe par un contrôle très strict des étapes de fabrication, procédé qui est coûteux et dont la reproductibilité peut rester aléatoire. En pratique, pour une même série de photoconducteurs fonctionnant dans le domaine UV-X basse énergie, élaborés suivant un même procédé, on constate que les réponses temporelles ne sont pas homogènes. De surcroît, on constate que les photodétecteurs à électrodes coplanaires rapprochées (pour lesquels les distances inter-électrodes sont typiquement inférieures ou égales à 100 Am) n'ont généralement pas les caractéristiques attendues. Les caractéristiques temporelles des photodétecteurs sont d'autant plus sensibles aux propriétés de la zone superficielle que la distance inter-électrodes est faible. De plus, un moyen de réaliser des photodétecteurs dont le temps de réponse est inférieur à celui du semiconducteur initial consiste à préirradier les photodétecteurs avec des neutrons, des électrons ou des protons avant leur utilisation. L'irradiation engendre des défauts ponctuels (déplacements d'atomes) dans tout le volume du matériau, d'où une diminution de la durée de vie des porteurs. On peut ainsi par exemple réaliser des photodétecteurs dont les temps de réponse sont inférieurs à 100ps à partir d'un substrat semiconducteur dans lequel les porteurs ont une durée de vie de 10ns, et ce après une irradiation correspondant à une dose neutronique de l'ordre de 1015 neutrons/cm2. Pour ce dernier type de détecteurs, on observe également une influence importante des impuretés et des défauts cristallographiques dans la zone superficielle du matériau. Ces défauts ont tendance à augmenter le temps de réponse d'un photodétecteur par comparaison avec le signal qui serait obtenu dans le volume de matériau. Pour la fabrication de photodétecteurs ultrarapides utilisés pour la mesure d'impulsions, il est nécessaire de disposer de photodétecteurs fournissant des signaux électriques dont la forme et l'amplitude rendent compte de la forme et de l'intensité des impulsions correspondantes. Suivant les applications, les photodétecteurs doivent avoir un temps de réponse fixé par le matériau de départ et le procédé de fabrication incluant éventuellement une pré-irradiation. Le temps de réponse visé est typiquement compris entre lOps et 10ns. On ne connaît aucune technique permettant de fabriquer un photodétecteur dont la surface active présente des caractéristiques équivalentes à celles du volume du matériau de ce photodétecteur, et ce de façon reproductible. En outre il serait souhaitable de trouver une telle technique qui soit simple à mettre en oeuvre, et peu coûteuse. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes. Elle a pour objet un procédé permettant de fabriquer, de façon reproductible, des photodétecteurs en matériau semiconducteur, dont la surface active présente des caractéristiques équivalentes à celles du volume du matériau semiconducteur, ainsi que les photodétecteurs obtenus par ce procédé. Selon ce procédé, après la fabrication d'un photodétecteur, on élimine les défauts présents dans la couche superficielle du matériau du photodétecteur et donc sous la surface de ce matériau. Certes, on connaît des techniques permettant d'éliminer les défauts de court-circuit situés à la surface d'un photodétecteur après sa fabrication. Mais il s'agit de défauts présents à la surface du photodétecteur et non de défauts présents dans la couche superficielle du matériau de ce photodétecteur. On se reportera en particulier aux documents US 4 543171 (Firester et al. ) et US 4 749454 (Arya et al.) qui divulguent des techniques permettant de s'affranchir de courts-circuits à la surface du substrat d'un photodétecteur, ces courts-circuits étant dûs à des résidus de dépôts sur ce substrat. Il ne s'agit pas de cela dans la présente invention où l'on cherche à s'affranchir d'une zone superficielle de matériau, dont les propriétés sont modifiées (par la diffusion d'impuretés et les défauts cristallographiques) et qui se trouve sous la surface du substrat du photodétecteur afin de mettre à nu une zone superficielle de matériau présentant les propriétés du volume du substrat en ce qui concerne la durée de vie des porteurs. La présente invention vise à fabriquer un photodétecteur sans se préoccuper des modifications des propriétés de la couche superficielle du matériau semiconducteur du photodétecteur. Ces modifications sont induites par le procédé de fabrication du photodétecteur et sont difficilement contrôlables. L'invention vise ensuite à disposer d'une technique permettant de mettre à nu une zone superficielle du matériau semiconducteur, cette zone possédant les caractéristiques électriques du volume de ce matériau semiconducteur. Ceci permet de s'affranchir, après fabrication du photodétecteur, des imperfections non désirées dans la zone superficielle du matériau. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un photodétecteur semiconducteur, dans lequel on fabrique un élément de photodétection en matériau semiconducteur, cet élément étant muni d'électrodes, ce procédé étant caractérisé en ce que, après cette fabrication et sans altérer les électrodes, on enlève une couche superficielle du matériau semiconducteur pour créer une nouvelle couche superficielle ayant les propriétés électriques du volume du matériau semiconducteur. De préférence la couche superficielle est enlevée sur une profondeur au moins égale à 5nm. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, la fabrication de l'élément de photodétection comprend une préirradiation du matériau semiconducteur et la couche superficielle est enlevée après cette pré-irradiation. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, les électrodes sont coplanaires et l'on enlève la couche superficielle entre ces électrodes coplanaires. Dans ce cas, les électrodes peuvent être interdigitées. De préférence, on effectue une gravure du matériau semiconducteur pour enlever la couche superficielle. Cette gravure peut être une gravure chimique apte à ne pas dissoudre les électrodes. La gravure peut être effectuée au moyen d'une solution composée de 5 volumes d'acide sulfurique, 1 volume d'eau oxygénée et 1 volume d'eau. Une résine de protection peut être appliquée sur les électrodes avant la gravure. De préférence, l'épaisseur de la couche superficielle enlevée est au moins égale à 5 nm. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le photodétecteur est conçu pour détecter des rayonnements ultraviolets ou des rayons X de basse énergie. L'invention concerne aussi un photodétecteur obtenu par le procédé objet de l'invention, l'élément de photodétection comportant une dénivellation autour de chaque électrode. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un photodétecteur semiconducteur connu et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue de dessus schématique d'un photodétecteur conforme à l'invention en cours de fabrication, et - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un photodétecteur obtenu par un procédé conforme à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans un exemple de procédé conforme à l'invention, on commence par fabriquer un photodétecteur à électrodes coplanaires, comprenant un élément en matériau semiconducteur, pourvu d'électrodes coplanaires formant des contacts électriques. A la fin de la procédure de fabrication, on prévoit une étape de gravure qui n'altère pas les contacts électriques et qui met à nu une zone superficielle du matériau, cette zone superficielle possédant les caractéristiques électriques du volume du matériau. Cette gravure permet de retirer la couche ou zone superficielle présentant des propriétés modifiées et se trouvant entre les contacts électriques. On s'affranchit ainsi des impuretés et des défauts superficiels créés lors des différentes étapes de fabrication du photodétecteur (notamment un dépôt et un recuit). Ainsi, une zone n'ayant pas été modifiée par la fabrication du photodétecteur est mise à nu. De préférence, l'épaisseur de matériau qui est enlevée par gravure pour obtenir de bons résultats est au moins égale à 5 nm et typiquement comprise entre 5 nm et 100 nm. Des épaisseurs plus importantes peuvent être enlevées par gravure mais cela n'est ni nécessaire ni préjudiciable au photodétecteur. A titre purement indicatif et nullement limitatif, on décrit un procédé conforme à l'invention permettant la fabrication d'un photodétecteur à électrodes coplanaires et interdigitées avec un écart de 500 entre électrodes. Ce photodétecteur est destiné à être utilisé pour la mesure d'impulsions ultraviolettes ou d'impulsions X à basse énergie, dont la longueur d'onde vaut par exemple 355 nm et qui possèdent des largeurs à mi-hauteur de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes à une dizaine de nanosecondes. La figure 2 est une vue de dessus schématique de ce photodétecteur 20 en cours de fabrication. Ce photodétecteur comprend un élément 22 en matériau semiconducteur ainsi que deux électrodes coplanaires interdigitées 24 et 26, formées sur une face plane de l'élément 22. La fabrication de ce photodétecteur comprend une étape de découpe, suivie d'un nettoyage chimique (dégraissage et gravure), et une étape de photolithographie suivie d'un dépôt de contacts et d'un recuit. Une étape de pré-irradiation du matériau peut être nécessaire si l'on désire augmenter la rapidité du photodétecteur pour avoir un temps de réponse inférieur à une nanoseconde. Après toutes ces étapes de fabrication y compris la pré-irradiation, on grave conformément à l'invention la surface du photodétecteur sur une centaine de nanomètres dans une solution chimique qui ne dissout pas les contacts. Pour ce faire, on utilise une solution acide dont la composition peut être adaptée au matériau à graver. Pour l'AsGa, on utilise un mélange d'acide sulfurique, d'eau oxygénée et d'eau, préférentiellement dans les proportions suivantes : H2S04 5 volumes H202 1 volume H20 1 volume. Cette solution n'attaque pas de façon significative les électrodes. En variante, on pourrait appliquer une résine protectrice sur les électrodes avant la gravure. La figure 3 est une vue en coupe schématique du photodétecteur après la gravure. La ligne en pointillés montre le niveau du matériau avant celle-ci. La référence E correspond à l'épaisseur de la couche superficielle enlevée grâce à la gravure. On voit que cette dernière conduit à la présence d'une dénivellation 28 autour de chaque contact électrique. Cette dénivellation est détectable par différentes méthodes de caractérisation utilisant par exemple un dispositif de mesure de marche ou un microscope électronique. On a fait des mesures de rapidité, avant et après l'étape de gravure, pour deux photodétecteurs I et II à électrodes interdigitées, ayant respectivement des écarts de 500 m (I) et de hum (II) entre les électrodes. On a constaté que la rapidité de ces photodétecteurs, déterminée par la largeur à mi-hauteur de leurs courbes de réponse, évoluait de façon positive. Celle du photodétecteur I (respectivement II) était 2,5 (respectivement 5) fois plus petite après le traitement de gravure conforme à l'invention, et ce de manière reproductible. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un photodétecteur semiconducteur, dans lequel on fabrique un élément de photodétection (22) en matériau semiconducteur, cet élément étant muni d'électrodes (24,26), ce procédé étant caractérisé en ce que, après cette fabrication et sans altérer les électrodes, on enlève une couche superficielle du matériau semiconducteur pour créer une nouvelle couche superficielle ayant les propriétés électriques du volume du matériau semiconducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche superficielle est enlevée sur une profondeur au moins égale à 5nm. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fabrication de l'élément de photodétection comprend une pré-irradiation du matériau semiconducteur et la couche superficielle est enlevée après cette préirradiation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les électrodes (24, 26) sont coplanaires et l'on enlève la couche superficielle entre ces électrodes coplanaires. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les électrodes (24,26) sont interdigitées. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on effectue une gravure du matériau semiconducteur pour enlever la couche superficielle. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel cette gravure est une gravure chimique apte à ne pas dissoudre les électrodes. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la gravure est effectuée au moyen d'une solution composée de 5 volumes d'acide sulfurique, 1 volume d'eau oxygénée et 1 volume d'eau. 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel une résine de protection est appliquée sur les électrodes avant la gravure. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 9, dans lequel l'épaisseur de la couche superficielle enlevée est au moins égale à 5nm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le photodétecteur est conçu pour détecter des rayonnements ultraviolets ou des rayons X de basse énergie. 12. Photodétecteur obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, l'élément de photodétection comportant une dénivellation (28) autour de chaque électrode (24,26).