FR2596203A1 - Element de diode photosensible - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE L'ELEMENT LUI-MEME ET SA METHODE DE FABRICATION. L'ELEMENT DE DIODE COMPREND UNE PREMIERE COUCHE 1 DE TYPE N EN SILICIUM AMORPHE HYDROGENE FORMANT UNE CATHODE ET UNE SECONDE COUCHE 2 EN MATERIAU DE TYPE P 2 FORMANT UNE ANODE, LA SECONDE COUCHE 2 RECOUVRANT LA PREMIERE COUCHE 1 ET ETANT TRANSPARENTE A L'ENERGIE OPTIQUE. LE FAIT D'UTILISER DU SILICIUM AMORPHE HYDROGENE PROCURE A L'ELEMENT DE DIODE PHOTOSENSIBLE DE L'INVENTION DES CARACTERISTIQUES DE PHOTOCONDUCTIBILITE ELEVEE, DE GAP OPTIQUE REGLABLE, ET DE STRUCTURE A FILM MINCE. UN RESEAU DE DIODES PHOTOSENSIBLES FORME AVEC DES ELEMENTS DE L'INVENTION EST FACILE A FABRIQUER, ET DES CIRCUITS DIRECTS PEUVENT ADRESSER CHAQUE ELEMENT. UN TEL RESEAU SE CARACTERISE PAR UNE FAIBLE DIAPHONIE ENTRE ELEMENTS, UNE SENSIBILITE OPTIQUE MAXIMISEE ET UNE GRANDE PLAGE DYNAMIQUE.
Description
1 2596203
La présente invention concerne des dispositifs photosensibles en général et, plus particulièrement, un élément de diode photosensible
en silicium amorphe hydrogéné.
En optoélectronique moderne, les recherches ont abouti à de 5 nombreuses réalisations dans lesquels on utilise des dispositifs photosensibles. Des travaux de recherche considérables ont été engagés pour développer des réseaux photosensibles ou photovoltaiques consistant en une pluralité de ces détecteurs photosensibles. Les réseaux photosensibles ont de nombreuses applications dans le domaine des 10 télécommunications (par exemple les fibres optiques et les dispositifs intégrés de transmission optique ou de transmission d'image), dans le domaine des appareils vidéo domestiques (par exemple les caméras à circuits intégrés), ainsi que des applications industrielles (par
exemple dans les équipements de photocopie et de télécopie).
En pratique, dans les réseaux photosensibles connus, on utilise des dispositifs à transfert de charge fabriqués sur du silicium cristallin. De tels réseaux se caractérisent par le fait qu'ils ont des structures complexes. Ils ne présentent donc que des petites zones de surface photosensible et leur procédé de fabrication nécessite généralement un grand nombre de phases. De plus, il se trouve que la sensibilité des réseaux de dispositifs à transfert de charge est faible pour les lumières à courtes longueurs d'onde (bleu et ultra-violet). On a relevé de nombreux autres inconvénients de ces réseaux, parmi lesquels: le besoin de circuits de commande d'horloge 25 complexes, une plage dynamique limitée, une sensibilité spectrale
limitée et ybe sensibilité à l'intensité d'illumination également limitée, une tendance à la diaphonie entre éléments voisins, un risque de saturation dû à un faible maximum d'intensité admissible, une perte de linéarité due à des problèmes d'illumination et de compensation 30 pour surmonter un courant obscur élevé.
Selon la présente invention, il est prévu un élément de diode photosensible fabriqué en silicium amorphe hydrogéné(a-Si:H) qui permet de surmonter les divers inconvénients sus-mentionnés des dispositifs à transfert de charge connus. Le silicium amorphe _5 hydrogéné est un matériau semi-conducteur qui a une photoconductivité très élevée, en pratique de l'ordre de 10. En fonction du procédé de fabrication utilisé, le gap optique pour a-Si:H peut varier entre 1,5 et 2,2 eV, alors que le gap d'énergie optique pour le silicium cristallin est constant, de l'ordre de 1,1 eV. Par conséquent, on peut accorder la sensibilité du silicium amorphe hydrogéné à diverses longueurs d'onde lumineuses pour obtenir des performances optimales
dans des conditions d'éclairage spécifiques.
En raison de sa structure amorphe, a-Si:H a des propriétés 5 d'absorption optique supérieures à celles du silicium cristallin qui sert généralement à fabriquer les éléments à transfert de charge connus. Pour absorber une quantité prédéterminée de lumière dans la plage visible, il faut des films en a-Si:H environ 100 fois moins épais que les films en silicium cristallin. Par exemple, alors qu'une 10 couche en a-Si:H de 1 micron d'épaisseur absorbe environ 95 % de lumière visible, il faut une couche de 100 microns d'épaisseur en
silicium cristallin pour obtenir le même résultat.
Comme il suffit d'un film relativement mince en silicium amorphe
hydrogéné pour faire un élément photosensible, on peut utiliser ce 15 dernier pour fabriquer des réseaux photosensibles très performants.
Des contacts de métallisation peuvent être disposés sous la face inférieure de chaque élément. Il en résulte une isolation entre éléments d'un réseau et la possibilité d'accès ou d'adressage direct
pour chaque élément.
On comprendra mieux l'invention en se référant à la description
détaillée suivante, faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. lA est une vue en coupe simplifiée d'un premier élément de diode photosensible selon l'invention, dans sa forme la plus 25 générale, la Fig. lB est un graphique simplifié de la caractéristique I-V de l'élément de la Fig. 1A, la Fig. 1C est une vue en coupe simplifiée d'un deuxième élément de diode photosensible selon la présente invention, la Fig. 2 est une vue en coupe détaillée d'un élément de diode photosensible préféré selon la présente invention, et, la Fig. 3 est un bloc-diagramme schématique d'un réseau de diodes photosensibles comprenant des éléments de diode photosensibles
selon la présente invention.
-5 L'élément de diode photosensible de la Fig. lA comprend une cathode I en silicium amorphe hydrogéné de type n et une anode 2 en silicium amorphe hydrogéné de type p+, de préférence implantée dans la cathode de type n selon une technique bien connue d'implantation ionique, etc. Une couche 3 en verre dopé au phosphore forme un revêtement transparent sur l'anode 2 de type p+ et un contact externe 4 est relié
à l'anode 2, à travers la couche de verre dopé au phosphore 3.
Un contact 5 est disposé sous l'élément de diode et relié à la 5 cathode 1 par l'intermédiaire d'une couche 6 fortement dopée de polysilicium n+ qui forme un contact ohmique entre la cathode et le
métal du contact 5.
Il est bien connu, en théorie électronique des semi-conducteurs, que du courant traverse une jonction p-n du fait de la dérive de 10 porteurs minoritaires engendrée thermiquement sur une longueur de diffusion de chaque côté de la jonction. Les porteurs minoritaires (par exemple les électrons et les trous) diffusent dans la région de transition entourant la jonction et y sont balayés par le champ électrique de jonction. Si la jonction est illuminée par des photons 15 ayant une énergie plus grande que l'énergie de gap (E) du matériau g semi-conducteur, un courant supplémentaire passe du fait de la
génération de paires d'électron-trou.
Ainsi, s'il y a un circuit ouvert dans l'élément de diode photosensible de la Fig. lA, et si l'anode 2 et la cathode 1 sont 20 exposées à une illumination à travers la couche de verre dopé au phosphore 3, la génération optique de porteurs minoritaires entraîne la formation d'une tension de circuit ouvert entre les contacts 4 et 5. Comme la concentration de minoritaires augmente du fait de la génération optique de paires d'électron-trou, la tension de circuit 25 ouvert augmente jusqu'à ce qu'elle atteigne une limite égale au potentiel de contact d'équilibre qui est la polarisation directe maximale pouvant apparaître dans la jonction. L'apparition d'une tension directe dans une jonction illuminée s'appelle l'effet voltaïque. En fonction de l'application prévue, l'élément de diode photosensible de la Fig. 1A peut être conditionné pour fonctionner dans le troisième ou le quatrième quadrant de sa caractéristique I-V, Fig. 1B. Dans le quatrième quadrant, la tension de jonction est positive et le courant passant dans l'élément de diode est négatif, en 35 raison de la génération optique de courant sus- mentionnée. Dans ce cas, la puissance délivrée par l'élément est proportionnelle à l'illumination. La puissance engendrée peut être appliquée à un
circuit externe relié aux contacts 4 et 5.
Un autre exemple de réalisation, à la Fig. lc, comporte une barrière de Schottky formée par le dép8t d'une couche 7 de métal transparent, tel que de l'or, de l'aluminium, du chrome ou du platine sur la couche en a-Si:H de type n, à la place d'une anode p+ obtenue par implantation ionique. Sous tous les autres aspects, l'exemple de réalisation de la Fig. 1C fonctionne pratiquement comme on l'a
expliqué ci-dessus, en relation avec les Figs. 1A et lB.
La Fig. 2 représente une vue en coupe détaillée d'un élément de
diode photosensible tel que celui de la Fig. 1A ou celui de la 10 Fig. 1C.
Suivant la méthode de fabrication préférée, on dépose 'une première couche 8 de verre dopé au phosphore (oxydé) d'une épaisseur d'environ 0,8 micron, puis la couche 6 sus-mentionnée de polysilicium n+ est déposée sur une épaisseur d'environ 0,3 micron. La couche 6 de 15 polysilicium n+ est alors masquée et gravée selon des techniques bien connues. ensuite, la première couche de métallisation 5 (métal I) est déposée sur une épaisseur d'environ 0,3 micron, puis masquée et gravée. La couche de métallisation 5 rejoint, sous les couches 20 déposées ultérieurement, un point de contact externe de cathode (non montré) servant à connecter extérieurement l'élément de diode. La couche de métallisation 5 permet la détection du point d'arrêt pour la gravure de la couche de silicium amorphe 1, pour stopper la gravure de
la surface de polysilicium.
La couche de cathode 1 de type n en silicium amorphe hydrogéné est alors déposée sur une épaisseur de 0,8 micron, de préférence, puis masquée et gravée, la couche de métallisation 5 fonctionnant comme
barrière d'arrêt de gravure.
La phase de fabrication suivante consiste à établir une couche 2 30 de type p+ sur la cathode 1 de type n, afin de former une anode. Comme on l'a expliqué ci-dessus en relation avec les Figs. IA et 1C, la couche d'anode peut être implantée suivant des techniques d'implantation ionique bien connues. En variante, on peut déposer une mince couche de métallisation transparente au-dessus de la couche de cathode 1, pour former une barrière p-n de Schottky, puis la masquer et la graver. Dans tous les cas, la couche d'anode a, de préférence, une épaisseur d'environ 0,01 micron. Les structures de type Schottky sont préférables quand on recherche des sensibilités plus élevées au bleu
et à l'ultra-violet.
Une couche de verre dopé au phosphore 3, d'une épaisseur d'environ 0,2 micron, est déposée sur l'ensemble du profil des couches précédentes, puis a lieu une phase de masquage et de gravure pour réaliser le contact avec la couche anode de type p+. La couche 3 de verre dopé au phosphore sert à passiver l'élément de diode, c'est-à-dire à le protéger contre l'humidité, la corrosion, etc. La couche 3 sert également de revêtement antiréfléchissant pour assurer une transmission maximale de lumière au dispositif. Selon la 10 théorie des films multi-couches, la réflectance R d'un film quart d'onde tel que la couche 3 est donnée par la formule: 2 2
R = 12'
t + nt o nt et n1 sont les indices de réfraction respectifs de la couche de
substrat et du film quart d'onde antiréfléchissant. Dans un prototype satisfaisant de la présente invention, pour une longueur d'onde d'environ 0,7 micron, la couche de verre dopé au phosphore 3 devait avoir une épaisseur d'environ 0,18 micron, avec nt = 1,87 et n1 = 1,5.
0J Enfin, une couche de métallisation d'anode 4, d'une épaisseur
d'environ 0,8 micron, est déposée sur la couche de verre dopé au phosphore 3 et relie l'anode de type p+ par l'intermédiaire du contact obtenu par masque sus-mentionné. La couche de métallisation finale 4 a une configuration présentant une série d'ouvertures pour exposer les 25 couches de silicium amorphe hydrogéné à l'illumination.
De préférence, une pluralité d'éléments de diode photosensibles tels que celui de la Fig. 2 sont fabriqués sur une puce unique pour
former un réseau ou une matrice tel que représenté à la Fig. 3.
Un réseau de diodes photosensibles 10 comprend une pluralité de 30 conducteurs de rangée 11,..., 12, 13, une pluralité de conducteurs de colonne 14, 15,..., 16 et une pluralité de diodes 20A à 20I, etc., qui se trouvent aux intersections des conducteurs de rangée et des conducteurs de colonne. Chacun des conducteurs de rangée correspond à une couche de métallisation 4, comme on l'a expliqué ci-dessus en 5 relation avec la Fig. 2, et chacun des conducteurs de colonne
correspond à une couche de métallisation 5.
Une pluralité de commutateurs de contact de rangée 21 sont reliés respectivement aux conducteurs de rangée 11,..., 12, 13 et à la terre. De même, une autre pluralité de commutateurs 22 sont reliés respectivement aux conducteurs de colonne 14, 15,..., 16 et à
l'entrée d'un circuit de détection 23.
Le circuit de détection comprend, de préférence, un ampli5 ficateur différentiel 24 dont l'entrée inverseuse est reliée à un noeud réunissant une borne commune de chacun des commutateurs 22, et dont l'entrée noninverseuse est reliée à la masse. Un résistor de réaction 25 est connecté entre la sortie de l'amplificateur différentiel 24 et son entrée inverseuse, et un résistor de sortie 26 entre la 10 sortie de l'amplificateur différentiel 24 et la masse. De plus, la sortie de l'amplificateur 24 est reliée à une borne de sortie vidéo
pour transmettre un signal de sortie vidéo produit.
Dans un prototype de réseau satisfaisant, le résistor de
réaction 25 et le résistor de sortie 26 avaient respectivement des 15 valeurs de 1 mégohm et de 50 ohms.
Un circuit à commande numérique 30 est relié respectivement aux commutateurs de rangée et de colonne 21 et 22 pour fermer des paires successives de commutateurs de rangée et de colonne, afin d'adresser
des éléments de diode particuliers.
En fonctionnement, quand une paire prédéterminée de commutateurs
de rangée et de colonne sont fermés, un élément de diode prédéterminé de 20A à 20I est adressé, de sorte que sa borne d'anode est reliée à la masse par l'intermédiaire du connecteur 21 correspondant et que sa borne de cathode est reliée au détecteur 23 par le commutateur 22 25 correspondant.
La quantité de courant produit optiquement est mesurée par le détecteur 23. Elle est proportionnelle à la quantité de lumière absorbée par l'élément de diode adressé. Des éléments de diode successifs sont adressés par l'intermédiaire du circuit de commande -O 30, de sorte qu'un signal de sortie vidéo est produit par le détecteur 23, qui correspond à la quantité de lumière rencontrant les divers
éléments du réseau à diodes 10.
En résumé, l'élément de diode photosensible selon la présente invention et le réseau qui en résulte sont caractérisés par une B5 simplicité de fabrication et de structure, un adressage direct de
chaque élément au moyen, par exemple, de registres à décalage, et une plage dynamique importante ( aux alentours de 1:10 000 en pratique).
De plus, il se trouve que la sensibilité de a-Si:H au bleu et à l'ultraviolet est supérieure à celle du silicium cristallin, On peut accorder la sensibilité maximale à différentes fréquences et maximiser la surface photosensible de chaque élément, pour une géométrie d'élément donnée, du fait que la couche de métallisation 4 est configurée pour présenter une pluralité d'ouvertures et que la couche
de métallisation 5 s'étend sous l'élément.
En pratique, les éléments du réseau 10 sont isolés, comme le montre la Fig. 2, et le problème de diaphonie entre éléments voisins qui caractérise les dispositifs à transfert de charge connus est ainsi 10 surmonté. Tel qu'il est utilisé dans le réseau 10, l'élément de diode photosensible fonctionne en mode courant dans lequel la diode est
chargée ce qui entraIne une réponse très linéaire.
Un homme du métier ayant pris connaissance de l'invention peut concevoir des variantes. De telles variantes sont considérées comme 15 faisant partie de la sphère et du domaine de la présente invention,
tels que définis dans les revendications jointes.
Claims (12)
1) Elément de diode photosensible, caractérisé en ce qu'il comprend une première couche de type n en silicium amorphe hydrogéné (1) formant une cathode, et une seconde couche en matériau de type p+ (2) formant une anode, ladite seconde couche (2) recouvrant ladite 5 première couche (1) et étant transparente à l'énergie optique, afin qu'au moins ladite première couche (1) devienne fortement conductrice
quand elle est exposée à ladite énergie optique.
2) Elément de diode photosensible selon la revendication 1,
caractérisé en ce que ladite seconde couche (2) est en matériau de 10 type p+ implanté dans ladite première couche (1).
3) Elément de diode photosensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde couche (2) est en métal transparent pour former une barrière de Schottky dans la jonction
séparant lesdites première et seconde couches (1, 2).
4) Elément de diode photosensible selon l'une des revendications
1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend encore une première couche de métallisation (5) formant un contact de cathode sous ladite première couche (1), et une seconde couche de métallisation (4) formant un contact d'anode qui recouvre ladite seconde couche (2) et 20 présente une op plusieurs ouvertures pour exposer lesdites première et
seconde coucheg (1, 2) à l'énergie optique.
) Elément de diode photosensible selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend encore une couche de verre (3) dopé
au phosphore recouvrant ladite seconde couche (2).
6) Elément de diode photosensible selon l'une des revendications
1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend encore une couche support
inférieure en oxyde sous lesdites première et seconde couches (1, 2).
7) Elément de diode photosensible selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend encore une couche support 30 inférieure en verre (8) dopé au phosphore sous lesdites première et
seconde couches (1, 2).
8) Réseau de diodes photosensibles comprenant une pluralité d'éléments de diode photosensibles (20A à 20I) selon. la revendication 1, caractérisé en ce que ces derniers sont disposés dans une matrice 35 comprenant une première pluralité de conducteurs de colonne (14, 15, 16) et une seconde pluralité de conducteurs de rangée (11,.. 12, 13) recouvrant lesdits conducteurs de colonne, chaque élément de diode (20A à 20I) interconnectant un conducteur de colonne et un conducteur de rangée, la cathode de chaque élément de diode étant reliée au conducteur de colonne correspondant et l'anode au conducteur
de rangée correspondant.
9) Réseau de diodes photosensibles selon la revendication 8,
caractérisé en ce qu'il comprend encore un moyen (21, 22, 30) pour adresser des éléments de diode particuliers par l'intermédiaire desdits conducteurs de rangée et de colonne, et un moyen détecteur (23) pour détecter la photoconduction dans lesdits éléments prédéter10 minés adressés et produire, en réponse, un signal de sortie vidéo.
) Réseau de diodes photosensibles selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit moyen d'adressage (21, 22, 30) comprend une première pluralité de commutateurs (21) pour connecter respectivement lesdits conducteurs de rangée (11, 12, 13) à la terre, et une 15 secondee pluralité de commutateurs (22) pour connecter respectivement lesdits conducteurs de colonne (14, 15, 16) audit moyen détecteur (23), et un circuit à commande numérique (30) pour fermer sélectivement des commutateurs prédéterminés de sorte que des éléments de diode prédéterminés soient successivement reliés en série à la terre et au
moyen détecteur, leur adressage étant ainsi effectué.
11) Réseau de diodes photosensibles selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit moyen détecteur (23) comprend un amplificateur différentiel inverseur (24) relié à ladite seconde pluralité de commutateurs (22), pour amplifier les signaux de courant 25 produits par les éléments de diode illuminés du fait de la
photoconduction, et produire en réponse ledit signal de sortie vidéo.
12) Méthode de fabrication d'un élément de diode photosensible, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: (a) déposer et graver une première couche de métallisation (5), (b) déposer et graver une couche de type n en silicium amorphe hydrogéné (1) sur ladite couche de métallisation (5), pour former une partie cathode dudit élément de diode, (c) implanter un matériau p+ dans des parties prédéterminées de ladite couche de type n (1), pour former une partie anode dudit élément de diode, (d) déposer et graver une deuxième couche de métallisation (4) pour relier auxdites parties p+ implantées, et te) former des connexions entre lesdites première et seconde couches de métallisation (5, 4) et des contact de cathode et
d'anode externes, respectivement.
13) Méthode selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle 5 comprend encore la phase de déposer et de graver une couche en polysilicium n+ (6) avant de déposer ladite première couche dé métallisation (5), afin de former un contact ohmique entre ladite première
couche et ladite couche de type n.
14) Méthode selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce 10 qu'elle comprend encore les phases de déposer et graver une seconde
couche de métallisation (7) sur ladite couche de type n (1), afin de former entre une barrière de Schottky, déposer une couche de verre (8) dopé au phosphore sur les parties exposées desdites couches précédemment déposées, et de former des contacts à travers ledit verre pour 15 interconnecter lesdites première et seconde couches de métallisation.
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