FR3091024A1 - Photodiode à avalanche à photon unique - Google Patents

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Abstract

Photodiode à avalanche à photon unique La présente description concerne une photodiode (1) comprenant une première partie en silicium (10) et une deuxième partie en germanium dopé (20) reposant sur et en contact avec la première partie, la première partie comportant un empilement d'une première région (101) et d'une deuxième région (102) formant une jonction PN (103) et le niveau de dopage du germanium augmentant en s'éloignant de la jonction PN. Figure pour l'abrégé : Fig. 1

Description

Description
Titre de l'invention : Photodiode à avalanche à photon unique
Domaine technique
[0001] La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques, et plus particulièrement les photodiodes à avalanche à photon unique ou photodiodes SPAD (Single-Photon Avalanche Diode).
Technique antérieure
[0002] Les photodiodes SPAD comprennent une jonction PN polarisée en inverse à une tension supérieure à la tension de claquage, ou tension d'avalanche, de la jonction. A cette tension de polarisation, le champ électrique autour de la jonction PN est suffisant pour qu'un porteur photogénéré atteignant la zone de charge d'espace, ou zone déplétée, de la jonction, déclenche un phénomène d'avalanche se traduisant par une augmentation du courant dans la photodiode.
[0003] Les photodiodes SPAD sont utilisées comme photodétecteurs. En particulier, elles permettent de détecter la réception d'un unique photon par la photodiode.
Résumé de l’invention
[0004] Il existe un besoin d'une photodiode SPAD palliant tout ou partie des inconvénients des photodiodes SPAD connues.
[0005] En particulier, il existe un besoin d'une photodiode SPAD adaptée à la détection de photon dans le proche infra-rouge, par exemple entre environ 950 nm et environ 1500 nm, de préférence entre 950 nm et 1500 nm.
[0006] Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des photodiodes SPAD connues, en particulier des photodiodes SPAD adaptées à une détection dans le proche infra-rouge.
[0007] Un mode de réalisation prévoit une photodiode SPAD adaptée à une détection dans le proche infra-rouge, dans laquelle le bruit est plus faible que dans des photodiodes SPAD connues adaptées à une détection dans le proche infra-rouge
[0008] Un mode de réalisation prévoit une photodiode SPAD adaptée à une détection dans le proche infra-rouge et dont le procédé de fabrication est compatible avec les procédés de fabrication usuels utilisés en technologie CMOS.
[0009] Un mode de réalisation prévoit une photodiode SPAD adaptée à une détection dans le proche infra-rouge, fonctionnant à une tension de polarisation compatible avec des applications portables, par exemple à une tension de polarisation inférieure à 20 V.
[0010] Ainsi, un mode de réalisation prévoit une photodiode comprenant une première partie en silicium et une deuxième partie en germanium dopé reposant sur et en contact avec la première partie, la première partie comportant un empilement d'une première région et d'une deuxième région formant une jonction PN et le niveau de dopage du germanium augmentant en s'éloignant de la jonction PN.
[0011] Selon un mode de réalisation, la première région est dopée d'un premier type de conductivité et la deuxième région est dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, la deuxième région reposant sur et en contact avec la première région et le germanium étant dopé du deuxième type de conductivité.
[0012] Selon un mode de réalisation, la deuxième partie en germanium repose sur et en contact avec la deuxième région de la première partie.
[0013] Selon un mode de réalisation, la première partie comporte en outre une couche dopée du premier type de conductivité, disposée dans la deuxième région, sous et en contact avec la deuxième partie.
[0014] Selon un mode de réalisation, des niveaux de dopage de la première partie en silicium sont déterminés pour que, à une tension donnée de polarisation de la photodiode supérieure à la tension d'avalanche de la jonction PN, la deuxième région soit déplétée sur toute son épaisseur entre la jonction PN et le germanium.
[0015] Selon un mode de réalisation, les niveaux de dopage sont en outre déterminés pour que, à la tension donnée de polarisation, le germanium ne soit pas dépiété.
[0016] Selon un mode de réalisation, les niveaux de dopage sont en outre déterminés de sorte que, à la tension donnée de polarisation, au niveau d'une face de la première partie sur laquelle repose la deuxième partie, l'interface entre les première et deuxième parties soit déplétée.
[0017] Selon un mode de réalisation, les niveaux de dopage sont en outre déterminés de sorte que, à la tension donnée de polarisation, une barrière de potentiel correspondant à une hétérojonction entre les première et deuxième parties soit supprimée.
[0018] Selon un mode de réalisation, la deuxième partie remplit une cavité s'étendant dans la deuxième région de la première partie.
[0019] Selon un mode de réalisation, la première partie comprend en outre une région annulaire plus fortement dopée du deuxième type de conductivité que la deuxième région, la région annulaire entourant la deuxième partie au niveau du fond de la cavité.
[0020] Un autre mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'une photodiode telle que définie ci-dessus, le procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) former une première région en silicium dopé d'un premier type de conductivité ; b) former, sur et en contact avec la première région, une deuxième région en silicium dopé d'un deuxième type de conductivité ; et c) former du germanium par épitaxie à partir de la deuxième région et doper le germanium du deuxième type de conductivité de sorte que le niveau de dopage du germanium augmente quand on s'éloigne d'une jonction PN formée par les première et deuxième régions.
[0021] Selon un mode de réalisation, l'étape c) comprend les étapes successives suivantes :
cl) graver une cavité dans la deuxième région; et c2) former du germanium par épitaxie à partir de la deuxième région de manière à remplir ladite cavité.
[0022] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, entre les étapes b) et c), une étape de dopage d'une partie de la deuxième région pour y former une région annulaire plus fortement dopée du deuxième type de conductivité que la deuxième région, la région annulaire étant destinée à être en contact avec et entourer le germanium au fond de la cavité.
[0023] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, avant la formation du germanium par épitaxie, une étape de dopage de la deuxième portion pour former une couche dopée du premier type de conductivité destinée à être intercalée entre la deuxième portion dopée du deuxième type de conductivité et le germanium.
[0024] Selon un mode de réalisation, à l'étape a), la première région est formée dans un substrat en silicium, l'étape b) comprenant les étapes successives suivantes : bl) former une couche de silicium par épitaxie à partir du substrat ; et b2) former la deuxième région en dopant du deuxième type de conductivité une portion de la couche de silicium épitaxié reposant sur et en contact avec la première région.
Brève description des dessins
[0025] Ces 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 :
[0026] [fig.l] la figure 1 représente, de manière très schématique et en coupe, un mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
[0027] [fig.2] la figure 2 représente, de manière très schématique et en coupe, un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD ;
[0028] [fig.3] la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une structure à une étape d'un exemple de mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une photodiode SPAD du type de celle décrite en relation avec la figure 1 ;
[0029] [fig.4] la figure 4 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 3 à une étape suivante du procédé de fabrication ;
[0030] [fig.5] la figure 5 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4 à une étape suivante du procédé de fabrication ;
[0031] [fig.6] la figure 6 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 5 à une étape suivante du procédé de fabrication ;
[0032] [fig.7] la figure 7 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 6 à une étape suivante du procédé de fabrication ; et
[0033] [fig.8] la figure 8 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 7 à une étape suivante du procédé de fabrication.
Description des modes de réalisation
[0034] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0035] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, une photodiode SPAD est généralement associée à un circuit d'extinction (quenching circuit) permettant de stopper l'effet d'avalanche avant que la photodiode ne soit détruite en réduisant la tension aux bornes de la photodiode en dessous de la tension de claquage, le circuit d'extinction permettant également de ramener ensuite la tension aux bornes de la photodiode à une valeur permettant une détection d'un photon par effet d'avalanche. Les différents circuits d'extinction n'ont pas été décrits, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les circuits d'extinction usuels. En outre, les applications et les circuits électroniques, notamment intégrés, dans lesquels sont prévues des photodiodes SPAD n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles et les circuits électroniques usuels dans lesquels sont prévues des photodiodes SPAD.
[0036] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.
[0037] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes avant, arrière, haut, bas, gauche, droite, etc., ou relative, tels que les termes dessus, dessous, supérieur, inférieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal, vertical, etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.
[0038] Sauf précision contraire, les expressions environ, approximativement, sen5 siblement, et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0039] Dans la description qui suit, on considère qu'une région semiconductrice est déplétée lorsque la concentration en porteurs de charge dans cette région est par exemple inférieure à 1010 cm 3.
[0040] La figure 1 représente, de manière très schématique et en coupe, un mode de réalisation d'une photodiode SPAD 1.
[0041] La photodiode 1 comprend une partie 10 en silicium surmontée d'une partie 20 en germanium. La partie 20 en germanium repose sur et en contact avec la partie 10 en silicium.
[0042] La partie 10 en silicium comprend une région 101 dopée d'un premier type de conductivité, dans cet exemple de type N. A titre d'exemple, la région 101 est une portion d'une couche de silicium dopée de type N. La partie 10 en silicium comporte en outre une région 102 dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type, dans cet exemple de type P. A titre d'exemple, la région 102 est une portion d'une couche de silicium dopée de type P.
[0043] La région 102 repose sur et en contact avec la région 101. Les régions 101 et 102 forment ainsi une jonction PN 103. La tension de claquage Vb de la jonction PN 103 est déterminée par les niveaux de dopage des régions 101 et 102.
[0044] Dans ce mode de réalisation, la partie 20 en germanium repose sur et en contact avec la région 102 en silicium.
[0045] La partie 20 en germanium est dopée du deuxième type de conductivité, dans cet exemple de type P. En outre, le niveau de dopage du germanium 20 augmente en s'éloignant de la jonction PN 103. Ainsi, en figure 1, la partie 20 en germanium est plus fortement dopée en haut qu'en bas.
[0046] Lorsqu'un photon atteint la partie 20 en germanium et y génère une paire électrontrou, le porteur de charge photogénéré qui est minoritaire par rapport au type de dopage du germanium 20, dans cet exemple l'électron de la paire électron-trou, est guidé vers la partie 10 du fait que le niveau de dopage de la partie 20 en germanium augmente quand on s'éloigne de la jonction PN 103.
[0047] En outre, la prévision d'une partie 20 en germanium plutôt qu'en silicium permet d'augmenter la probabilité qu'un photon dans le proche infra-rouge atteignant la partie 20 entraîne la création d'une paire électron-trou conduisant à un phénomène d'avalanche.
[0048] En fonctionnement, une tension de polarisation Vp est appliquée entre des première et deuxième bornes (non représentées) de la photodiode afin de polariser la jonction PN 103 en inverse. La première borne de la photodiode 1 est électriquement reliée, par exemple connectée, à la partie 20 en germanium, de préférence à une portion de la partie 20 disposée du côté opposé à la partie 10, et la deuxième borne de la photodiode est électriquement reliée, par exemple connectée, à la région 101 de la partie 10. [0049] Dans un état initial ou de repos, c'est-à-dire avant qu'un photon ne déclenche un phénomène d'avalanche dans la photodiode 1, la tension Vp a une valeur donnée égale à la tension de claquage Vb de la jonction 103 plus une tension d'excès Vex, pour placer la photodiode 1 en mode Geiger ou SPAD.
[0050] A cette tension Vp, les niveaux de dopage des régions 101 et 102 en silicium sont choisis pour que, au repos, la zone de charge d'espace de la jonction PN 103 atteigne la partie 20 en germanium sans pour autant s'étendre dans cette partie 20. Autrement dit, les niveaux de dopage des régions 101 et 102 sont choisis de sorte que, à cette tension Vp, la région 102 de la partie 10 en silicium soit déplétée sur toute son épaisseur entre la jonction PN 103 et le germanium 20, sans que le germanium ne soit pas dépiété.
[0051] Il en résulte que le champ électrique dans la zone de charge d'espace de la jonction PN ne pénètre pas dans le germanium. En outre, du fait que la zone de charge d'espace de la jonction PN 103 s'étend jusqu'au germanium de la partie 20, l'interface entre le germanium 20 et le silicium 10 est déplétée. On considère ici que l'interface germanium-silicium est déplétée quand la barrière de potentiel correspondant à l'hétérojonction entre le germanium 20 et le silicium 10 qui s'opposerait au passage, vers la partie 10, d'un électron photogénéré dans la partie 20, est supprimée. Dit autrement, les niveaux de dopage des régions 101 et 102, et éventuellement du germanium 20, sont choisis pour que, à la tension Vp de repos, l'interface soit déplétée et la barrière correspondant à l'hétérojonction soit supprimée.
[0052] Lorsqu'un photon dans le proche infra-rouge atteint la partie 20 en germanium et y génère une paire électron-trou, l'électron photogénéré est guidé en direction de la jonction PN 103, jusqu'à la partie 10, par la variation progressive du niveau de dopage dans le germanium 20 de sorte qu'il atteint la zone de charge d'espace de la jonction PN 103 où il provoque un phénomène d'avalanche. Il en résulte une augmentation du courant circulant entre les première et deuxième bornes de la photodiode 1, traduisant la réception d'un photon par la photodiode 1, et plus particulièrement par sa partie 20 en germanium.
[0053] Un circuit d'extinction non représenté permet alors de réduire la tension Vp à une valeur inférieure à celle de la tension Vb, de sorte que le phénomène d'avalanche s'arrête. Puis ce même circuit d'extinction permet de rétablir la valeur de repos de la tension Vp de sorte que la photodiode 1 est prête pour détecter un autre photon.
[0054] On aurait pu penser remplacer la partie 20 en germanium dopé graduellement par du germanium non dopé (intrinsèque). Toutefois, pour qu'un électron photogénéré dans le germanium puisse initier un phénomène d'avalanche, il aurait alors été nécessaire que la zone de charge d'espace de la jonction PN pénètre dans le germanium intrinsèque, et donc s'étende sur toute l'épaisseur du germanium intrinsèque. Cela aurait conduit à la présence d'un champ électrique dans toute l'épaisseur du germanium. Ce champ électrique aurait entraîné une augmentation du bruit par rapport au cas de la photodiode 1 de la figure 1, c'est-à-dire une augmentation de la probabilité qu'un porteur de charge parasite soit généré dans la portion 20 en germanium sans qu'un photon n'ait été reçu.
[0055] Par ailleurs, on aurait pu penser remplacer la jonction PN 103 de la partie 10 en silicium par une jonction de type PiN en intercalant une zone non dopée entre les régions 101 et 102. Toutefois, par rapport à une jonction PN, une jonction PiN a une tension de claquage plus élevée ce qui n'est pas souhaitable dans des applications portables ou mobiles où l'on cherche à minimiser la consommation électrique.
[0056] La figure 2 représente, de manière très schématique et en coupe, un autre mode de réalisation d'une photodiode SPAD 2.
[0057] La photodiode 2 comprend les mêmes éléments que la photodiode 1, désignés par les mêmes références. La photodiode 2 diffère de la photodiode 1 en ce qu'une couche ou une portion de couche 104 dopée du type de conductivité opposé à celui de la région 102, ici le type N, est prévue dans la partie 10 en silicium. La couche 104 est intercalée entre la partie 20 et la région 102 avec lesquelles elle est en contact. La couche 104 s'étend sous tout ou partie de la surface de contact entre les parties 10 et 20. Dans cet exemple, la couche 104 est disposée, ou s'étend, dans la région 102, sous et en contact avec la partie 20 en germanium.
[0058] La prévision de la couche 104 permet de supprimer la barrière de potentiel, dans cet exemple pour les électrons photogénérés guidés de la partie 20 vers la partie 10, correspondant à l'hétérojonction entre le germanium 10 et le silicium de la région 102.
[0059] Les niveaux de dopage des régions 101 et 102 et de la couche 104 sont déterminés de manière similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1. Plus précisément, ces niveaux de dopage sont choisis de sorte que, à la tension Vp de repos, la région 102 est déplétée sur toute son épaisseur entre la jonction 103 et le germanium 20, l'interface entre le germanium 20 et le silicium 10 étant déplétée sans que le germanium ne soit dépiété.
[0060] Bien que la prévision de la couche 104 crée, dans cet exemple pour les électrons photogénérés guidés de la partie 20 vers la partie 10, une barrière de potentiel supplémentaire correspondant à Injonction entre la couche 104 et la région 102, cette barrière est supprimée lorsque la photodiode est polarisée à sa tension Vp de repos du fait que la région 102 est déplétée de Injonction PN 103 jusqu'à la couche 104.
[0061] Selon un exemple particulier de réalisation, dans les photodiodes 1 et 2 décrites cidessus :
-l'épaisseur de la partie 20 en germanium est par exemple comprise entre 300 nm et 600 nm ;
-l'épaisseur de la région 102, entre Injonction PN 103 et le germanium 20, est par exemple comprise entre 450 nm et 600 nm ;
- l'épaisseur de la couche 104, lorsqu'elle est prévue, est par exemple comprise entre 8 nm et 20 nm ;
- le niveau de dopage de la partie 20 en germanium est par exemple d'environ l*1018 at.cm3 au niveau de sa face inférieure en contact avec la partie 10, et augmente par exemple jusqu'à environ 5*1019 at.cm 3 au niveau de sa face supérieure ;
- le niveau de dopage de la région 102 est par exemple d'environ 1,2* 1017 atcrn3 ;
-le niveau de dopage de la région 101 est par exemple d'environ l*1018 at.cm 3 ; et -le niveau de dopage de la couche 104, lorsqu'elle est prévue, est par exemple d'environ 5*1016 at.cm 3.
[0062] Pour cet exemple particulier de réalisation, la tension de claquage de la jonction PN est de l'ordre de 17,5 V, la tension d'excès Vex permettant de placer la photodiode en mode Geiger ou SPAD et de dépléter la région 102 de la façon décrite précédemment étant par exemple de l'ordre de 2 V.
[0063] Bien entendu, la présente description ne se limite pas à cet exemple particulier de réalisation. En effet, à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus, l'homme du métier est en mesure de déterminer les épaisseurs et/ou les niveaux de dopages de la partie 20 et des diverses régions ou couches de la partie 10 en fonction d'une tension de polarisation Vp au repos visée.
[0064] Un exemple d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un exemple d'une photodiode 2 va maintenant être décrit en relation avec les figures 3 à 8. Les divers masques utilisés, par exemple lors d'étapes de gravure ou de dopage, n'ont pas été détaillés pour ne pas alourdir la description, l'homme du métier étant en mesure de déterminer les matériaux et les formes de ces masques à partir de la description du procédé faite ci-dessous.
[0065] La figure 3 est une vue en coupe schématique d'une structure à une étape du procédé de fabrication.
[0066] A cette étape, un substrat en silicium 300 est dopé, ici de type N, pour y former la région 101. La région 101 s'étend dans le substrat 300 à partir de sa face supérieure.
[0067] Dans cet exemple, lors de l'étape de dopage, une partie seulement de la surface supérieure du substrat 300 est exposée de sorte que la région 101 forme un caisson dopé dans le substrat. A titre d'exemple, en vue de dessus non représentée, la région 101 a la forme d'un carré ayant des côtés par exemple d'environ 13 pm. L'épaisseur et/ou le niveau de dopage de la région 101 peuvent être ceux indiqués précédemment à titre d'exemple.
[0068] En variante, toute la surface supérieure du substrat est exposée de sorte que la région 101 forme une couche dopée sous toute la surface supérieure du substrat.
[0069] La figure 4 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 3 à une étape suivante du procédé de fabrication.
[0070] A cette étape, une couche de silicium 400 est formée par épitaxie à partir du substrat 300. L'épaisseur de la couche 400 est par exemple comprise entre 750 nm et 1,2 pm.
[0071] La couche 400 est ensuite dopée, dans cet exemple de type P, pour y former la région 102. La région 102 s'étend ou pénètre sur toute l'épaisseur de la couche 400 de sorte qu'elle forme la jonction PN 103 avec la région 101. La région 102 est par exemple formée dans une partie seulement de la couche 400 reposant sur la région 101. De préférence, la région 101 s'étend au-delà des bords latéraux de la région 102.
[0072] A titre d'exemple, en vue de dessus non représentée, la région 102 a la forme d'un carré ayant des côtés par exemple d'environ 8 pm. De préférence, en vue de dessus, le carré formé par la région 101 et le carré formé par la région 102 sont concentriques. L'épaisseur et/ou le niveau de dopage de la région 101 peuvent être ceux indiqués précédemment à titre d'exemple.
[0073] Dans ce mode de réalisation, on prévoit en outre que le germanium 20 soit entouré d'une région annulaire 401 (en vue de dessus non représentée) optionnelle, disposée dans la région 102, et étant plus fortement dopée de type P que la région 102. La région 401 est destinée à être en contact avec les bords latéraux de la partie 20 en germanium, au niveau de la face inférieure de la partie 20, c'est-à-dire la face du germanium traversée par les porteurs photogénérés. La région 401 est par exemple formée par dopage de la région 102, par exemple par implantation dite profonde de dopants dans la région 102, à l'emplacement où l'on souhaite former la région 401.
[0074] La figure 5 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 4 à une étape suivante du procédé de fabrication.
[0075] Dans cet exemple de mode de réalisation, des régions de prise de contact 500 avec la région 101 sont formées dans la couche 400, en dopant la couche 400 de type N sur toute son épaisseur à l'emplacement souhaité des régions 500. De préférence, les régions 500 sont plus fortement dopées de type N que la région 101.
[0076] Dans ce mode de réalisation, une structure annulaire isolante électriquement 501, ici une tranchée isolante peu profonde ou STI (Shallow Trench Isolation) est formée à partir de la surface de la couche 400, autour de la région 102. Dans cet exemple, la tranchée isolante 501 n'est pas en contact avec la région 102. Dans cet exemple de réalisation, des ouvertures 502 sont prévues dans la tranchée isolante 501 pour que les régions 500 débouchent, à travers ces ouvertures, au niveau de la surface supérieure de la couche 400.
[0077] Dans ce mode de réalisation, on prévoit une étape optionnelle de passivation de la surface supérieure de la région 102. Lors de cette étape, une couche 503 fortement dopée de type P est formée au niveau de toute la surface supérieure de la région 102, la couche 503 s'étendant dans cet exemple jusqu'à tranchée isolante 501. A titre d'exemple, la couche 503 est formée lors d'une étape de dopage par implantation. La présence d'une telle couche 503 permet de limiter la génération parasite de porteurs de charges au niveau de la surface supérieure de la région 102.
[0078] La figure 6 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 5 à une étape suivante du procédé de fabrication.
[0079] A cette étape, une cavité 600 est gravée dans la région 102. A titre d'exemple, en vue de dessus non représentée, la cavité 600 a la forme d'un carré ayant des côtés par exemple d'environ 6 pm. La cavité 600 ne pénètre la région 102 que sur une partie de son épaisseur. Plus particulièrement, la profondeur de la cavité 600 est de préférence telle que l'épaisseur laissée en place de la région 102, entre le fond de la cavité 600 et la jonction PN 103, correspond à une épaisseur déterminée par les niveaux de dopages et la tension Vp de repos de la photodiode de manière à obtenir le fonctionnement décrit précédemment.
[0080] Dans ce mode de réalisation comprenant la région 401, les dimensions de la cavité 600 et de la région 401 sont choisies de sorte que la région 401 s'étende jusqu'aux parois latérales de la cavité. En outre, la profondeur à laquelle est formée la région 401 à l'étape décrite en relation avec la figure 4 est telle que le fond de la cavité 600 est de préférence à un niveau intermédiaire de la région 401.
[0081] Dans ce mode de réalisation, la photodiode fabriquée est du type de celle de la figure 2 et la couche 104 est formée au fond de la cavité 600, par dopage de la région 102. De préférence, comme cela est représenté ici, la couche 104 ne s'étend pas jusqu'aux parois latérales de la cavité 600. Dans le cas non illustré où la photodiode fabriquée est du type celle de la figure 1, cette étape de formation de la couche 104 est omise.
[0082] La figure 7 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 6 à une étape suivante du procédé de fabrication.
[0083] A cette étape, la partie 20 en germanium est formée dans la cavité 600 de manière à remplir la cavité 600, voire à dépasser au-dessus de la face supérieure de la couche 400. Le germanium est formé par épitaxie sélective, uniquement dans la cavité 600. Pour cela, le masque (non représenté) utilisé à l'étape précédente pour la gravure de la cavité 600 peut être laissé en place lors de l'épitaxie du germanium.
[0084] La partie 20 en germanium est par exemple dopée in-situ lors de l'épitaxie. En variante, la partie 20 est dopée après sa formation dans la cavité 600.
[0085] La figure 8 est une vue en coupe schématique de la structure de la figure 7 à une étape suivante du procédé de fabrication.
[0086] A cette étape, une couche 800 optionnelle fortement dopée de type P a été formée dans la partie 20 en germanium, au niveau de toute la surface exposée de la partie 20. Cette couche 800 est une couche de passivation qui permet de réduire la génération parasite de porteurs de charge dans la partie 20 en germanium. Cette couche 800 sert également ici de prise de contact électrique.
[0087] Une couche 801 isolante de protection optionnelle est déposée sur toute la surface exposée de la partie 20 en germanium, la couche 801 débordant ici sur la portion 201, autour de la partie 20 en germanium. A titre d'exemple, la couche 801 est une couche de nitrure.
[0088] Une couche isolante 802 est déposée sur toute la structure, jusqu'à un niveau supérieur au niveau supérieur de la partie 20 en germanium, de manière à obtenir une structure dont la surface supérieure est plane. A titre d'exemple, la couche 802 est autoplanarisante, par exemple en oxyde de silicium contenant du phosphore PSG (Phosphorus Silicate Glass), et est déposée directement avec une face supérieure plane. Selon un autre exemple, une étape de planarisation mécano-chimique (CMP) est prévue après le dépôt de la couche 802.
[0089] Des vias conducteurs 803 sont ensuite formés à travers toute l'épaisseur de la couche 802, jusqu'aux régions 500 de prise de contact, de manière à connecter électriquement la région 101 à une première borne de la photodiode 2. De manière similaire, au moins un via conducteur 804 est formé à travers toute l'épaisseur de la couche 802 jusqu'à la partie 20 en germanium, de manière à connecter électriquement la partie 20 en germanium à une deuxième borne de la photodiode 2. Les vias 803 et 804 peuvent être formés simultanément.
[0090] Le procédé décrit ci-dessus est compatible avec les procédés de fabrication de circuit électronique en technologie CMOS.
[0091] Dans l'exemple particulier de mode de réalisation d'une photodiode 2, représenté en figure 8, lorsque la photodiode est polarisée à la tension Vp de repos, l'interface entre le silicium 10 et le germanium 20 est déplétée au niveau de la face inférieure du germanium, c'est-à-dire au niveau de la face de la partie 10 sur laquelle repose le germanium 20.
[0092] En outre, dans cet exemple de mode de réalisation d'une photodiode SPAD, un porteur de charge parasite, c'est-à-dire non photogénéré, peut se créer à l'interface verticale entre le germanium 20 et région 102 en silicium. La région 401 permet d'empêcher que ce porteur parasite atteigne la zone d'avalanche. Notamment, l'interface entre la région 401 et le germanium 20 est protégée de la déplétion du fait que la région 401 est plus fortement dopée de type P que la région 102 dans laquelle elle est située, ce qui permet de conserver la barrière de potentiel correspondant à l'hétérojonction entre la région 401 en silicium et le germanium 20.
[0093] La structure représentée en figure 8 peut être montée sur une puce de circuit intégré et être électriquement connectée à cette dernière en mettant en contact les extrémités des vias 803 et 804 avec des plots de connexion électrique de la puce de circuit intégré.
[0094] Ce qui est indiqué précédemment pour la photodiode de la figure 8 s'applique également lorsque la couche 104 est omise, c'est-à-dire quand la photodiode est du type de celle de la figure 1.
[0095] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à l’homme de l’art. En particulier, la façon dont la région 101 est connectée à un via 803 correspondant ne se limite pas à l'utilisation de régions 500 telles que décrites en relation avec la figure 5, le via 803 pouvant par exemple traverser la couche 400 jusqu'à la région 101. Par ailleurs, bien que l'on ait décrit ci-dessus à titre d'exemple des modes de réalisation de photodiodes SPAD dans lesquels l'effet d'avalanche est provoqué par un électron photogénéré, ces modes de réalisation peuvent être adaptés au cas où l'effet d'avalanche est provoqué par un trou photogénéré en inversant tous les types de conductivité.
[0096] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (1)

  1. Revendications [Revendication 1] Photodiode (1,2) comprenant une première partie en silicium (10) et une deuxième partie en germanium dopé (20) reposant sur et en contact avec la première partie, la première partie comportant un empilement d'une première région (101) et d'une deuxième région (102) formant une jonction PN (103) et le niveau de dopage du germanium augmentant en s'éloignant de la jonction PN. [Revendication 2] Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle la première région (101) est dopée d'un premier type de conductivité et la deuxième région (102) est dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, la deuxième région reposant sur et en contact avec la première région et le germanium (20) étant dopé du deuxième type de conductivité. [Revendication 3] Photodiode selon la revendication 2, dans laquelle la deuxième partie en germanium (20) repose sur et en contact avec la deuxième région (102) de la première partie (10). [Revendication 4] Photodiode selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la première partie (10) comporte en outre une couche (104) dopée du premier type de conductivité, disposée dans la deuxième région (102), sous et en contact avec la deuxième partie (20). [Revendication 5] Photodiode selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle des niveaux de dopage de la première partie en silicium (10) sont déterminés pour que, à une tension donnée de polarisation de la photodiode supérieure à la tension d'avalanche de la jonction PN (103), la deuxième région (102) est déplétée sur toute son épaisseur entre la jonction PN (103) et le germanium (20). [Revendication 6] Photodiode selon la revendication 5, dans laquelle les niveaux de dopage sont en outre déterminés pour que, à la tension donnée de polarisation, le germanium (20) ne soit pas dépiété. [Revendication 7] Photodiode selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle les niveaux de dopage sont en outre déterminés de sorte que, à la tension donnée de polarisation, au niveau d'une face de la première partie (10) sur laquelle repose la deuxième partie (20), l'interface entre les première et deuxième parties soit déplétée. [Revendication 8] Photodiode selon la revendication 7, dans laquelle les niveaux de dopage sont en outre déterminés de sorte que, à la tension donnée de polarisation, une barrière de potentiel correspondant à une hétérojonction
    entre les première (10) et deuxième (20) parties soit supprimée. [Revendication 9] Photodiode selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans laquelle la deuxième partie (20) remplit une cavité (600) s'étendant dans la deuxième région (102) de la première partie (10). [Revendication 10] Photodiode selon la revendication 9, dans laquelle la première partie (10) comprend en outre une région annulaire (401) plus fortement dopée du deuxième type de conductivité que la deuxième région (102), la région annulaire entourant la deuxième partie (20) au niveau du fond de la cavité (600). [Revendication 11] Procédé de fabrication d'une photodiode (1,2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant les étapes successives suivantes : a) former une première région (101) en silicium dopé d'un premier type de conductivité ; b) former, sur et en contact avec la première région, une deuxième région (102) en silicium dopé d'un deuxième type de conductivité ; et c) former du germanium (20) par épitaxie à partir de la deuxième région et doper le germanium du deuxième type de conductivité de sorte que le niveau de dopage du germanium augmente quand on s'éloigne d'une jonction PN (103) formée par les première et deuxième régions. [Revendication 12] Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'étape c) comprend les étapes successives suivantes : cl) graver une cavité (600) dans la deuxième région (102) ; et c2) former du germanium (20) par épitaxie à partir de la deuxième région de manière à remplir ladite cavité. [Revendication 13] Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre, entre les étapes b) et c), une étape de dopage d'une partie de la deuxième région (102) pour y former une région annulaire (401) plus fortement dopée du deuxième type de conductivité que la deuxième région, la région annulaire étant destinée à être en contact avec et entourer le germanium (20) au fond de la cavité (600). [Revendication 14] Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant en outre, avant la formation du germanium par épitaxie, une étape de dopage de la deuxième portion (102) pour former une couche (104) dopée du premier type de conductivité destinée à être intercalée entre la deuxième portion (102) dopée du deuxième type de conductivité et le germanium (20). [Revendication 15] Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel à l'étape a), la première région (101) est formée dans un substrat (300)
    en silicium, l'étape b) comprenant les étapes successives suivantes :
    bl) former une couche de silicium (400) par épitaxie à partir du substrat (300) ; et b2) former la deuxième région (102) en dopant du deuxième type de conductivité une portion de la couche de silicium épitaxié reposant sur et en contact avec la première région (101).
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