Brevet FR3001578A1 — publié le 20140801

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les matrices de photodiodes, et plus particulièrement les matrices de photodiodes à base de couches d'arséniure de gallium-indium (InGaAs) et de phosphure d'indium (InP), ainsi que leur procédé de fabrication. CONTEXTE DE L'INVENTION Une des méthodes de fabrication de matrice de photodiodes dans des matériaux semi-conducteurs à faible bande interdite - band gap » en terminologie anglo- saxonne - (souvent pour la détection en lumière infrarouge) consiste à insérer la couche active de détection à faible band gap entre deux matériaux semi-conducteurs à grand band gap. Les deux couches de semi-conducteurs à grand band gap constituent une protection/passivation efficace tout en restant transparentes à la longueur d'onde du rayonnement destiné à être détecté par les photodiodes. De plus, avec des dopages appropriés, les deux hétérojonctions entre la couche active et les deux couches de protection/passivation confinent les charges photoélectriques dans la couche active de détection et améliorent le rendement quantique de la photodiode ainsi construite. Une photodiode InGaAs est un exemple type de cette structure physique. La couche active de détection constituée du matériau InGaAs peut avoir un band gap ajustable en fonction de la composition en indium et gallium dans le InGaAs, idéale pour opérer dans la bande SWIR (acronyme de l'anglais Short Wave InfraRed pour infrarouge de courte longueur d'onde), de l'ordre de 1,4 à 3 pnn. Le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium-indium partage la même structure cristalline cubique face centrée. La composition la plus utilisée est In0.53Ga0.47As. La taille de maille cristalline est alors comparable à celle du substrat InP, notamment les paramètres de maille. Cette compatibilité cristalline permet la croissance par épitaxie d'une couche active InGaAs d'excellente qualité sur un substrat InP. Le band gap d'In0.53Ga0.47As est d'environ 0.73 eV, capable de détecter jusqu'à une longueur d'onde de 1.68 pnn dans la bande SWIR. Elle présente un intérêt grandissant dans les domaines d'applications tel que la spectrométrie, la vision nocturne, le tri des plastiques usagés, etc. Les deux couches de protection/passivation sont généralement faites en InP. Surtout la composition In0.53Ga0.47As, ayant la même taille de maille cristalline qu'InP, cela permet un courant d'obscurité très faible dès la température ambiante. La figure 1 illustre la structure physique d'une matrice 1 de photodiodes. Une couche active 5 composée de InGaAs est prise en sandwich entre deux couches de InP. La couche inférieure constitue en effet le substrat 4 sur lequel la couche InGaAs est formée par épitaxie MO-CVD complexe. Cette couche InGaAs est ensuite protégée par une fine couche de passivation 6 composée de InP, déposée aussi par épitaxie. Les couches InP sont en générale du type N, dopées au silicium. La couche active 5 de InGaAs peut être légèrement dopée N ou rester quasi-intrinsèque. Donc les deux couches InP inférieure/supérieure et la couche active 5 de InGaAs forment la cathode commune des photodiodes dans cette matrice. Les anodes individuelles 3 sont formées par une diffusion locale de zinc (Zn). Le dopant Zn traverse la fine couche de passivation 6 d'InP et pénètre dans la couche active 5 d'InGaAs. La figure 2 illustre un capteur d'image InGaAs constitué d'une matrice 1 de photodiodes InGaAs connectée en mode puce retournée (- flip-chip » en terminologie anglo-saxonne) avec un circuit de lecture 2. Dans un capteur InGaAs matriciel, la matrice des photodiodes est connectée à un circuit de lecture généralement réalisé en silicium afin de lire les signaux photoélectriques générés par ces photodiodes InGaAs. Cette interconnexion se fait en général par le procédé flip-chip via des billes d'indium 8, ainsi qu'illustré sur la figure 2. Le rayonnement SWIR 9 arrive sur la matrice des photodiodes à travers le substrat 4 de phosphure d'indium, transparent dans cette bande optique. Avec un détecteur fonctionnant en mode d'intégration, on obtient un signal de sortie proportionnel au produit du flux et de la durée d'exposition. Cependant, le signal de sortie est limité par la capacité d'intégration maximale du détecteur. Pour des scènes à fort contraste, il est souvent impossible d'obtenir un bon rendu des zones sombres et en même temps de garder des zones lumineuses sans saturation. Ce problème est d'autant plus sérieux pour la vision nocturne à laquelle un capteur matriciel à photodiodes InGaAs est souvent destiné. Une autre manière de lire les signaux photoélectriques des photodiodes de manière générale est proposée par le document EP1354360 et illustrée dans son principe par la figure 3 des dessins ci-annexés. Le document EP1354360 propose un fonctionnement en mode cellule solaire d'une photodiode 51 afin d'obtenir une réponse logarithmique en fonction de l'intensité du rayonnement optique incident 59. Dans ce mode de fonctionnement, la photodiode 51 ne reçoit pas de polarisation extérieure et elle est polarisée en directe par les charges photoélectriques générées dans sa jonction. La tension de polarisation directe observée sur la photodiode est proportionnelle au logarithme du flux optique incident. Cette réponse logarithmique permet de couvrir sans aucun ajustement électrique et optique une plage dynamique de fonctionnement supérieure à 120dB, indispensable pour l'utilisation d'un capteur SWIR InGaAs dans des conditions naturelles à l'extérieur. Le document EP1354360 propose également d'associer un circuit de lecture 55 à commutation à la photodiode. Le principe d'utilisation de la matrice de capteur d'image illustré à la figure 3 est le suivant : a) On active le signal de sélection SEL afin de sélectionner la photodiode 51 désirée en fermant l'interrupteur 54. Une fois cette photodiode sélectionnée, on active le premier signal de lecture RD1 qui va fermer l'interrupteur commandé correspondant dans le but de mémoriser les tensions d'une première lecture dans la mémoire 56. Cette première lecture enregistre à la fois l'image et le bruit spatial fixe. b) On active alors le signal de remise à zéro RSI, signal qui va provoquer la fermeture de l'interrupteur 53. La photodiode 51 étant ainsi court-circuitée, on simule ainsi une image de référence en obscurité absolue. c) On désactive alors le premier signal de lecture RD1 pour réouvrir l'interrupteur correspondant et on active alors le second signal de lecture RD2 pour ainsi enregistrer dans l'élément de mémoire 57 les tensions de la deuxième lecture. On a ainsi mémorisé le bruit spatial fixe seul. d) On calcule la différence entre le résultat des deux mémorisations contenues dans les éléments de mémoire 56 et 57 respectives par un amplificateur différentiel 58. Le signal de sortie de cet amplificateur 58 correspond alors à une image exempte de bruit spatial fixe. Grâce à la seconde lecture, une tension zéro correspondant à la condition d'obscurité est générée. Ce signal d'obscurité électronique permet de supprimer les décalages de signal (- offsets ») dans la chaîne de lecture dans un détecteur matriciel. Le principe proposé par EP1354360 a été appliqué dans un capteur InGaAs et fonctionne parfaitement. Mais un phénomène d'éblouissement (- bloonning » en terminologie anglo-saxonne) est observé pour des scènes diurnes. Ce phénomène peut être simplement décrit comme une perte de la résolution spatiale dans une image. Le détecteur continue néanmoins à être sensible à la variation de la lumière en suivant la loi logarithmique. La demande de brevet français n°1156290 propose une isolation électrique par une gravure autour de chaque photodiode. Cette approche permet de supprimer efficacement ce phénomène de bloonning mais au prix d'un très fort courant d'obscurité dans les photodiodes à cause de défauts créés par cette gravure. Un autre problème de cette approche réside dans le fait que les étapes de gravure et de diffusion des anodes de photodiode constituent deux étapes distinctes du procédé de fabrication, requérant des masques différents. Des erreurs d'alignements des masques peuvent créer des non-uniformités supplémentaires entre les photodiodes d'une matrice. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention propose une autre solution toute aussi simple et efficace à ce phénomène de bloonning dans une matrice de photodiodes InGaAs. La solution proposée par la présente invention permet également une amélioration de la qualité d'image dans un détecteur conventionnel en mode intégration. A cet effet, il est proposé une matrice de photodiodes comprenant : - une cathode comprenant au moins une couche de substrat en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et - au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active: - des premières zones dopées formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer. La matrice de photodiode selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leurs combinaisons techniquement possible : - des moyens de polarisation maintiennent ladite seconde zone dopée à un potentiel électrique égal ou inférieur au potentiel le plus bas des premières zones dopées; - le potentiel de la seconde zone dopée est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes; - les premières zones dopées et la seconde zone dopée présentent un même niveau de dopage à une même profondeur; - la seconde zone dopée est située entre au moins certaines des premières zones dopées; - la seconde zone dopée entoure individuellement des premières zones dopées; - la seconde zone dopée forme un quadrillage entre des premières zones dopées; - une pluralité de secondes zones dopées sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées; - la seconde zone dopée est séparée des premières zones dopées d'une distance suffisante de sorte les zones de charge d'espace associées respectivement à la 25 seconde zone dopée et aux premières zones dopées sont séparées; - une grille métallique en surface de ladite matrice relie différents points de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) afin d'homogénéiser le potentiel électrique de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s). 30 L'invention concerne également un capteur d'images incorporant une matrice de photodiodes selon le premier aspect. De préférence, le circuit de lecture est un circuit logarithmique. On propose également un procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes, 35 ladite matrice comprenant : - une cathode comprenant au moins une couche de substrat en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, - au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active: - des premières zones dopées formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée absorbant des porteurs de charge émis par les photodiodes, le procédé étant caractérisé en ce que les premières zones dopées et ladite au moins une seconde zone dopée sont formées lors d'une même étape de dopage sélectif. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit. L'invention sera aussi mieux comprise en référence à cette description considérée conjointement avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1, déjà commentée, est un schéma illustrant la structure d'une matrice de photodiodes InGaAs de l'état de la technique ; - la figure 2, déjà commentée, illustre un capteur d'image InGaAs constitué d'une matrice de photodiodes InGaAs connectée en flip-chip avec un circuit de lecture sur substrat silicium ; - la figure 3, déjà commentée, est un schéma de principe de réalisation d'un capteur logarithmique avec les photodiodes en mode cellule solaire ; - la figure 4 illustre les différentes jonctions dans une matrice de photodiodes de l'état de la technique ; - la figure 5 illustre une vue en coupe d'une matrice de photodiodes selon l'invention avec différentes jonctions représentées; - les figures 6 à 8 sont des vues de dessus de différents modes de réalisation de l'invention; - la figure 9 est un schéma de principe illustrant des étapes du procédé selon l'invention.35 DESCRIPTION DETAILLEE Dans une structure de l'état de la technique telle qu'illustrée par la figure 1, il peut être constaté que chaque photodiode contient plusieurs jonctions PN, dont une voulue et un certain nombre qui sont parasites. Ces jonctions PN sont illustrées par la Figure 4. Les jonctions PN 31 entre les anodes 3 et la couche active 5 sont voulues et constituent les diodes de la matrice de photodiodes. Les jonctions PN parasites latérales 32 entre les anodes 3 et la couche de passivation 6 constituent un chemin de passage électrique possible entre les photodiodes voisines via la couche de passivation. Un circuit de lecture classique intègre, dans une capacité, le courant inverse dans la photodiode en appliquant une polarisation inverse sur cette dernière. Dans cette configuration, les jonctions parasites latérales 32 dans les photodiodes sont polarisées en inverse en même temps avec pour effet d'ajouter un courant parasite supplémentaire dans la capacité d'intégration. Ce courant parasite dégrade la qualité d'image, mais ne génère quasiment pas de diaphonie entre les photodiodes voisines. Ces courants parasites peuvent être compensés partiellement par des traitements d'image complexes sur l'image brute sortant du circuit de lecture. Quand une photodiode fonctionne en mode cellule solaire, la jonction est polarisée en direct par la lumière incidente. Dans ce cas, les jonctions parasites latérales 32 sont aussi polarisées en direct et elles constituent un passage de courant électrique entre des photodiodes voisines. Cette polarisation directe devient d'autant plus importante que l'intensité optique incidente augmente, créant ainsi un phénomène de bloorning qui dégrade considérablement la résolution spatiale du capteur. La présente invention propose une structure permettant de diminuer la conductivité latérale dans une matrice de photodiodes InGaAs. Une matrice de photodiodes fabriquée selon la présente invention peut être exploitée en mode cellule solaire comme décrit dans le document EP1354360, sans perte de résolution spatiale, même en présence de très fortes intensités optiques. Une telle matrice procure aussi une amélioration de la qualité d'image avec un circuit de lecture classique en mode d'intégration, comme par exemple, les différents circuits de lecture CMOS I5C9705 et I5C9809 commercialisés par la société Indigo/FLIR aux USA. Le circuit I5C9705 intègre le courant photoélectrique d'une photodiode directement sur un condensateur (mode injection directe) et le circuit ISC9809 intègre le courant photoélectrique à travers un amplificateur opérationnel (mode CTIA). Le mode CTIA permet un gain de conversion charge-tension plus important qui favorise la sensibilité de détection. En référence aux figures 5 à 9, une matrice de photodiodes comprend une cathode comprenant au moins une couche de substrat 4 en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium. Une couche de passivation 6, par exemple en matériau de la famille du phosphure d'indium, est prévue au-dessus de la couche active 5 d'arséniure de gallium-indium. On entend par un matériau de la famille du phosphure d'indium un matériau senni- 15 conducteur composé principalement, voire quasi-exclusivement, de phosphure d'indium, et éventuellement d'autre composants en quantité bien moindre, par exemples des dopants. On désignera donc ce matériau par son composant principal, c'est-à-dire le phosphure d'indium, ou InP. 20 De même, on entend par matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium un matériau semi-conducteur composé principalement, voire exclusivement, d'arséniure de gallium-indium, et éventuellement d'autre composants en quantité bien moindre, par exemples des dopants. On désignera donc ce matériau par son composant principal, c'est-à-dire l'arséniure de gallium-indium, ou InGaAs. 25 La matrice de photodiode comporte en outre au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active 5: - des premières zones dopées 3 formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, 30 - au moins une seconde zone dopée 8 absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer. Il peut être prévu une pluralité de seconde zone dopée 8 pour absorber des porteurs de charge en excès et les évacuer de la matrice de photodiodes. 10 35 Les deux sortes de zones dopées sont donc de même type, c'est-à-dire N ou P. Pour des raisons de simplicité, nous présenterons ici le cas où les deux sortes de zones dopées sont du type P. De préférence, les premières zones dopées 3 et la seconde zone dopée 8 présentent un même niveau de dopage à une même profondeur. Les couches InP sont alors du type N, par exemple dopées au silicium. La couche active 5 de InGaAs peut être légèrement dopée N ou rester quasi-intrinsèque. Donc les deux couches InP inférieure/supérieure et la couche active 5 de InGaAs forment la cathode commune des photodiodes dans cette matrice. Les premières zones dopées 3 constituent une pluralité d'anodes formées au moins en partie dans la couche active 5, la coopération entre une anode et la cathode formant une photodiode. 15 Les photodiodes sont connectées à des circuits de lectures similaires à celui illustré par la figure 3, et les potentiels électriques Vpd1, Vpd2 qu'elles présentent, en fonction notamment de l'exposition à laquelle elles sont soumises et de leur polarisation avant l'exposition, sont lus par ces circuits de lectures pour déterminer une image. 20 Des moyens de polarisation maintiennent la seconde zone dopée 8 à un potentiel électrique Vring égal ou inférieur au potentiel le plus bas Vpd1, Vpd2 des premières zones dopées 3 de sorte que Vring nnin(Vpd1, Vpd2). De préférence, le potentiel électrique de la seconde zone dopée 8 est choisi inférieur au potentiel le plus bas 25 Vpd1, Vpd2 des premières zones dopées 3 de sorte que Vring Dans les exemples illustrés par les figures 6 et 7, toutes les anodes 3 sont entourées par une ou plusieurs secondes zones dopées 8. Cependant, il n'est pas strictement nécessaire, bien que préférable et cohérent, que toutes les photodiodes soient entourées. Néanmoins, afin d'obtenir une réduction significative de la diaphonie entre photodiodes, de préférence la majorité des photodiodes, sont entourées par au moins une seconde zone dopée 8. De même, dans les exemples illustrés par les figures 5 et 6, les premières zones 3 sont complètement entourées par des zones secondes dopées 8. Cependant, une zone dopée 8 autour d'une première zone dopée 3 peut présenter des ouvertures, et ainsi n'entourer que partiellement une première zone dopée 3. Le fait de ne pas entourer complètement des premières zones dopées 3 par au moins une seconde zone dopée 8 peut être dicté par des considérations de fabrication mais également pour optimiser le fonctionnement de la matrice de photodiodes. En effet, les secondes zones dopées 8 concurrencent les photodiodes au niveau des porteurs de charge. Afin de limiter cette concurrence, on peut prévoir que la ou les secondes zones dopées 8 n'entourent pas complètement les anodes, mais néanmoins suffisamment pour diminuer significativement la diaphonie entre photodiodes. La seconde zone dopée 8 est séparée des premières zones dopées 3 d'une distance suffisante de sorte que les zones de charge d'espace associées respectivement à la seconde zone dopée 8 et aux premières zones dopées 3 sont séparées. Ainsi, de préférence, la seconde zone dopée 8 est distante de l'anode qu'elle entoure d'au moins 0,5 pnn. De préférence, une seconde zone dopée 8 présente une largeur (vue de dessus) d'au moins 0,5 pnn afin de suffisamment isoler les photodiodes les unes des autres. La largeur, (vue de dessus) d'une zone dopée 8 peut ainsi s'étendre jusqu'à par exemple 2 pnn, voire atteindre 5 pnn. Selon un second aspect, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice de photodiode selon le premier aspect. En référence à la figure 7, on peut obtenir une telle matrice par: - croissance épitaxiale (étape 51) d'une couche active 5 en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium (InGaAs) sur un substrat 4 en un matériau de la famille du phosphore d'indium, puis - croissance épitaxiale (étape 52) d'une couche de passivation 6 en un matériau de la famille du phosphore d'indium (InP) sur la couche active 5, puis - formation simultanée lors d'une même étape de dopage sélectif (étape 53) de deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active 5 : des premières zones dopées 3 formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, et au moins une seconde zone dopée 8 pour absorber des porteurs de charge émis par les photodiodes. Par exemple, les premières zones dopées 3 et ladite au moins une seconde zone dopée 8 peuvent être formées par une diffusion sélective de zinc en tant que dopant de type P dans la couche de passivation 6 et dans la couche active 5 lorsque lesdites couches sont de type N. La formation simultanée des premières zones dopées 3 et d'au moins une seconde zone dopée 8 permet de d'utiliser un même masque pour la diffusion des dopants. Par conséquent, le procédé de fabrication n'est pas alourdi, et il n'y a pas de risque de mauvais alignement d'éventuels masques d'implantation distincts. Les premières zones dopées 3 et la ou les secondes zones dopées présentent ainsi des caractéristiques similaires, que ce soit en concentration de dopants ou en profondeur de dopage, ce qui facilitent le contrôle de leur fonction par le potentiel auquel elles sont soumises. REVENDICATIONS1. Matrice de photodiodes comprenant - une cathode comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, et caractérisé en ce que la matrice comporte en outre au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active (5): - des premières zones dopées (3) formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone dopée (8) absorbant des porteurs de charge excédentaires pour les évacuer. 2. Matrice selon la revendication précédente, dans laquelle des moyens de polarisation maintiennent ladite seconde zone dopée (8) à un potentiel électrique (Vring) égal ou inférieur au potentiel (Vpd1, Vpd2) le plus bas des premières zones dopées (3). 3. Matrice selon la revendication précédente, dans laquelle le potentiel de la seconde zone dopée (8) est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes. 4. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premières 25 zones dopées (3) et la seconde zone dopée (8) présentent un même niveau de dopage à une même profondeur. 5. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone dopée (8) est située entre au moins certaines des premières zones dopées (3). 30 6. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone (8) dopée entoure individuellement des premières zones dopées (3). 7. Matrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la 35 seconde zone dopée (8) forme un quadrillage entre des premières zones dopées (3). 8. Matrice selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle une pluralité de secondes zones dopées (8) sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées (3). 9. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la seconde zone (8) dopée est séparée des premières zones dopées (3) d'une distance suffisante de sorte les zones de charge d'espace associées respectivement à la seconde zone dopée (8) et aux premières zones dopées (3) sont séparées. 10. Matrice selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une grille métallique en surface de ladite matrice relie différents points de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) (8) afin d'homogénéiser le potentiel électrique de la ou les seconde(s) zone(s) dopée(s) (8). 11. Capteur d'images incorporant une matrice de photodiodes selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Procédé de fabrication d'une matrice de photodiodes, ladite matrice comprenant - une cathode comprenant au moins une couche de substrat (4) en un matériau de la famille du phosphure d'indium et une couche active (5) en un matériau de la famille de l'arséniure de gallium-indium, -au moins deux sortes de zones dopées de même type formées au moins en partie dans la couche active (5): - des premières zones dopées (3) formant avec la cathode des photodiodes pour la formation d'images, - au moins une seconde zone (8) dopée absorbant des porteurs de charge émis par les photodiodes, caractérisé en ce que les premières zones dopées (3) et ladite au moins une seconde zone dopée (8) sont formées lors d'une même étape de dopage sélectif (S3).