WO2012032495A1 - Photodetecteur et matrice de detection correspondante - Google Patents

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WO2012032495A1
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light radiation
photodetector
index
nanostructure
incident light
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PCT/IB2011/053953
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Salim Boutami
Laurent Frey
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the invention relates to the field of photodetectors and in particular those whose light radiation absorption structure is formed from a semiconductor material.
  • an imager comprises a plurality of photodetectors, each of them having an anti-reflection layer.
  • the size of the photodetectors is reduced.
  • the side of this section may be of the order of the wavelength of the operating light radiation of the photodetector.
  • the area of exposure to incident light radiation is therefore relatively small. It has been found that, in this case, because of the diffraction, the anti-reflection layer provided on the exposure surface of the photodetector is no longer sufficiently effective to penetrate the light radiation into the photodetector.
  • this portion rendered opaque can reach 60% of the exposure area of the photodetector.
  • the useful area of the exposure area is therefore relatively small.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks by proposing a photodetector intended for the detection of an incident light radiation in the visible and near infra-red range, comprising:
  • an absorption structure of the light radiation comprising a semiconductor material of index n i and having a surface of exposure to said incident light radiation and electrical connection means in contact with said structure for conveying a detection signal produced by this structure, in response to said light radiation,
  • means for focusing said light radiation are provided, said means being constituted by a single nanostructure, made of a material of index n 2 (the dimensions of which are less than the length wave of light radiation, in all directions of space.
  • the invention makes it possible to focus the light radiation in the useful zone of the photodetector, or else to concentrate the light radiation under the nanostructure and in a zone of small dimensions relative to the exposure surface of the photodetector.
  • these focusing means reduce the fraction of the incident light radiation that does not reach it.
  • the detection signal is larger and the photodetector is more efficient.
  • the nanostructure is made of a non-absorbent material.
  • the nanostructure is made of a material whose index n 2 is less than or equal to the index ni of the material constituting the absorption structure of the iuminous radiation and greater than that of the surrounding medium.
  • the photodetector also comprises a lens, disposed in the path of the incident light radiation, upstream of the focusing means.
  • the photodetector may also include a filter upstream of the focusing means, in the path of the light radiation.
  • the invention also relates to a matrix for detecting an incident light radiation comprising a plurality of pixel, each pixel structure comprising a photodetector according to the invention.
  • the detection matrix according to the invention also comprises reflecting means separating the pixel structures from each other and thus forming an optical barrier.
  • This configuration makes it possible to prevent a part of the light radiation diffused by the focusing means of a pixel structure from being sent to the neighboring pixel structures. This therefore makes it possible to avoid a loss in resolution of the image supplied by an imager including this detection matrix.
  • These reflecting means may consist of a dielectric material whose index n 4 is less than the index nor the material constituting the absorption structure of the light radiation.
  • They can also be made in combination of a dielectric material and a metallic material.
  • these reflective means also make it possible to provide electrical insulation between the pixel structures.
  • At least a portion of the pixel structures have focusing means of different dimensions, so as to detect light radiation of different wavelengths.
  • each pixel structure can be associated with a filter.
  • FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment of a photodetector according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of an exemplary embodiment of a detection matrix according to the invention.
  • Figure 1 illustrates a photodetector 1 according to the invention. It comprises a structure 10 for absorbing light radiation, made of a semiconductor material.
  • the semiconductor materials are chosen to cover a range of wavelengths located in the visible and near infra-red, that is to say between about 400 and 900 nm. This range of wavelengths is the working range of the photodetector according to the invention.
  • this structure 10 may be provided an intermediate layer 11 which may have the function of forming an etching stop layer, during the production of the nanostructure.
  • this layer 11 can be omitted.
  • index n3 is a uniform layer, made of a material of index n3 which is intermediate between the index n 2 of the material constituting the nanostructure and the index ni of the constituent material of the absorption structure.
  • the index n 3 may be equal to ni or n 2 .
  • This layer 11 may also constitute an anti-reflection layer.
  • the index n 3 is intermediate between ni and n 2 and can not be equal to ni or n 2 .
  • nanostructure 12 is provided.
  • This nanostructure 12 can be obtained by performing the following steps.
  • the first step consists in depositing directly on the structure 10 or on the layer 11 when it is provided, a layer of a material of index n 2 , this index being less than or equal to the index and the structure of absorption 10.
  • This layer of material of index n 2 is of the order of the operating wavelength of the photodetector.
  • the next step consists of a step of UV lithography, of electronic lithography or else of nanoimprint on resin and a step of dry etching, these two steps being carried out on the layer of material of index n 2 .
  • This etching step makes it possible to produce a nanostructure whose shape is chosen by the designer of the photodetector and not imposed by the method of obtaining.
  • This second step makes it possible to produce the nanostructure.
  • This nanostructure is unique, that is to say it has only one stud per photodetector.
  • the presence of a single nanostructure makes it possible to focus the light in a reduced area.
  • the photodetector 1 also comprises electrical connection means in contact with the structure 10 which are not illustrated in FIG. 1.
  • the nanostructure thus has the shape of a single stud, made of a single material.
  • the dimensions of this pad are less than the detection wavelength, which is between about 400 and 900 nm.
  • the width and the height of this pad is less than 900 nm.
  • This condition makes it possible to ensure effective focusing of the light radiation under the nanostructure.
  • the nanostructure 12 illustrated in Figure 1 has substantially the shape of a cube, without this being limiting.
  • the nanostructure 12 may have other shapes, for example a parallelepiped with a rectangular base, or a cylinder with a circular or elliptical base. However, to avoid any sensitivity to the polarization of the incident light radiation, cubic or cylindrical-shaped nanostructures with a circular base will be preferred.
  • the photodetector according to the invention distinguishes, in particular, the photodetector according to the invention from devices of the state of the art for which the light focusing structure consists of a nanowire obtained by axial epitaxy. The shape of the nanostructure is then imposed.
  • the index 3 ⁇ 4 of the material constituting the nanostructure is greater than the index of the surrounding medium, that is to say the medium located above and around the nanostructure.
  • This medium may be typically air or silica. This allows the nanostructure to focus the incident light radiation.
  • the materials used to make the nanostructure should not be absorbent. Indeed, the light radiation is intended to be absorbed by the structure 10 located under the nanostructure 12. It is therefore desirable to avoid absorption of the light radiation in the nanostructure, so as to limit losses.
  • the nanostructure will preferably be produced in the central part of the exposure surface 13 to the incident light radiation or in an area of this exposure surface 13 in which no electrical connection means is planned.
  • the structure and the embodiment of the photodetector are very simple because the nanostructure is made of a single material and can therefore be easily obtained from a layer of this material.
  • the realization of the nanostructure does not require the realization of pn junction because it is not designed to absorb light radiation. This is not the case for devices comprising a nanowire fulfilling both a waveguide function and a photodiode function.
  • the realization of the nanostructure does not require very deep engravings since its dimensions are all smaller than the wavelength. This is not the case for devices including a waveguide element made by filling a narrow and deep aperture formed in a dielectric layer. Indeed, obtaining a deep opening is difficult because the engraving often leads to a narrowing towards the bottom of the opening. In addition, the filling of the opening can lead to the formation of bubbles or cavities that are traps for the light.
  • a reflective layer on the surface of the photodetector 1, opposite to the exposure surface, may be provided a reflective layer.
  • FIG. 2 illustrates a detection matrix of a light radiation, in particular intended to be integrated in an imager.
  • This matrix comprises a plurality of pixel structures, a row of five structures being illustrated here.
  • Each pixel structure comprises a photodetector 1 to 5, in accordance with that described with reference to FIG. 1. However, none of them has an intermediate layer, such as layer 1.
  • Each of the photodetectors 1 to 5 therefore comprises, on its surface of exposure to the light radiation 13 to 53, a nanostructure 12 to 52.
  • each photodetector may be associated a filter 14 to 54.
  • upstream of the filter may be provided a microlens 15 to 55 which allows to focus coarse incident light.
  • the photodetectors 1 to 5 are separated by lateral trenches 6 to 9. These trenches can be filled with a suitable material, so as to constitute means reflective, constituting both an optical and electrical barrier. If no material is provided, it is the air that will fulfill this dual function.
  • optical barrier trenches it is possible to prevent a part of the light diffused by a photodetector from being transmitted to the neighboring photodetector. This configuration therefore makes it possible to gain in resolution of the image.
  • trenches 6 to 9 are conventionally produced by dry etching, for example, after UV lithography or electron beam lithography.
  • the trenches are filled with a dielectric material of index n 4 , the index n 4 being lower than the index nor of the absorption structure, so as to ensure electrical and optical insulation between the photodetectors.
  • the difference between the indices n1 and n is at least 0.25 in absolute value.
  • the trenches can also be filled by the combination of a dielectric material and metal, this combination comprising at least one alternation of these materials.
  • a planarization step can be performed so that the material forming the optical barrier is present only in the trenches.
  • the following materials, having a low index, can be used: SiO 2 , MgF 2 , Al 2 O 3 , SiOC, nanoporous SiOC or nanoporous silica.
  • the silicon used to fill the trenches will have an index ⁇ of 1, 5, while the index n- ⁇ of the absorption structure will be 3.5.
  • the thickness L of the trench must be sufficient to prevent the light from passing from one pixel structure to another by effect tunnel.
  • the thickness L preferably satisfies the following relation:
  • ⁇ is the wavelength of the incident light radiation. This relationship is valid when the material filling the trenches is air or a dielectric material.
  • the thickness of the metal is greater than the skin thickness, i.e. the thickness in which the light penetrates, for that the metal is opaque to light. It depends on the metal and the wavelength, but it is generally less than 100 nm. Moreover, when the metal thus provides optical isolation, the dielectric must ensure only the electrical insulation. Its thickness is not then defined by the previous relationship but must only be a few nanometers, usually at least 5 nm.
  • a first example relates to a photodetector according to the invention, the absorption structure of which has a substantially square section, with a 1 ⁇ m side and a height of 1.5 ⁇ m.
  • the photodetector has an exposure area whose useful area represents only 30% of this area. This photodetector corresponds for example to the situation where electrical connection means partially mask the exposure surface,
  • the nanostructure of this photodetector is made of TiO 2 whose index n 2 is 2.4.
  • the nanostructure has a height of 200 nm and its substantially square section has a side of 200 nm.
  • the surrounding medium is silica, with an index equal to 1.5.
  • the simulation carried out shows that, for a length of 650 nm, the percentage of the light radiation absorbed by the photodetector according to the invention is 29%.
  • This photodetector comprises an antireflection layer and is made of the same material and has the same dimensions as the photodetector according to the invention. However, well Of course, this photodetector does not include the nanostructure for focusing the light radiation.
  • the simulation shows that the percentage of the light radiation absorbed by this photodetector according to the state of the art is 18%.
  • the absorption gain is 11% in absolute value or 60% in relative value.
  • the useful area is the entire area of exposure to the light radiation.
  • the percentage of the light radiation absorbed by the photodetector is 30%.
  • a photodetector according to the invention comprising a n 2 , 2 nanostructure, index n 2 of 2.4, the percentage of the absorbed light radiation is 55%.
  • the absorption gain of the light radiation is 25% in absolute value and 83% in relative value.
  • the latter have a height of 1.5 ⁇ m and a width of 500 nm, as in the previous example. They have the same structure as the photodetectors of the previous example.
  • this index n 4 is less than n-
  • This matrix according to the invention is compared with a matrix comprising identical photodetectors but without nanostructure and with an anti-reflection layer, these photodetectors being also separated by reflective means.
  • the trenches are of the same dimensions and are filled with silica.
  • the absorption rate of the light radiation is 28%, while it is 41% with the matrix according to the invention.
  • the gain obtained is therefore 16% in absolute value and 64% in relative value.
  • the photodetector according to the invention comprises an intermediate layer 11, its thickness can be limited when the photodetector is used in a detection matrix.
  • the nanostructures 12 to 52 provided in the matrix may be of different sizes.
  • each of them can be adapted to the length of the incident light radiation, as it is filtered by the filters 14 to 54 before arriving on the matrix. It follows from the above that the invention is particularly suitable for very high resolution imagers.

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Abstract

Photodétecteur destiné à la détection d'une radiation lumineuse incidente, dans le domaine du visible et du proche infra-rouge, comprenant : - une structure (10) d'absorption de la radiation lumineuse comprenant un matériau semi-conducteur d'indice ni et comportant une surface d'exposition (13) à ladite radiation lumineuse incidente et - des moyens de connexion électrique en contact avec ladite structure pour véhiculer un signal de détection produit par cette structure, en réponse à ladite radiation lumineuse, caractérisé en ce que, sur ladite surface d'exposition (13), sont prévus des moyens (12) de focalisation de ladite radiation lumineuse, lesdits moyens étant constitués par une nanostructure unique dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la radiation lumineuse, dans toutes les directions de l'espace.

Description

PHOTODETECTEUR ET MATRICE DE DETECTION CORRESPONDANTE
L'invention concerne le domaine des photodétecteurs et notamment ceux dont la structure d'absorption des radiations lumineuses est constituée à partir d'un matériau semi-conducteur.
De façon générale, un imageur comporte une pluralité de photodétecteurs, chacun d'eux comportant une couche anti-reflet.
Pour obtenir un imageur à haute résolution, la taille des photodétecteurs est réduite.
Ainsi, pour un photodétecteur de section sensiblement carrée, le côté de cette section peut être de l'ordre de la longueur d'onde de la radiation lumineuse de fonctionnement du photodétecteur. La surface d'exposition à la radiation lumineuse incidente est donc relativement faible. H est apparu que, dans ce cas, du fait de la diffraction, la couche anti-reflet prévue sur la surface d'exposition du photodétecteur n'est plus suffisamment efficace pour faire pénétrer la radiation lumineuse dans le photodétecteur.
Par ailleurs, lorsque la taille du photodétecteur reste importante, une part significative de la surface d'exposition du photodétecteur peut être recouverte par des connections électriques et donc, rendue opaque à la lumière.
Dans certains cas, cette part rendue opaque peut atteindre 60% de la surface d'exposition du photodétecteur. La zone utile de la surface d'exposition est donc relativement faible.
Ainsi, seule une fraction de ia radiation lumineuse incidente peut pénétrer dans le photodétecteur.
Dans les deux cas, l'efficacité du photodétecteur est réduite. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un photodétecteur destiné à la détection d'une radiation lumineuse incidente dans le domaine du visible et du proche infra-rouge, comprenant :
- une structure d'absorption de la radiation lumineuse comprenant un matériau semi-conducteur d'indice ni et comportant une surface d'exposition à ladite radiation lumineuse incidente et - des moyens de connexion électrique en contact avec ladite structure pour véhiculer un signal de détection produit par cette structure, en réponse à ladite radiation lumineuse,
caractérisé en ce que, sur ladite surface d'exposition, sont prévus des moyens de focalisation de ladite radiation lumineuse, lesdits moyens étant constitués par une nanostructure unique, réalisée en un matériau d'indice n2( dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la radiation lumineuse, dans toutes les directions de l'espace.
Ainsi, lorsque seule une part faible de la surface d'exposition n'est pas opaque, l'invention permet de focaliser la radiation lumineuse dans la zone utile du photodétecteur, ou encore de concentrer la radiation lumineuse sous la nanostructure et dans une zone de dimensions faibles par rapport à la surface d'exposition du photodétecteur.
De surcroit, lorsque la surface d'exposition est réduite du fait de la taille du photodétecteur, ces moyens de focalisation permettent de réduire la fraction de la radiation lumineuse incidente qui ne l'atteint pas.
Dans les deux cas, le signai de détection est plus important et le photodétecteur est plus performant.
Avec le photodétecteur selon l'invention, il n'est plus nécessaire de prévoir une couche anti-reflet.
De façon préférée, la nanostructure est réalisée en un matériau non absorbant.
De façon avantageuse, la nanostructure est réalisée en un matériau dont l'indice n2 est inférieur ou égal à l'indice ni du matériau constitutif de la structure d'absorption de la radiation iumineuse et supérieur à celui du milieu environnant.
De façon préférée, le photodétecteur comprend également une lentille, disposée sur le trajet de la radiation lumineuse incidente, en amont des moyens de focalisation.
Le photodétecteur peut également comporter un filtre en amont des moyens de focalisation, sur le trajet de la radiation lumineuse.
L'invention concerne également une matrice de détection d'une radiation lumineuse incidente comprenant une pluralité de structures de pixel, chaque structure de pixel comprenant un photodétecteur selon l'invention.
De façon préférée, la matrice de détection selon l'invention comprend également des moyens réfléchissants séparant les structures de pixel les unes des autres et formant ainsi une barrière optique.
Cette configuration permet d'éviter qu'une partie de la radiation lumineuse diffusée par les moyens de focalisation d'une structure de pixel ne soit envoyée sur les structures de pixel voisines. Ceci permet donc d'éviter une perte en résolution de l'image fournie par un imageur incluant cette matrice de détection.
Ces moyens réfléchissants peuvent être constitués d'un matériau diélectrique dont l'indice n4 est inférieur à l'indice ni du matériau constitutif de la structure d'absorption de la radiation lumineuse.
Ils peuvent également être réalisés en l'association d'un matériau diélectrique et d'un matériau métallique.
Dans tous les cas, ces moyens réfléchissants permettent également de réaliser une isolation électrique entre les structures de pixel.
De préférence, au moins une partie des structures de pixel présentent des moyens de focalisation de dimensions différentes, de façon à pouvoir détecter des radiations lumineuses de longueurs d'onde différentes.
Par ailleurs, à chaque structure de pixel peut être associé un filtre.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un photodétecteur selon l'invention, et
- la figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'une matrice de détection selon l'invention.
Les éléments communs aux deux figures seront désignés par les mêmes références. La figure 1 illustre un photodétecteur 1 selon l'invention. Il comporte une structure 10 d'absorption de la radiation lumineuse, réalisée en un matériau semi-conducteur.
Les matériaux semi-conducteurs sont choisis pour couvrir une gamme de longueurs d'onde situées dans le visible et le proche infra-rouge, c'est-à-dire comprises entre environ 400 et 900 nm. Cette gamme de longueurs d'onde est la gamme de travail du photodétecteur selon l'invention.
On peut notamment citer le silicium, le germanium, les composés lll-V comme l'InP ou le GaAs ou encore l'InSb ou les composés de type CdHgTe.
Sur cette structure 10 peut être prévue une couche intermédiaire 11 qui peut avoir pour fonction de constituer une couche d'arrêt de gravure, lors de la réalisation de la nanostructure. Cependant, cette couche 11 peut être omise.
II s'agit d'une couche uniforme, réalisée en un matériau d'indice n3 qui est intermédiaire entre l'indice n2 du matériau constitutif de la nanostructure et l'indice ni du matériau constitutif de la structure d'absorption. L'indice n3 peut être égal à ni ou n2.
Cette couche 11 peut également constituer une couche anti- reflet. Dans ce cas, l'indice n3 est intermédiaire entre ni et n2 et ne peut pas être égal à ni ou n2.
Enfin, sur cette couche 11 ou directement sur la structure d'absorption 10, est prévue une nanostructure 12.
Cette nanostructure 12 peut être obtenue en réalisant les étapes suivantes.
La première étape consiste à déposer directement sur la structure 10 ou sur la couche 11 lorsqu'elle est prévue, une couche d'un matériau d'indice n2, cet indice étant inférieur ou égal à l'indice ni de la structure d'absorption 10.
L'épaisseur de cette couche de matériau d'indice n2 est de l'ordre de la longueur d'onde de fonctionnement du photodétecteur.
Pour réaliser cette couche, différents matériaux à haut indice peuvent être utilisés, c'est-à-dire des matériaux dont l'indice est supérieur à 1 ,75. On peut notamment citer : S,, HfO2, SiN, TiO2 ou ZnS. L'étape suivante consiste en une étape de lithographie UV, de lithographie électronique ou encore de nanoimprint sur de la résine et une étape de gravure sèche, ces deux étapes étant réalisées sur la couche de matériau d'indice n2.
Cette étape de gravure permet de réaliser une nanostructure dont la forme est choisie par le concepteur du photodétecteur et non imposée par le procédé d'obtention.
Cette deuxième étape permet de réaliser la nanostructure. Cette nanostructure est unique, c'est-à-dire qu'elle ne comporte qu'un plot par photodétecteur.
Elle se distingue notamment d'un réseau périodique de nanostructures. Ce dernier présente d'ailleurs des comportements optiques différents en privilégiant notamment la dispersion de la lumière plutôt que sa focalisation sous les nanostructures.
Par ailleurs, la présence d'une seule nanostructure permet de focaliser la lumière dans une zone réduite.
On peut également prévoir une dernière étape qui est une étape de planarisation.
Le photodétecteur 1 comporte également des moyens de connexion électrique en contact avec la structure 10 qui ne sont pas illustrés sur la figure 1.
De façon générale, la nanostructure présente donc la forme d'un plot unique, réalisé en un matériau unique. Dans toutes les directions de l'espace, les dimensions de ce plot sont inférieures à la longueur d'onde de détection, laquelle est comprise entre environ 400 et 900 nm. Ainsi, la largeur comme la hauteur de ce plot est inférieure à 900 nm.
Cette condition permet d'assurer une focalisation efficace de la radiation lumineuse sous la nanostructure.
La nanostructure 12 illustrée à la figure 1 , présente sensiblement !a forme d'un cube, sans que ceci soit limitatif.
La nanostructure 12 peut présenter d'autres formes, par exemple un parallélépipède à base rectangulaire, ou encore un cylindre à base circulaire ou elliptique. Cependant, pour éviter toute sensibilité à la polarisation de la radiation lumineuse incidente, les nanostructures de forme cubique ou de forme cylindrique à base circulaire seront préférées.
Le fait que la forme de la nanostructure puisse être choisie et adaptée aux conditions de fonctionnement est un avantage du photodétecteur selon l'invention.
Ceci distingue notamment le photodétecteur selon l'invention de dispositifs de l'état de la technique pour lesquels la structure de focalisation de la lumière est constituée par un nanofil obtenu par épitaxie axiale. La forme de la nanostructure est alors imposée.
Par ailleurs, l'indice ¾ du matériau constituant la nanostructure est supérieur à l'indice du milieu environnant, c'est-à-dire le milieu situé au-dessus et autour de la nanostructure. Ce milieu peut être typiquement de l'air ou de la silice. Ceci permet à la nanostructure de focaliser la radiation lumineuse incidente.
Il convient que les matériaux utilisés pour réaliser la nanostructure ne soient pas absorbants. En effet, la radiation lumineuse est destinée à être absorbée par la structure 10 située sous la nanostructure 12. Il est donc souhaitable d'éviter l'absorption de la radiation lumineuse dans la nanostructure, de façon à limiter les pertes.
De façon générale, la nanostructure sera réalisée, de préférence, dans la partie centrale de la surface d'exposition 13 à la radiation lumineuse incidente ou encore dans une zone de cette surface d'exposition 13 dans laquelle aucun moyen de connexion électrique n'est prévu.
On constate que la structure et la réalisation du photodétecteur sont très simples car la nanostructure est réalisée en un seul matériau et peut donc être facilement obtenue à partir d'une couche de ce matériau.
Ceci permet également de distinguer le photodétecteur selon l'invention de systèmes connus dans l'état de la technique.
Ainsi, la réalisation de la nanostructure ne nécessite pas ia réalisation de jonction pn car elle n'est pas conçue pour absorber la radiation lumineuse. Ce n'est pas le cas pour des dispositifs comprenant un nanofil remplissant à la fois une fonction de guide d'onde et une fonction de photodiode.
De même, la réalisation de la nanostructure ne demande pas des gravures très profondes puisque ses dimensions sont toutes inférieures à la longueur d'onde. Ce n'est pas le cas pour des dispositifs incluant un élément de guide d'onde réalisé par remplissage d'une ouverture étroite et profonde formée dans une couche de diélectrique. En effet, l'obtention d'une ouverture profonde est difficile car la gravure conduit souvent à un rétrécissement vers le fond de l'ouverture. De plus, le remplissage de l'ouverture peut conduire à la formation de bulles ou de cavités qui constituent des pièges pour la lumière.
Par ailleurs, sur la surface du photodétecteur 1 , opposée à la surface d'exposition, peut être prévue une couche réflectrice.
On se réfère maintenant à la figure 2 qui illustre une matrice de détection d'une radiation lumineuse, notamment destinée à être intégrée dans un imageur.
Cette matrice comporte une pluralité de structures de pixel, une rangée de cinq structures étant ici illustrée.
Chaque structure de pixel comprend un photodétecteur 1 à 5, conforme à celui décrit en référence à la figure 1. Cependant, aucun d'entre eux ne comporte une couche intermédiaire, telle que la couche 1 .
Tous ces photodétecteurs sont réalisés sur une même couche de semi-conducteur.
Chacun des photodétecteurs 1 à 5 comporte donc, sur sa surface d'exposition à la radiation lumineuse 13 à 53, une nanostructure 12 à 52.
A chaque photodétecteur peut être associé un filtre 14 à 54. De plus, en amont du filtre peut être prévue une microlentille 15 à 55 qui permet de focaliser de manière grossière la lumière incidente.
Comme le montre la figure 2, les photodétecteurs 1 à 5 sont séparés par des tranchées latérales 6 à 9. Ces tranchées peuvent être remplies d'un matériau adapté, de façon à constituer des moyens réfléchissants, constituant à la fois une barrière optique et électrique. Si aucun matériau n'est prévu, c'est l'air qui remplira cette double fonction.
Grâce à ces tranchées formant barrière optique, on peut éviter qu'une partie de la lumière diffusée par un photodétecteur ne soit transmise au photodétecteur voisin. Cette configuration permet donc de gagner en résolution de l'image.
Ces tranchées 6 à 9 sont classiquement réalisées par gravure sèche par exemple, après une lithographie UV ou une lithographie par faisceau d'électrons.
Ensuite, les tranchées sont remplies par un matériau diélectrique d'indice n4, l'indice n4 étant inférieur à l'indice ni de la structure d'absorption, de façon à assurer l'isolation électrique et optique entre les photodétecteurs. De façon préférée, l'écart entre les indices n-i et n est d'au moins 0,25 en valeur absolue. Les tranchées peuvent également être remplies par l'association d'un matériau diélectrique et de métal, cette association comportant au moins une alternance de ces matériaux.
Enfin, une étape de planarisation peut être réalisée pour que le matériau formant la barrière optique soit présent uniquement dans les tranchées.
Les matériaux suivants, présentant un faible indice, peuvent être utilisés : Si02, MgF2, AI2O3, SiOC, SiOC nanoporeux ou encore la silice nanoporeuse.
A titre d'exemple, le silicium utilisé pour remplir les tranchées présentera un indice Π de 1 ,5, tandis que l'indice n-ι de !a structure d'absorption sera de 3,5.
Dans le cas où les tranchées sont remplies avec un matériau d'indice n4, inférieur à n-j , l'épaisseur L de la tranchée doit être suffisante pour éviter que la lumière ne passe d'une structure de pixel à l'autre par effet tunnel.
C'est pourquoi, l'épaisseur L satisfait de préférence à la relation suivante :
4 · n4
où λ est la longueur d'onde de la radiation lumineuse incidente. Cette relation est valable lorsque le matériau remplissant les tranchées est de l'air ou un matériau diélectrique.
Lorsque le matériau est du métal recouvert par un matériau diélectrique ou un matériau diélectrique recouvert de métal, l'épaisseur du métal est supérieure à l'épaisseur de peau, c'est-à-dire l'épaisseur dans laquelle pénètre la lumière, pour que le métal soit opaque à la lumière. Elle dépend du métal et de la longueur d'onde, mais elle est généralement inférieure à 100 nm. Par ailleurs, lorsque le métal assure ainsi l'isolation optique, le diélectrique ne doit plus assurer que l'isolation électrique. Son épaisseur n'est pas alors définie par la relation précédente mais doit seulement être de quelques nanomètres, en général au minimum 5 nm.
Différentes simulations ont été réalisées grâce à des calculs par éléments finis, de façon à montrer les avantages apportés par l'invention.
Un premier exemple concerne un photodétecteur selon l'invention dont la structure d'absorption présente une section sensiblement carrée, avec un côté de 1 pm et une hauteur de 1 ,5 pm.
Le matériau constitutif de ia structure d'absorption est du silicium d'indice ni = 3,5.
Le photodétecteur comporte une surface d'exposition dont la zone utile ne représente que 30% de cette surface. Ce photodétecteur correspond par exemple à la situation où des moyens de connexion électrique masquent en partie la surface d'exposition,
La nanostructure de ce photodétecteur est réalisée en TiO2 dont l'indice n2 est de 2,4.
La nanostructure présente une hauteur de 200 nm et sa section sensiblement carrée présente un côté de 200 nm. Par ailleurs, le milieu environnant est de la silice, d'indice égal à 1 ,5.
La simulation effectuée montre que, pour une longueur de 650 nm, le pourcentage de la radiation lumineuse absorbée par ie photodétecteur selon l'invention est de 29%.
A titre de comparaison, la simulation a été effectuée avec un photodétecteur d'un imageur CMOS standard. Ce photodétecteur comporte une couche antireflet et il est réalisé dans le même matériau et présente les mêmes dimensions que le photodétecteur selon l'invention. Cependant, bien entendu, ce photodétecteur ne comporte pas la nanostructure permettant la focalisation de la radiation lumineuse.
La simulation montre que le pourcentage de la radiation lumineuse absorbée par ce photodétecteur selon l'état de l'art est de 18%.
Ainsi, le gain en absorption est de 11% en valeur absolue ou encore de 60% en valeur relative.
Une autre simulation a été réalisée avec un photodétecteur dont la structure d'absorption est en silicium d'indice ni de 3,5. Sa hauteur est de 1 ,5 pm. Par ailleurs, la structure présente une section sensiblement carrée, avec un côté de 500 nm et le milieu environnant est la silice.
Dans cet exemple, la zone utile est constituée par toute la surface d'exposition à la radiation lumineuse.
Avec un photodétecteur classique de même constitution et dimensions, comportant une couche anti-reflet, et pour une longueur d'onde de 650 nm, le pourcentage de la radiation lumineuse absorbée par le photodétecteur est de 30%.
Avec un photodétecteur selon l'invention, comportant une nanostructure en ΤΊΟ2, d'indice n2 de 2,4, le pourcentage de la radiation lumineuse absorbée est de 55%.
Ainsi, le gain en absorption de la radiation lumineuse est de 25% en valeur absolue et de 83% en valeur relative.
Enfin, une autre simulation a été réalisée avec une matrice de photodétecteurs.
Ces derniers présentent une hauteur de 1 ,5 pm et une largeur de 500 nm, comme dans l'exemple précédent. Ils présentent la même structure que les photodétecteurs de l'exemple précédent.
Pour la matrice selon l'invention, les photodétecteurs sont séparés par des moyens réfléchissants constitués par des tranchées de largeur L = 100 nm et remplies de silice d'indice n4 = 1 ,5. Ainsi, cet indice n4 est inférieur à n-|.
Cette matrice selon l'invention est comparée à une matrice comportant des photodétecteurs identiques mais sans nanostructure et avec une couche anti-reflet, ces photodétecteurs étant également séparés par des moyens réfléchissants. Ainsi, dans les deux matrices, les tranchées sont de mêmes dimensions et sont remplies par de la silice.
Avec la matrice selon l'état de la technique, le taux d'absorption de la radiation lumineuse est de 28%, tandis qu'il est de 41% avec la matrice selon l'invention.
Le gain obtenu est donc de 16% en valeur absolue et de 64% en valeur relative.
Ces différentes simulations montrent que la nanostructure prévue sur les photodétecteurs selon l'invention agit efficacement en tant que moyen de focalisation de la radiation lumineuse.
Dans la mesure où le pourcentage de la radiation lumineuse absorbée par le photodétecteur augmente, sa performance augmente également.
Il convient encore de noter que, lorsque le photodétecteur selon l'invention comporte une couche intermédiaire 11 , son épaisseur peut être limitée lorsque le photodétecteur est utilisé dans une matrice de détection.
En effet, dans l'hypothèse où la tranchée présente entre les photodétecteurs n'est pas réalisée dans cette couche intermédiaire, il convient que sa hauteur h réponde à l'équation suivante :
w
h < —
4
où w est la dimension latérale du photodétecteur. Cette condition permet d'éviter le passage d'une partie de la radiation lumineuse d'un photodétecteur à l'autre.
Pour optimiser les performances de la matrice de détection selon l'invention, les nanostructures 12 à 52 prévues dans la matrice peuvent être de tailles différentes. Ainsi, chacune d'elles peut être adaptée à la longueur de la radiation lumineuse incidente, telle qu'elle est filtrée par les filtres 14 à 54 avant d'arriver sur la matrice. Il résulte de ce qui précède que l'invention est particulièrement adaptée aux imageurs à très haute résolution.
Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée.

Claims

REVENDICATIONS
1- Photodétecteur destiné à la détection d'une radiation lumineuse incidente, dans le domaine du visible et du proche infra-rouge, comprenant :
- une structure (10) d'absorption de la radiation lumineuse comprenant un matériau semi-conducteur d'indice ni et comportant une surface d'exposition (13) à ladite radiation lumineuse incidente et
- des moyens de connexion électrique en contact avec ladite structure pour véhiculer un signal de détection produit par cette structure, en réponse à ladite radiation lumineuse,
caractérisé en ce que, sur ladite surface d'exposition (13), sont prévus des moyens (12) de focalisation de ladite radiation lumineuse, lesdits moyens étant constitués par une nanostructure unique dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la radiation lumineuse, dans toutes les directions de l'espace.
2- Photodétecteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la nanostructure est réalisée en un matériau non absorbant. 3- Photodétecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la nanostructure (12) est réalisée en un matériau dont l'indice n2 est inférieur ou égal à l'indice ni du matériau constitutif de la structure d'absorption (10) de la radiation lumineuse et supérieur à celui du milieu environnant.
4- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille, disposée sur le trajet de la radiation lumineuse incidente, en amont des moyens de focalisation. 5- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre, disposé sur le trajet de la radiation lumineuse incidente, en amont des moyens de focalisation. 6- Matrice de détection d'une radiation lumineuse incidente, comportant une pluralité de structures de pixel, chaque structure de pixel comportant un photodétecteur (1 à 5) seion l'une des revendications 1 à 5. 7- Matrice selon la revendication 6, comprenant également des moyens réfléchissants séparant les structures de pixel les unes des autres et formant ainsi une barrière optique.
Matrice seion la revendication 7, dans laquelle les moyens réfléchissants sont constitués d'un matériau diélectrique dont l'indice n4 est inférieur à l'indice n-ι du matériau constitutif de la structure d'absorption de la radiation lumineuse.
9- Matrice selon la revendication 7, dans laquelle les moyens réfléchissants sont constitués par l'association d'un matériau diélectrique et d'un matériau métallique.
10- Matrice selon l'une des revendications 6 à 9, dans laquelle au moins une partie des structures de pixel présente des moyens de focalisation de dimensions différentes, de façon à pouvoir détecteur des radiations lumineuses de longueurs d'onde différentes.
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