FR3000605A1 - Photocapteur adapte a la mesure de temps de vol - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une photodiode pincée comprenant une couche intermédiaire (11) d'un premier type de conductivité entre des couches inférieure (10) et supérieure (12) du deuxième type de conductivité, dans laquelle les couches inférieure et supérieure sont en silicium et la couche intermédiaire est en silicium-germanium.

Description

B12184 - 12-GR2-0290FR01 1 PHOTOCAPTEUR ADAPTÉ À LA MESURE DE TEMPS DE VOL Domaine de l'invention La présente invention concerne les photodétecteurs et plus particulièrement un photocapteur adapté à la mesure de temps de vol.

Exposé de l'art antérieur De nombreuses techniques permettant de réaliser des acquisitions d'images tridimensionnelles (3D) sont connues. Notamment, on connaît la technique de stéréovision qui consiste à faire deux acquisitions simultanées d'une même scène en deux points distincts. Le traitement de ces deux acquisitions permet d'obtenir une information de distance des objets de la scène. On connaît également les techniques dites de "temps de vol" ou TOF (de l'anglais Time Of Flight), ou encore "à mesure indirecte", qui proposent de corréler le temps d'aller-retour d'une onde vers un objet prédéterminé à la distance entre le dispositif d'acquisition et cet objet. Pour mettre en oeuvre ces techniques, diverses structures d'émetteur-récepteur ont été proposées. Les récepteurs utilisés comprennent généralement une matrice de pixels, chaque pixel détectant une information de distance d'objets en mettant en oeuvre la technique de "temps de vol".

B12184 - 12-GR2-0290FR01 2 La figure 1 présente des chronogrammes illustrant un principe de détection susceptible d'être utilisé dans des capteurs d'images tridimensionnelles mettant en oeuvre la technique à mesure indirecte (TOF).

Sur une première courbe est représenté un signal E d'émission d'une onde, et sur une deuxième courbe est représenté le signal R reçu par le dispositif de détection du signal E. En fonction de la distance entre l'émetteur-récepteur et l'objet détecté, et donc en fonction du temps d'aller-retour de l'onde 10 de l'émetteur vers l'objet puis vers le récepteur, les signaux E et R sont plus ou moins déphasés. Pour déterminer la distance à l'objet, deux fenêtres d'acquisition W1 et W2 sont prévues (illustrées par deux courbes W1 et W2 en figure 1). La première fenêtre d'acquisition W1 est ouverte (état 15 haut) lorsque le signal d'émission E est à l'état haut. La seconde fenêtre d'acquisition, W2, est de même largeur que la fenêtre W1 et est déphasée par rapport à W1 d'une durée égale à la largeur de Wl, c'est-à-dire que la fenêtre W2 est ouverte dès que le signal d'émission E est à l'état bas. 20 On notera que, en pratique, le front montant du signal E peut ne pas intervenir en même temps que le front descendant de la fenêtre W2. Il peut par exemple être prévu un rapport cyclique entre les fenêtres W1 et W2 différent de 0,5 pour réduire les problèmes liés à la dissipation thermique des 25 émetteurs lumineux (à LED ou laser). Si on appelle N1 et N2 le nombre d'électrons photogénérés et collectés respectivement dans les fenêtres W1 et W2 à la suite d'un grand nombre de cycles d'acquisition, la distance entre l'objet détecté et le système émetteur-récepteur 30 peut être par exemple déterminée en calculant le rapport entre N2 et la somme de N1 et N2. Pour obtenir une démodulation photonique de bonne qualité, un transfert rapide des informations du dispositif de réception vers un circuit électronique de traitement 35 d'information doit être réalisé. Des fréquences de transfert de B12184 - 12-GR2-0290FR01 3 charges photogénérées de l'ordre du gigahertz doivent être assurées pour obtenir un système d'acquisition d'image rapide (par exemple en temps réel, pour de la vidéo 3D). De plus, la sensibilité du dispositif de réception 5 doit être particulièrement élevée. Actuellement, les capteurs d'image connus ne permettent pas un fonctionnement à des fréquences élevées permettant une bonne sensibilité de détection. Ceci provient essentiellement de la difficulté de transférer des charges photogénérées à grande vitesse avec une 10 bonne efficacité de transfert. Ceci s'explique également par le fait que les longueurs d'onde généralement utilisées pour réaliser des mesures de temps de vol, TOF, font partie de la gamme du proche infrarouge, entre 750 et 950 nm, par exemple environ 850 nm. De 15 telles ondes ont l'inconvénient de générer, dans les substrats de silicium utilisés dans les capteurs d'image, des paires électrons-trous à des profondeurs importantes. Le transfert de telles charges photogénérées en profondeur dans le substrat est peu efficace, et encore plus lorsque l'on travaille avec des 20 structures planaires (structures communément utilisées à l'heure actuelle en technologie CCD ou CMOS par exemple). La figure 2, qui correspond à la figure 3 du brevet US 7067792 (B5666) illustre, en vue en coupe partielle et schématique, une réalisation sous forme monolithique de l'ensem- 25 ble d'une photodiode pincée (en anglais pinned photodiode) D et d'un transistor de transfert TR. Ces éléments sont réalisés dans une même zone active d'un substrat semiconducteur 1 d'un premier type de conductivité, par exemple de type P, faiblement dopé (P-). Ce substrat correspond par exemple à une couche épitaxiée 30 sur une plaquette de silicium qui forme un rail d'alimentation de référence GND. La zone active est délimitée par des zones d'isolement de champ 2 par exemple en oxyde de silicium (SiO2) et correspond à un caisson 3 de même type de conductivité que le substrat 1 sous-jacent, mais plus fortement dopé. Au-dessus de 35 la surface du caisson 3 est formée une structure de grille B12184 - 12-GR2-0290FR01 4 isolée 4 éventuellement munie d'espaceurs latéraux. De part et d'autre de la grille 4, à la surface du caisson 3, se trouvent des régions de source 5 et de drain 6 du type de conductivité opposé, par exemple N. La région de drain 6, à droite de la grille 4, est fortement dopée (Nt). La région de source 5 est réalisée sur une surface beaucoup plus importante que la région de drain 6 et forme avec le caisson 3 sous-jacent la jonction de la photodiode D. La grille 4 et le drain 6 sont solidaires de métallisations (non représentées) qui permettent de mettre en contact ces régions respectivement avec le signal de commande de transfert TR et avec un noeud S. La structure est complétée par des régions de type P 8 et 9 fortement dopées (P+). Les régions 8 et 9, sous-jacentes aux zones 2, sont connectées au potentiel de référence ou masse par l'intermédiaire du caisson 3 et du substrat 1. La photodiode D est du type dit pincé ou complètement déplété et comporte, à la surface de sa source 5, une région de type P 7, peu profonde et plus fortement dopée (P+) que le caisson 3. Cette région 7 est en contact latéral (vertical) avec la région 8. Elle est donc maintenue en permanence au niveau de tension de référence. Un capteur d'image tel que décrit ci-dessus, réalisé à partir d'un substrat de silicium, présente les inconvénients susmentionnés aux hautes fréquences et dans l'infrarouge liés à la difficulté de transférer des charges photogénérées à grande vitesse avec une bonne efficacité de transfert et à la profondeur importante de génération de paires électrons-trous dans les substrats de silicium dans la gamme du proche infrarouge. Ainsi, un besoin existe d'un dispositif permettant 30 d'obtenir une sensibilité de détection importante compatible avec les fréquences élevées nécessaires à une démodulation photonique de qualité. Résumé Un mode de réalisation de la présente invention 35 prévoit une photodiode pincée comprenant une couche intermé- B12184 - 12-GR2-0290FR01 diaire d'un premier type de conductivité entre des couches inférieure et supérieure du deuxième type de conductivité, dans laquelle les couches inférieure et supérieure sont en silicium et la couche intermédiaire est en silicium-germanium. 5 Selon un mode de réalisation, le premier type de conductivité est le type N. Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire est une couche épitaxiale. Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire 10 est une couche de silicium ayant subi une implantation de germanium. Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire est une couche de SixGel_x où x est compris entre 0,25 et 0,75. Selon un mode de réalisation, la couche intermédiaire 15 a une épaisseur comprise entre 300 et 800 nm. Un mode de réalisation prévoit un détecteur de temps de vol comprenant une photodiode telle que ci-dessus associée à deux portes de transfert fonctionnant en alternance. Brève description des dessins 20 Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, présente des 25 chronogrammes illustrant un principe de détection susceptible d'être utilisé pour obtenir des mesures de temps de vol ; la figure 2 est une vue en coupe d'un capteur d'image ; la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de 30 réalisation d'un capteur d'image adapté à des mesures de temps de vol ; et la figure 4 illustre un exemple de vue de dessus du capteur d'image de la figure 3.

B12184 - 12-GR2-0290FR01 6 Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 est une vue en coupe partielle illustrant un mode de réalisation d'une structure intégrée de capteur d'image rapide adapté, en particulier, à des mesures de temps de vol. Une photodiode est formée dans un substrat ou dans un caisson de type P 10. Elle comprend une couche 11 de type N surmontée d'une région fortement dopée de type P 12. La photodiode est séparée du reste du circuit intégré par une tranchée 14 remplie d'un isolant. Entre la région 11 de type N et la tranchée 14 se trouve une région dopée de type P, de préférence fortement dopée (P+), pour assurer la continuité électrique entre la région 12 et le substrat ou caisson 10. La photodiode est associée à des portes de transfert TG dont une seule est visible dans la vue en coupe. Chaque porte de transfert TG est, par exemple, constituée d'un transistor MOS dont la région N 11 constitue la source. Le transistor, quand il est à l'état passant, assure le transfert des charges contenues dans la région de source 11 vers une région de drain 15. La figure 4 représente un exemple de vue de dessus du dispositif de la figure 3. On a seulement représenté en pointillés le contour de la région N 11 et, par des blocs, des portes de transfert TG1 et TG2 adaptées à transférer les charges stockées dans la région 11 alternativement vers des régions de drain 15-1 et 15-2 pour obtenir un fonctionnement similaire à celui expliqué en relation avec la figure 1.

Une spécificité du dispositif de la figure 3 est que alors que le substrat ou caisson 10 et la région 12 sont en silicium, la région 11 est en silicium-germanium, SixGel_x, x étant compris entre 0,25 et 0,75 et de préférence voisin de 0,5. Une telle structure présente au moins deux avantages par rapport à une structure tout silicium.

B12184 - 12-GR2-0290FR01 7 Un premier avantage est que la mobilité des électrons est beaucoup plus élevée dans le silicium-germanium que dans le silicium pur, à niveau de dopage donné. Cette mobilité, exprimée en cm2/V.S est de l'ordre de 1500 pour du silicium, de 3300 pour 5 du Si0,5Ge0,5, de 7700 pour du Si0,25Ge0,75 et de 2100 pour du Si0,75Ge0,25- Ainsi, le fait de prévoir une couche 11 en silicium-germanium plutôt qu'en silicium multiplie d'une valeur pouvant aller sensiblement jusqu'à 5 fois la mobilité des électrons précisément dans la couche où l'on a besoin que ces 10 électrons se déplacent rapidement vers les portes de transfert. Un deuxième avantage de la prévision d'une couche de silicium-germanium plutôt que d'une couche de silicium est que le rendement quantique de conversion des photons, c'est-à-dire leur probabilité de créer des paires électrons-trous, est 15 nettement plus élevée dans le silicium-germanium que dans le silicium. Ainsi, les photons infrarouges (par exemple à une longueur d'onde voisine de 850 nm) seront nettement plus absorbés si la couche 11 est en silicium-germanium. Il en résulte un rendement supérieur de la photodiode et la 20 possibilité d'accumuler des électrons dans la couche 11 en des temps plus brefs. Divers procédés pourront être utilisés pour former la région ou portion de couche 11 de silicium-germanium fortement dopée de type N décrite précédemment. 25 Un premier procédé consiste à former une structure classique tout en silicium comme celle de la figure 2 puis à implanter du germanium à l'emplacement de la couche 11 et de procéder à un recuit. Un deuxième procédé consiste à réaliser la couche 11 30 par épitaxie sur le substrat 3. Après la création des transistors des portes de transfert et autres transistors MOS du circuit intégré, on pourra dégager les zones du substrat où on veut former cette couche 11 et procéder à un dépôt non sélectif de silicium-germanium. Ensuite, on pourra procéder à une 35 épitaxie de la couche 12 en silicium dopé de type P, après quoi B12184 - 12-GR2-0290FR01 8 les parties des couches 11 et 12 autres que celles constituant la photodiode seront éliminées par photolithogravure. D'autres procédés pourront être utilisés, par exemple des épitaxies sélectives.

La couche 11 de silicium-germanium pourra avoir une épaisseur de 200 à 700 nm, selon les technologies utilisées et les résultats recherchés. Ainsi, comme on l'a exposé précédemment, la prévision d'une couche de SiGe présente un double avantage du point de vue de la rapidité, d'une part un transfert plus rapide au moment de la commutation des portes de transfert, d'autre part une accumulation plus rapide des charges pendant des temps d'exposition courts. De plus, alors qu'un inconvénient des photodiodes à base de silicium-germanium est qu'elles présentent un courant d'obscurité plus élevé que les photodiodes à base de silicium, cet inconvénient n'en est pas un dans le cas de l'application à des photocapteurs utilisés à des mesures de temps de vol du type décrit en relation avec la figure 1. En effet dans une telle application, on procède à des mesures différentielles et la dispersion moyenne due au courant d'obscurité est éliminée. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on pourra utiliser une couche de silicium-germanium additionnée de carbone pour favoriser son élaboration.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Photodiode pincée comprenant une couche intermédiaire (11) d'un premier type de conductivité entre des couches inférieure (10) et supérieure (12) du deuxième type de conductivité, dans laquelle les couches inférieure et supérieure sont en silicium et la couche intermédiaire est en silicium-germanium.
2. 2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle le premier type de conductivité est le type N.
3. 3. Photodiode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche intermédiaire (11) est une couche épitaxiale.
4. 4. Photodiode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la couche intermédiaire (11) est une couche de silicium ayant subi une implantation de germanium.
5. 5. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la couche intermédiaire (11) est une 15 couche de SixGel_x où x est compris entre 0,25 et 0,75.
6. 6. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche intermédiaire (11) a une épaisseur comprise entre 300 et 800 nm.
7. 7. Détecteur de temps de vol comprenant une photodiode 20 selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 associée à deux portes de transfert (TG1, TG2) fonctionnant en alternance.