Brevet FR2984610A1 — publié le 20130621

B11389 - 11-GR2-0776FR01 1 MONTAGE DE PHOTODIODE À AVALANCHE POUR LA DÉTECTION DE PHOTONS UNIQUES Domaine de l'invention La présente invention concerne des photodiodes polarisées en inverse à une tension légèrement supérieure à leur seuil d'avalanche. De telles photodiodes fonctionnent ainsi dans 5 le mode dit Geiger et permettent de détecter des rayonnements de très faible intensité lumineuse. Ces photodiodes sont communément désignées par l'acronyme d'origine anglo-saxonne SPAD ("Single Photon Avalanche Diode") et sont notamment utilisées pour la détection de photons uniques et le comptage de 10 photons. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple simplifié de structure d'une photodiode destinée à fonctionner en avalanche et pouvant être utilisée 15 pour la détection de photons uniques. La photodiode est destinée à être éclairée par sa face supérieure 2. Dans la partie supérieure de type P d'un substrat semiconducteur 1, un anneau 3 de type N s'étendant à partir de la surface supérieure du substrat entoure un caisson 5 de type 20 P. Une couche enterrée 7 de type N s'étend sous le caisson 5 de type P. La jonction P-N à l'origine du phénomène d'avalanche B11389 - 11-GR2-0776FR01 2 correspond à la jonction 8 entre le caisson 5 de type P et la couche enterrée 7 de type N. Une région 9 de type P, plus fortement dopée que le caisson 5, est formée au centre du caisson 5 et correspond au 5 contact d'anode de la photodiode. Des régions 11 de type N, plus fortement dopées que l'anneau 3, s'étendent dans l'anneau 3 à partir de la surface supérieure du substrat. Les régions 11 sont par exemple réparties dans l'anneau 3 à intervalle régulier et correspondent 10 au contact de cathode de la photodiode. La figure 2 représente une caractéristique I(V) classique 13 du courant en fonction de la tension d'une diode. Pour un fonctionnement en détecteur de photons uniques, la photodiode est polarisée en inverse à une tension 15 VP01 légèrement supérieure au seuil d'avalanche Va de la photodiode. On appelle Ve la différence de tension entre la tension de polarisation Vp01 et le seuil d'avalanche Va. Le point de fonctionnement de la photodiode lorsqu'elle n'absorbe pas de photons correspond au point 14 de la caractéristique I(V) 20 13. Le courant II traversant la photodiode est quasiment nul. Dès qu'un photon est absorbé par la photodiode, l'électron de la paire électron-trou générée déclenche un phénomène d'avalanche qui fait passer la photodiode du point de fonctionnement 14 au point de fonctionnement 15 (courant 12) de 25 la caractéristique I(V) 13. L'impulsion de courant 12 est de plusieurs ordres de grandeur supérieure au courant La figure 3 est un schéma électrique équivalent d'un exemple de circuit de détection comprenant une photodiode 21 telle que celle illustrée en figure 1 et permettant la détection 30 de photons uniques. L'anode 9 de la photodiode 21 est reliée à une borne d'alimentation 25 au potentiel -Va. La cathode 11 de la photodiode 21 est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance Rq, appelée résistance d'extinction ("quenching resistor"), à B11389 - 11-GR2-0776FR01 3 une borne d'alimentation 27 au potentiel Ve. Un comparateur 29 est également relié à la cathode 11 de la photodiode 21. Le fonctionnement du circuit de détection de photons uniques illustré en figure 3 est le suivant. Tant qu'aucun photon n'est absorbé par la photodiode 21 polarisée en inverse à la tension Vpol = Va + Ve légèrement supérieure au seuil d'avalanche, le courant II traversant la photodiode est très faible. La tension au noeud E est pratiquement égale à Ve et la sortie du comparateur 29 est au niveau bas. Lorsqu'un photon est absorbé par la photodiode, il déclenche un phénomène d'avalanche. Le courant traversant la photodiode 21 augmente rapidement. Une chute de tension apparaît aux bornes de la résistance Rq et le potentiel au noeud E chute. La sortie du comparateur 29 passe alors du niveau bas au niveau haut. La résistance Rq permet en outre d'éteindre le phénomène d'avalanche déclenché par ce photon pour pouvoir détecter l'absorption d'un autre photon. La figure 4 est une 20 réalisation intégrée d'un vue de dessus d'un exemple de montage de photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques, le comparateur 29 étant représenté sous forme de symbole électrique. Les éléments de la figure 4 communs avec ceux des figures 1 et 3 sont désignés par les mêmes références. 25 Seules les métallisations d'une photodiode 21 sont représentées en figure 4. Une métallisation 31 forme un contact sur l'anode 9 de la photodiode, et une métallisation 33 forme un contact sur la cathode 11 de la photodiode. L'anode 31 de la photodiode est reliée à une piste 30 conductrice 35. Une portion 37 de la piste conductrice 35 est située au-dessus de la photodiode. La piste conductrice 35 est reliée à une autre photodiode, non représentée, par une piste conductrice 36. Une piste conductrice 39 relie la cathode 33 de la photodiode à la résistance Rq et au comparateur 29. B11389 - 11-GR2-0776FR01 4 Pour masquer le moins possible la photodiode, la portion 37 de la piste conductrice d'anode 35 est aussi étroite que possible. La piste conductrice 35 n'est normalement pas traversée par de forts courants, même pendant des avalanches, car la résistance Rq limite le courant. La largeur réduite de la portion 37 de cette piste conductrice ne pose donc a priori pas de problème. Résumé Toutefois, la demanderesse a constaté que, de façon inattendue, il se produit des destructions de photodiodes du type de celle illustrée en figure 4, et plus particulièrement des destructions de la portion la plus étroite 37 de la piste conductrice 35. Il existe donc un besoin d'un montage de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques protégé contre des risques de destruction de la piste conductrice reliée à la borne centrale de la photodiode. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention 20 prévoit un montage de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques, cette photodiode comprenant une centrale et une borne périphérique, la borne périphérique reliée à une entrée d'un comparateur et à une première d'alimentation par une première résistance, la 25 étant reliée par une piste conductrice à une borne étant borne borne centrale deuxième borne d'alimentation, une seconde résistance étant disposée en série sur ladite piste conductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la photodiode est formée dans la partie supérieure d'un premier 30 type de conductivité d'un substrat semiconducteur, comprenant : un caisson du premier type de conductivité ; un anneau du second type de conductivité entourant le caisson ; et une couche enterrée du second type de conductivité s'étendant sous le caisson ; la borne centrale de la photodiode comprend une région 35 du premier type de conductivité s'étendant au centre du caisson B11389 - 11-GR2-0776FR01 et plus fortement dopée que le caisson ; et la borne périphérique de la photodiode comprend des régions du second type de conductivité s'étendant dans l'anneau et plus fortement dopées que l'anneau. 5 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première résistance est mise en oeuvre par un transistor MOS. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le comparateur est mis en oeuvre par un inverseur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 la piste conductrice comprend une portion, située au moins en partie au-dessus de la photodiode, de largeur inférieure à 1 }gym et d'épaisseur inférieure à 5 pin. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et seconde résistances ont des valeurs respectives 15 comprises dans des plages de 500 ohms à 100 kilo-ohms et 10 à 100 ohms. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 20 de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe illustrant de façon schématique une photodiode pouvant être utilisée en avalanche pour la détection de photons 25 uniques ; la figure 2, décrite précédemment, illustre une caractéristique usuelle du courant en fonction de la tension d'une diode ; la figure 3, décrite précédemment, est un schéma 30 électrique équivalent d'un circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode telle que celle illustrée en figure 1 ; la figure 4, décrite précédemment, est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'un montage de B11389 - 11-GR2-0776FR01 6 photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques ; la figure 5 est un schéma électrique équivalent d'un circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode 5 telle que celle illustrée en figure 1, protégé contre des surtensions ; et la figure 6 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'un montage de photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques et protégé contre des 10 surtensions. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à 15 l'échelle. Description détaillée Malgré la présence de la résistance d'extinction Rq qui limite le courant, la demanderesse a constaté que des destructions de photodiodes du type de celle illustrée en figure 20 4 se produisent, et plus particulièrement des destructions de la portion la plus étroite 37 de la piste conductrice 35 reliée à l'anode centrale de la photodiode. Les inventeurs attribuent ce problème à l'existence de composants parasites qui créent des chemins d'écoulement de 25 courant lors de la survenance de surtensions accidentelles. Les inventeurs proposent un montage de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques permettant d'éviter ces destructions. La figure 5 est un schéma électrique équivalent d'un 30 circuit de détection de photons uniques utilisant une photodiode telle que celle illustrée en figure 1. Il existe une diode parasite 41 entre la cathode de la photodiode 21 et une borne de polarisation du substrat, généralement reliée à la masse G. Cette diode parasite 41, dite 35 diode substrat, correspond à la jonction P-N entre le substrat 1 B11389 - 11-GR2-0776FR01 7 de type P et la couche enterrée 7 de type N. Le contact d'anode de la diode substrat parasite 41 correspond à un contact de polarisation du substrat, non représenté en figure 1. Le contact de cathode de la diode substrat parasite 41 correspond aux régions 11. Des surtensions accidentelles peuvent survenir sur l'une des bornes (25, 27, G) du circuit. Si une surtension positive survient entre les bornes 25 et G, cette surtension induit un courant qui passe par la piste conductrice 35, la photodiode 21 en direct et la diode substrat parasite 41 (en avalanche), vers la borne G. Si une surtension positive survient entre les bornes G et 25, cette surtension induit un courant qui passe par la diode substrat parasite 41 en direct, la photodiode 21 en avalanche et la piste conductrice 35, vers la borne 25. Dans les deux cas, le courant peut être élevé et destructeur pour la portion la plus étroite 37 de la piste conductrice 35. Ayant identifié ce problème, les inventeurs proposent d'insérer une résistance supplémentaire de protection, Rp, en série sur la piste conductrice 35 reliant l'anode centrale 9 de 20 la photodiode à la borne d'alimentation 25. Afin que le fonctionnement du circuit de détection de photons uniques illustré en figure 5 ne soit pas affecté, la résistance R est choisie faible devant la résistance Rq. La résistance de protection Rp est au moins 10 fois plus faible que 25 la résistance d'extinction Rq, par exemple 100 fois plus faible. A titre d'exemple d'ordre de grandeur, la résistance d'extinction Rq a une valeur comprise entre 500 ohms et 100 kilo-ohms, par exemple de l'ordre de 5 kilo-ohms, et la résistance de protection Rp a une valeur comprise entre 10 et 30 100 ohms, par exemple de l'ordre de 40 ohms. La figure 6 est une vue de dessus d'un exemple de réalisation intégrée d'un montage de photodiode à avalanche permettant la détection de photons uniques et protégé contre des surtensions. B11389 - 11-GR2-0776FR01 8 A titre d'exemple d'ordre de grandeur, la largeur W1 de la portion 37 est comprise entre 0,1 et 1 um, tandis que la largeur W2 du reste de la piste conductrice 35 et la largeur W3 de la piste conductrice 39 sont comprises entre 1 et 2 pin. L'épaisseur des pistes conductrices 35 et 39 et de la portion 37 est par exemple inférieure à 5 um, par exemple de l'ordre de 2 pin. Une résistance de protection Rp est disposée en série sur la piste conductrice 35 reliant l'anode centrale 31 de la 10 photodiode à une borne d'alimentation. Une piste conductrice 36 relie l'anode centrale d'une autre photodiode, non représentée, à la borne d'alimentation. Les deux photodiodes sont connectées en parallèle. La cathode 33 de l'autre photodiode est reliée à une entrée d'un autre 15 comparateur 29 et à une autre résistance Rq. Une résistance de protection Rp est disposée en série sur la piste conductrice 36 reliant l'anode centrale 31 de la photodiode à la borne d'alimentation. Une résistance d'extinction Rq étant déjà prévue dans 20 un montage de photodiode à avalanche tel que celui illustré en figure 4, la résistance de protection Rp peut être réalisée en même temps que la résistance d'extinction Rq, sans ajouter d'étape de fabrication. Des modes de réalisation particuliers de la présente 25 invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, un montage particulier de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques a été décrit en relation avec les diverses figures. La résistance décrite ici comme élément d'extinction du 30 phénomène d'avalanche pourra être réalisée par tout moyen, par exemple par un transistor MOS monté en résistance. D'autres systèmes adaptés à éteindre le phénomène d'avalanche pourront être utilisés, par exemple des systèmes actifs. De même, à la place d'un comparateur, tout autre dispositif de détection 35 adapté à détecter une variation de tension au noeud situé entre B11389 - 11-GR2-0776FR01 9 la cathode de la photodiode et la résistance d'extinction, et à la convertir en signal numérique, pourra être utilisé, comme par exemple un inverseur. Par ailleurs, on a décrit un montage de photodiode à 5 avalanche permettant la détection de photons uniques dans le cas où la borne centrale de la photodiode est son anode et la borne périphérique de la photodiode sa cathode. Bien entendu, tous les types de conductivité d'une photodiode du type de celle illustrée en figure 1 peuvent être inversés. La borne centrale 10 de la photodiode est alors sa cathode, et la borne périphérique son anode. REVENDICATIONS1. Montage de photodiode à avalanche pour la détection de photons uniques, cette photodiode comprenant une borne centrale (9, 31) et une borne périphérique (11, 33), la borne périphérique étant reliée à une entrée d'un comparateur (29) et à une première borne d'alimentation (27) par une première résistance (Rq), la borne centrale étant reliée par une piste conductrice (37, 35) à une deuxième borne d'alimentation (25), une seconde résistance (Rp) étant disposée en série sur ladite piste conductrice. 2. Montage selon la revendication 1, dans lequel la photodiode est formée dans la partie supérieure d'un premier type de conductivité d'un substrat semiconducteur (1), comprenant : un caisson (5) du premier type de conductivité ; un anneau (3) du second type de conductivité entourant le caisson ; et une couche enterrée (7) du second type de conductivité s'étendant sous le caisson ; dans lequel la borne centrale (9, 31) de la photodiode 20 comprend une région (9) du premier type de conductivité s'étendant au centre du caisson et plus fortement dopée que le caisson ; et dans lequel la borne périphérique (11, 33) de la photodiode comprend des régions (11) du second type de 25 conductivité s'étendant dans l'anneau et plus fortement dopées que l'anneau. 3. Montage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première résistance (Rq) est mise en oeuvre par un transistor MOS. 30 4. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le comparateur (29) est mis en oeuvre par un inverseur. 5. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la piste conductrice (37, 35) comprend uneB11389 - 11-GR2-0776FR01 11 portion (37), située au moins en partie au-dessus de la photodiode, de largeur inférieure à 1 fun et d'épaisseur inférieure à 5 gm. 6. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 5, dans lequel les première (Rq) et seconde (Rp) résistances ont des valeurs respectives comprises dans des plages de 500 ohms à 100 kilo-ohms et 10 à 100 ohms.