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WO2014118308A1 - Matrice de photodiode a zone dopee absorbant les charges - Google Patents

Matrice de photodiode a zone dopee absorbant les charges Download PDF

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WO2014118308A1
WO2014118308A1 PCT/EP2014/051866 EP2014051866W WO2014118308A1 WO 2014118308 A1 WO2014118308 A1 WO 2014118308A1 EP 2014051866 W EP2014051866 W EP 2014051866W WO 2014118308 A1 WO2014118308 A1 WO 2014118308A1
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doped
zone
zones
matrix
photodiodes
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PCT/EP2014/051866
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English (en)
Inventor
Yang Ni
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New Imaging Technologies SAS
Original Assignee
New Imaging Technologies SAS
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Publication date
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Priority to JP2015555712A priority patent/JP2016513362A/ja
Priority to DE112014000624.6T priority patent/DE112014000624T5/de
Publication of WO2014118308A1 publication Critical patent/WO2014118308A1/fr
Priority to IL239966A priority patent/IL239966B/en
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    • H10F77/124—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10F77/1248—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP

Definitions

  • the invention relates to photodiode arrays, and more particularly photodiode matrices based on gallium-indium arsenide (InGaAs) and indium phosphide (InP) layers, as well as their method of manufacturing.
  • InGaAs gallium-indium arsenide
  • InP indium phosphide
  • One of the methods for fabricating photodiode matrixes in semiconductor materials with a narrow band gap is to insert the active low band detection layer. gap between two semiconductor materials with large band gap.
  • the two large band gap semiconductor layers provide effective protection / passivation while remaining transparent to the wavelength of the radiation to be detected by the photodiodes.
  • the two heterojunctions between the active layer and the two protection / passivation layers confine the photoelectric charges in the active detection layer and improve the quantum yield of the photodiode thus constructed.
  • the active detection layer made of the InGaAs material can have an adjustable band gap depending on the indium and gallium composition in the InGaAs, ideal for operating in the SWIR (Short Wave Infrared) short-wave infrared band. wave), of the order of 1, 4 to 3 ⁇ .
  • Indium phosphide and gallium-indium arsenide share the same face-centered cubic crystal structure.
  • the most used composition is lno.53Gao.47As.
  • the crystal mesh size is then comparable to that of the InP substrate, in particular the mesh parameters. This crystal compatibility allows the epitaxial growth of an InGaAs active layer of excellent quality on an InP substrate.
  • the band gap of ln 0 .53Ga 0 .47As is about 0.73 eV, capable of detecting up to a wavelength of 1.68 ⁇ in the SWIR band. It has a growing interest in areas of application such as spectrometry, night vision, sorting used plastics, etc.
  • Both protection / passivation layers are usually made in InP.
  • Figure 1 illustrates the physical structure of a matrix 1 of photodiodes.
  • An active layer 5 composed of InGaAs is sandwiched between two layers of InP.
  • the lower layer is indeed the substrate 4 on which the InGaAs layer is formed by complex MO-CVD epitaxy.
  • This InGaAs layer is then protected by a thin passivation layer 6 composed of InP, also deposited by epitaxy.
  • the InP layers are generally N type, doped with silicon.
  • the active layer 5 of InGaAs may be slightly N-doped or remain quasi-intrinsic.
  • the two lower / upper InP layers and the InGaAs active layer 5 form the common cathode of the photodiodes in this matrix.
  • Individual anodes 3 are formed by local diffusion of zinc (Zn).
  • Zn dopant passes through the thin InP passivation layer 6 and enters the InGaAs active layer.
  • FIG. 2 illustrates an InGaAs image sensor consisting of a matrix 1 of InGaAs photodiodes connected in flip-chip mode with a reading circuit 2.
  • a matrix InGaAs sensor the The photodiode array is connected to a reading circuit generally made of silicon in order to read the photoelectric signals generated by these InGaAs photodiodes.
  • This interconnection is generally done by the flip-chip process via indium balls 8, as illustrated in FIG. 2.
  • the radiation SWIR 9 arrives on the matrix of photodiodes through the substrate 4 of indium phosphide, transparent in this optical band.
  • EP1354360 proposes a solar cell mode operation of a photodiode 51 in order to obtain a logarithmic response as a function of the intensity of the incident optical radiation 59.
  • the photodiode 51 receives no external polarization and it is polarized in direct by the photoelectric charges generated in its junction.
  • the forward bias voltage observed on the photodiode is proportional to the logarithm of the incident optical flux.
  • EP1354360 also proposes to associate a read circuit 55 with switching to the photodiode.
  • the selection signal SEL in order to select the desired photodiode 51 by closing the switch 54.
  • the first read signal RD1 is activated which will close the corresponding controlled switch in order to memorize the voltages of a first reading in the memory 56. This first reading records both the image and the fixed spatial noise.
  • EP1354360 has been applied in an InGaAs sensor and works perfectly. But a phenomenon of dazzling ("blooming" in Anglo-Saxon terminology) is observed for diurnal scenes. This phenomenon can be simply described as a loss of spatial resolution in an image. The detector nevertheless continues to be sensitive to the variation of light according to the logarithmic law.
  • French Patent Application No. 1156290 proposes electrical insulation by etching around each photodiode. This approach makes it possible to effectively suppress this blooming phenomenon, but at the cost of a very high current of darkness in the photodiodes because of defects created by this etching.
  • Another problem of this approach lies in the fact that the etching and diffusion stages of the photodiode anodes constitute two distinct stages of the manufacturing process, requiring different masks. Mask alignment errors can create additional non-uniformities between the photodiodes of a matrix.
  • the present invention proposes another equally simple and effective solution to this phenomenon of blooming in a matrix of InGaAs photodiodes.
  • the solution proposed by the present invention also allows an improvement of the image quality in a conventional detector in integration mode.
  • a matrix of photodiodes comprising: a cathode comprising at least one substrate layer made of a material of the indium phosphide family and an active layer made of a material of the gallium-indium arsenide family, and
  • first doped zones forming, with the cathode, photodiodes for forming images
  • At least one second doped zone absorbing excess charge carriers to evacuate them.
  • the photodiode matrix according to the invention is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combinations:
  • polarization means keep said second doped zone at an electric potential equal to or lower than the lowest potential of the first doped zones
  • the potential of the second doped zone is modulated according to the level of illumination on the photodiode array
  • the first doped zones and the second doped zone have the same level of doping at the same depth
  • the second doped zone is located between at least some of the first doped zones
  • the second doped zone individually surrounds the first doped zones
  • the second doped zone forms a grid between first doped zones
  • a plurality of second doped zones are distributed parallel to each other and interspersed with first doped zones;
  • the second doped zone is separated from the first doped zones by a sufficient distance so that the space charge zones respectively associated with the second doped zone and the first doped zones are separated;
  • a metal grid on the surface of said matrix connects different points of the second doped zone (s) in order to homogenize the electric potential of the second doped zone (s) (s); ).
  • the invention also relates to an image sensor incorporating a matrix of photodiodes according to the first aspect.
  • the read circuit is a logarithmic circuit.
  • a method for manufacturing a photodiode array comprising:
  • a cathode comprising at least one substrate layer made of a material of the indium phosphide family and an active layer made of a material of the gallium-indium arsenide family,
  • first doped zones forming, with the cathode, photodiodes for forming images
  • At least one second doped zone which absorbs charge carriers emitted by the photodiodes
  • the method being characterized in that the first doped zones and the said at least one second doped zone are formed during the same selective doping step.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the structure of a matrix of InGaAs photodiodes of the state of the art
  • FIG. 2 already commented on, illustrates an InGaAs image sensor consisting of a matrix of InGaAs photodiodes connected in flip-chip with a silicon substrate reading circuit;
  • FIG. 4 illustrates the different junctions in a matrix of photodiodes of the state of the art
  • FIG. 5 illustrates a sectional view of a photodiode array according to the invention with different junctions shown;
  • FIGS. 6 to 8 are top views of various embodiments of the invention.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating steps of the method according to the invention. DETAILED DESCRIPTION
  • each photodiode contains several PN junctions, one of which is wanted and a certain number which are parasitic. These PN junctions are illustrated in FIG. 4.
  • the PN junctions 31 between the anodes 3 and the active layer 5 are desired and constitute the diodes of the photodiode array.
  • the side parasitic PN junctions 32 between the anodes 3 and the passivation layer 6 constitute a possible electrical pathway between the neighboring photodiodes via the passivation layer.
  • a conventional read circuit integrates, in a capacitance, the reverse current into the photodiode by applying an inverse bias on the photodiode.
  • the side parasitic junctions 32 in the photodiodes are reverse biased at the same time with the effect of adding an additional parasitic current into the integration capacitance.
  • This parasitic current degrades the image quality, but generates almost no crosstalk between neighboring photodiodes.
  • These parasitic currents can be partially compensated by complex image processing on the raw image coming out of the read circuit.
  • the junction When a photodiode is operating in solar cell mode, the junction is forward biased by the incident light. In this case, the side parasitic junctions 32 are also forward biased and they constitute a passage of electric current between neighboring photodiodes. This direct polarization becomes all the more important as the incident optical intensity increases, thus creating a blooming phenomenon which considerably degrades the spatial resolution of the sensor.
  • the present invention provides a structure for decreasing the lateral conductivity in a matrix of InGaAs photodiodes.
  • a matrix of photodiodes manufactured according to the present invention can be exploited in solar cell mode as described in EP1354360, without loss of spatial resolution, even in the presence of very high optical intensities.
  • Such a matrix also provides an improvement in image quality with a conventional reading circuit in integration mode, for example, the different CMOS ISC9705 readout circuits and ISC9809 marketed by the company Indigo / FLIR in the USA.
  • the ISC9705 circuit integrates the photoelectric current of a photodiode directly onto a capacitor (direct injection mode) and the ISC9809 circuit integrates the photoelectric current through an operational amplifier (CTIA mode).
  • CTIA mode allows a higher charge-to-voltage conversion gain that promotes detection sensitivity.
  • a photodiode array comprises a cathode comprising at least one substrate layer 4 made of a material of the family of indium phosphide and an active layer 5 made of a material of the family of the arsenide of gallium indium.
  • a material of the family of indium phosphide means a semiconductor material composed mainly, or almost exclusively, of indium phosphide, and possibly other components in a much smaller quantity, for example dopants. This material will therefore be designated by its main component, that is to say indium phosphide, or InP.
  • gallium-indium arsenide is a semiconductor material composed mainly, or even exclusively, of gallium-indium arsenide, and possibly other components in much smaller quantities, for example dopants.
  • This material will therefore be designated by its main component, that is to say gallium-indium arsenide, or InGaAs.
  • the photodiode matrix further comprises at least two kinds of doped zones of the same type formed at least in part in the active layer 5:
  • At least one second doped zone 8 absorbing excess charge carriers to evacuate them.
  • first doped zones 3 and the second doped zone 8 have the same level of doping at the same depth.
  • the InP layers are then of the N type, for example doped with silicon.
  • the active layer 5 of InGaAs may be slightly N-doped or remain quasi-intrinsic.
  • the two lower / upper InP layers and the InGaAs active layer 5 form the common cathode of the photodiodes in this matrix.
  • the first doped zones 3 constitute a plurality of anodes formed at least in part in the active layer 5, the cooperation between an anode and the cathode forming a photodiode.
  • the photodiodes are connected to circuits of readings similar to that illustrated in FIG. 3, and the electric potentials Vpd1, Vpd2 that they present, as a function, in particular, of the exposure to which they are subjected and of their polarization before exposure. , are read by these read circuits to determine an image.
  • Polarization means keep the second doped zone 8 at an electric potential Vring equal to or lower than the lowest potential Vpd1, Vpd2 of the first doped zones 3 so that Vring ⁇ min (Vpd1, Vpd2).
  • the electric potential of the second doped zone 8 is chosen to be lower than the lowest potential Vpd1, Vpd2 of the first doped zones 3 so that Vring ⁇ min (Vpd1, Vpd2).
  • it is an electrical connection connecting the second doped zone 8 to a power supply by which the Vring electrical potential is imposed and through which the excess charges absorbed by the second doped zone 8 are discharged.
  • the potential of the second doped zone 8 is modulated according to the level of illumination on the photodiode array.
  • an illumination measurement can be provided on the photodiode array, in particular by means of the readout circuit as illustrated in FIG. 3.
  • This illumination measurement makes it possible to determine which potential must be applied to the second doped zone 8. It is also possible to reduce the resistivity of the second doped zone by seconding it by a metal grid covering said second doped zone 8 so that the application of the potential, as well as the drainage of the charges, is uniform.
  • This metal grid can also be used to connect together several second doped zones 8, thus fulfilling the role of connection means for the application of Vring potential.
  • the second doped zone 8 is located between at least some of the first doped zones 3 in order to separate them.
  • the sectional view shows an alternation between the first doped zones 3 and one or more second doped zones 8.
  • the second doped zone or zones 8 separate the first doped zones. 3 constituting the anodes of the photodiodes in order to absorb the excess charges likely to pass via the active layer 5 from a first doped zone 3 to the other.
  • FIG. 6 shows a view from above of an embodiment in which first doped zones 3 are each at least partially surrounded by a doped zone 8 of the same type, here of N type, as said first doped zones 3, and formed at least partly in the active layer 5, to separate each of the anodes formed by said first doped areas 3 of the other anodes of said matrix.
  • FIG. 7 shows a view from above of an embodiment in which the second doped zone 8 forms a grid between first doped zones 3 in order to individually surround first doped zones 3.
  • a single doped zone 8 is distributed on the surface of the photodiode array.
  • all the anodes 3 are surrounded by one or more doped second zones 8. However, it is not strictly necessary, although preferable and consistent, that all photodiodes are surrounded. Nevertheless, in order to obtain a significant reduction in the crosstalk between photodiodes, preferably the majority of the photodiodes, are surrounded by at least one second doped zone 8.
  • the first zones 3 are completely surrounded by doped second zones 8.
  • a doped zone 8 around a first doped zone 3 may have openings, and thus n only partially surround a first doped zone 3.
  • first doped areas 3 with at least one second doped zone 8 may be dictated by manufacturing considerations but also to optimize the operation of the photodiode array. Indeed, the second doped zones 8 compete with the photodiodes at the level of the charge carriers. In order to limit this competition, it may be provided that the second doped zone or zones 8 do not completely surround the anodes, but nevertheless sufficiently to significantly reduce the cross-talk between photodiodes.
  • the second doped zone 8 is separated from the first doped zones 3 by a sufficient distance so that the space charge areas associated respectively with the second doped zone 8 and the first doped zones 3 are separated.
  • the second doped zone 8 is distant from the anode that it surrounds by at least 0.5 ⁇ .
  • a second doped zone 8 has a width (seen from above) of at least 0.5 ⁇ in order to sufficiently insulate the photodiodes from each other.
  • the width (seen from above) of a doped zone 8 may thus extend up to, for example, 2 ⁇ , or even reach 5 ⁇ .
  • the invention also relates to a method for manufacturing a photodiode matrix according to the first aspect. With reference to FIG. 7, such a matrix can be obtained by:
  • step S1 epitaxial growth (step S1) of an active layer 5 made of a material of the gallium-indium arsenide (InGaAs) family on a substrate 4 made of a material of the indium phosphorus family, then epitaxial growth (step S2) of a passivation layer 6 of a material of the family of indium phosphorus (InP) on the active layer 5, then
  • step S3 simultaneous formation during the same step of selective doping (step S3) of two kinds of doped zones of the same type formed at least partly in the active layer 5: first doped zones 3 forming with the cathode photodiodes for the formation of images, and at least one second doped zone 8 for absorbing charge carriers emitted by the photodiodes.
  • the first doped zones 3 and said at least one second doped zone 8 can be formed by a selective diffusion of zinc as a P-dopant in the passivation layer 6 and in the active layer 5 when said layers are type N.
  • the simultaneous formation of the first doped zones 3 and at least one second doped zone 8 makes it possible to use the same mask for the diffusion of the dopants. Therefore, the manufacturing method is not increased, and there is no risk of misalignment of possible separate implantation masks.
  • the first doped zones 3 and the second doped zone or zones thus have similar characteristics, whether in dopant concentration or in doping depth, which facilitates the control of their function by the potential to which they are subjected.

Landscapes

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  • Light Receiving Elements (AREA)
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Abstract

L'invention concerne une matrice de photodiodes, ainsi que son procédé de fabrication, 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.

Description

MATRICE DE PHOTODIODE A ZONE DOPEE ABSORBANT LES CHARGES
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 μιη. Le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium-indium partage la même structure cristalline cubique face centrée. La composition la plus utilisée est lno.53Gao.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'ln0.53Ga0.47As est d'environ 0.73 eV, capable de détecter jusqu'à une longueur d'onde de 1.68 μιη 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 lno.53Gao.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 (« blooming » 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 blooming 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 blooming 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 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).
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, 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. 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 blooming 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 ISC9705 et ISC9809 commercialisés par la société Indigo/FLIR aux USA. Le circuit ISC9705 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 semiconducteur 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.
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.
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,
- 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. 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. 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.
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 < min(Vpd1 , Vpd2). De préférence, le potentiel électrique de la seconde zone dopée 8 est choisi inférieur au potentiel le plus bas Vpd1 , Vpd2 des premières zones dopées 3 de sorte que Vring < min(Vpd1 , Vpd2).
Typiquement, il s'agit d'une connexion électrique reliant la seconde zone dopée 8 à une alimentation par laquelle est imposée le potentiel électrique Vring et par laquelle sont évacuées les charges excédentaires absorbées par la seconde zone dopée 8.
De préférence, le potentiel de la seconde zone dopée 8 est modulé en fonction du niveau d'illumination sur la matrice de photodiodes. A cet effet, il peut être prévu une mesure de d'illumination sur la matrice de photodiodes, notamment au moyen du circuit de lecture tel qu'illustré sur la figure 3. Cette mesure d'illumination permet de déterminer quel potentiel doit être appliqué à la seconde zone dopée 8. On peut également prévoir de réduire la résistivité de la seconde zone dopée en la secondant par une grille métallique recouvrant ladite seconde zone dopée 8 afin que l'application du potentiel, ainsi que le drainage des charges, soit uniforme. Cette grille métallique peut d'ailleurs être utilisée pour relier entre elles plusieurs secondes zones dopées 8, remplissant ainsi le rôle de moyen de connexion pour l'application du potentiel Vring.
La seconde zone dopée 8 est située entre au moins certaines des premières zones dopées 3 afin de les séparer. Ainsi, dans la figure 5, la vue en coupe montre une alternance entre les premières zones dopées 3 et une ou plusieurs secondes zones dopées 8. Ainsi, dans la direction de la coupe, la ou les secondes zones dopées 8 séparent les premières zones dopées 3 constituant les anodes des photodiodes afin d'absorber les charges excédentaires susceptibles de transiter via la couche active 5 d'une première zone dopée 3 à l'autre.
La figure 6 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation dans lequel des premières zones dopées 3 sont chacune entourées au moins partiellement d'une zone dopée 8 de même type, ici de type N, que lesdites premières zones dopées 3, et formée au moins en partie dans la couche active 5, pour séparer chacune des anodes constituées par lesdites premières zones dopées 3 des autres anodes de ladite matrice.
La figure 7 présente une vue de dessus d'un mode de réalisation dans lequel la seconde zone dopée 8 forme un quadrillage entre des premières zones dopées 3 afin d'entourer individuellement des premières zones dopées 3.
De préférence, afin de diminuer la complexité de fabrication ainsi que des interconnexions, une seule zone dopée 8 est répartie à la surface de la matrice de photodiodes. Cependant, on peut choisir de disposer une pluralité de secondes zones dopées 8, comme illustré à la figure 8, dans laquelle une pluralité de secondes zones dopées 8 sont réparties parallèlement entre elles et intercalées avec des premières zones dopées 3.
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 μιη. De préférence, une seconde zone dopée 8 présente une largeur (vue de dessus) d'au moins 0,5 μιη 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 μιη, voire atteindre 5 μιη. 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 S1 ) 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 S2) 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 S3) 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.

Claims

Revendications
1 . 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 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).
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 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).
1 1 . 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).
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