WO2020128302A1 - Détecteur infrarouge avec structure de collecte de photons et son procédé de fabrication - Google Patents

Détecteur infrarouge avec structure de collecte de photons et son procédé de fabrication Download PDF

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WO2020128302A1
WO2020128302A1 PCT/FR2019/053120 FR2019053120W WO2020128302A1 WO 2020128302 A1 WO2020128302 A1 WO 2020128302A1 FR 2019053120 W FR2019053120 W FR 2019053120W WO 2020128302 A1 WO2020128302 A1 WO 2020128302A1
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matrix
substrate
photo
etching
truncated pyramids
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François Boulard
Giacomo BADANO
Florian MARMONIER
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • H10F77/707—Surface textures, e.g. pyramid structures of the substrates or of layers on substrates, e.g. textured ITO layer on a glass substrate

Definitions

  • the invention relates to the field of cooled infrared detectors, sensitive to wavelengths between 2 pm and 20 pm.
  • infrared detectors comprising a planar array of photodiodes, each photodiode comprising a single pn (or np) junction.
  • Photodiodes are formed in an active layer of semiconductor material, made for example of an alloy of tellurium, mercury and cadmium of the Cd x Hg (ix) Te type, with x a positive real number.
  • These detectors offer thermal resolutions of up to a few thousandths of a Kelvin degree, provided that they are cooled at low temperature, generally well below 300K, preferably at a temperature below 200K or even below 100K.
  • photons are absorbed in the respective absorption regions of the photodiodes. They generate charge carriers there, which diffuse in the active layer up to the p-n (or n-p) junctions, where they create measurable electric currents. It may happen that a photon, arriving on the active layer with respect to one of the photodiodes, generates a charge carrier which diffuses up to the junction p-n (or n-p) of a neighboring photodiode. The spatial distribution of the electric currents no longer corresponds strictly to the spatial distribution of the incident photons on the photodiodes array. This phenomenon is called “cross talk”, or crosstalk.
  • a matrix of photodiodes is proposed, for example, in which the photodiodes are separated in pairs by trenches dug in the active layer of semiconductor material.
  • the sides of the trenches are covered with a stabilization layer, intended to reduce the influence of surface defects caused by the etching of the trenches. If the stabilization layer is not sufficiently effective, the etching of the active layer can be a source of noise on the measured electric currents.
  • An objective of the present invention is to propose a solution for limiting the crosstalk of a matrix photo-detection device sensitive in the infrared, and not having the drawbacks of the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide an advantageous method for achieving this object.
  • This objective is achieved by a method for producing a photo-detection system as defined in claim 1. side of the truncated pyramids opposite the matrix photo-detection device.
  • sensitive in the infrared is meant sensitive over a range of wavelengths belonging to the infrared range, where the infrared range is from 2 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • fixation on means fixation so that the photon collection structure and the photo-detection matrix device are arranged parallel to each other, and superimposed along an axis orthogonal to the plane of the photo-detection matrix device.
  • the fixing is advantageously carried out by gluing, but other solutions are not excluded such as molecular adhesion.
  • the photon collection structure is not necessarily fixed directly to the matrix photo-detection device.
  • An intermediate layer such as an anti-reflective layer or a spectral filter can be inserted between the two.
  • the etching surface of the first substrate designates the leading face of the etching on the first substrate.
  • the idea underlying the invention is to limit the crosstalk of a sensitive infrared photo-detection matrix device, using a photon collection structure attached and fixed on the latter.
  • the matrix photo-detection device comprises a matrix of photodiodes.
  • the photon collection structure includes a matrix of inverted truncated pyramids. In operation, light flows through these inverted truncated pyramids to reach the array of photodiodes.
  • the inverted truncated pyramids form, with the reflective coating, funnel-shaped guide elements which each converge towards a respective photodiode of the photodiode array.
  • the incident photons propagate in the truncated pyramids, and are deflected by successive reflections towards the respective centers of the pixels of the array of photodiodes.
  • a photon arriving on the photo-detection system with regard to a predetermined pixel of the photodiodes array is deflected towards a central region of this pixel. It therefore generates a charge carrier in this central region of the pixel.
  • This charge carrier diffuses into the active layer of the photodiodes array.
  • this charge carrier since this charge carrier is generated in a central region of the pixel, it does not diffuse to a neighboring pixel, which limits the crosstalk in the photo-detection system according to the invention.
  • the photon collection structure is in the form of a matrix of truncated pyramids. Its shape is therefore defined by planar faces, which simplifies its manufacture in comparison with a matrix of microlenses where each microlens has curved faces. In addition, the manufacturing process requires a limited number of steps, and all of the guide elements of the photon collection structure can be produced jointly, which ensures high manufacturing efficiency.
  • the document WO 2005/124868 describes a photon collection structure arranged above a matrix photo-detection device operating in the visible range.
  • the photon collection structure is produced by etching openings in a solid layer deposited on the photodiode matrix, and by covering the walls of the etched openings with an optically reflective coating.
  • the solid layer deposited on the photodiodes matrix is made of amorphous material such as a glass borophosphosilicate.
  • this solution cannot be applied directly to the cooled infrared domain. Indeed, the operation at low temperature implies strong constraints on the solid layer to be deposited on the matrix of photodiodes, in terms of coefficient of thermal expansion. It is difficult to deposit a thick layer (thickness greater than 1 ⁇ m) on a matrix of photodiodes in cooled infrared technology.
  • One of the ideas underlying the invention consists in forming the photon collection structure not in a layer deposited directly on the photodiodes matrix, but in an additional substrate, here called “first substrate”, which is then reported and fixed on the matrix of photodiodes.
  • first substrate an additional substrate
  • This process offers great freedom in the choice of material for the photon collection structure, allowing the use of materials in the coefficient of thermal expansion that is compatible with the material of the photodiodes matrix at the temperatures of use of the photo-detection according to the invention. It is thus possible to produce a photo-detection system capable of withstanding multiple cycles of descent and rise in temperature.
  • the photon collection structure is made of crystalline or semi-crystalline material, this material does not necessarily have a lattice parameter close to that of the photodiodes matrix.
  • truncated pyramids are formed in the first substrate, the bases of which extend on the side opposite to an etching surface of the first substrate, then the photon collection structure is fixed with the bases of said truncated pyramids. located on the side of the pyramids opposite the matrix photo-detection device.
  • the first etched substrate is therefore turned over before being fixed on the array of photodiodes.
  • the etching surface of the first substrate is then found on the side of the photodiode array.
  • the non-etched regions of the first substrate correspond to the regions in which the light propagates to the matrix photo-detection device, in operation.
  • the light propagates to the matrix photo-detection device via the truncated pyramids formed in the material of the first substrate.
  • the truncated pyramids are joined at their bases respective.
  • each of the truncated pyramids is in direct physical contact with the neighboring truncated pyramids, along the edges of its base.
  • This characteristic makes it possible, after turning over the first substrate, to overcome a shoulder separating two guide elements, on the side of the guide elements opposite to the photodiode array, where each guide element is formed by an inverted truncated pyramid whose the side walls are provided with a reflective coating. This improves the transmission efficiency of the photon collection structure.
  • the etching methods implemented in document WO 2005/124868 would not allow engraving of guide elements without the shoulders. In addition, this document teaches to use these shoulders to provide support surfaces for a matrix of spectral filters.
  • the method according to the invention also makes it possible to dispense with an etching stop layer, between the photodiode array and the photon collection structure. This characteristic is all the more advantageous, since no transparent layer in the infrared is known to date ensuring the stopping of the anisotropic etching process.
  • the method according to the invention does not require a high directivity for depositing the optically reflective coating, since this step is carried out before transfer to the photodiode matrix. There is therefore no risk of obscuring the photodiodes with the reflective coating deposited at the bottom of the engraved recesses. It is thus possible to obtain a good transmission efficiency of the photon collection structure, and to overcome parasitic reflections damaging to the proper functioning of the photo-detection system produced using the method according to the invention.
  • the method according to the invention also makes it possible to obtain better reproducibility of the sensitivity of the photo-detectors, from one pixel to another of the photo-detection system and from one system to another, in comparison with a collection of photons which would be carried out using polymer microlenses. Indeed, the radius of curvature of a polymer microlens is poorly controlled during cold setting linked to the context of the cooled infrared, and the distance between the microlens and an absorption layer of the photo-detectors is difficult to control.
  • the method according to the invention can also comprise the following steps:
  • the method according to the invention may also include a creep step, implemented before the etching step of the first substrate and so as to obtain a predetermined angle of inclination of the lateral faces of the pads of the etching mask.
  • the etching mask is etched together with the first substrate, and the method further comprises a step of hardening the layer of photosensitive resin or of the etching mask, to modify an etching speed of the etching mask during said etching of the first substrate.
  • the matrix photo-detection device comprises a matrix of photodiodes formed in a second substrate, and a difference in absolute value between the coefficient of thermal expansion of the first substrate and the coefficient of thermal expansion of the second substrate is lower or equal to 5 ppm.K 1 on temperatures between 50 K and 300 K.
  • the matrix photo-detection device can comprise a matrix of photodiodes formed in a second substrate of Mercury, Cadmium and Tellurium, and the first substrate can consist of an alloy of Cadmium, Zinc and Tellurium.
  • the matrix photo-detection device may comprise a matrix of photodiodes formed in a second substrate of Mercury, Cadmium and Tellurium, and the first substrate may comprise germanium.
  • the photon collection structure is fixed to the matrix photo-detection device by bonding, and includes the deposition of a layer glue on the photon collection structure, the glue filling at least some of the spaces between the truncated pyramids.
  • the method according to the invention can also comprise a step of depositing an anti-reflective layer, the anti-reflective layer being between the photon collection structure and the matrix photo-detection device after the fixing step.
  • the method according to the invention may further comprise a step of depositing a spectral filter, the spectral filter being, after the fixing step, between the photon collection structure and the matrix photo-detection device, or on the photon collection structure on the side opposite the matrix photo-detection device.
  • the matrix photo-detection device is advantageously a hybrid component comprising a superimposed matrix of photodiodes and a reading circuit, the photon collection structure being fixed on the side of the photodiodes matrix.
  • the method according to the invention further comprises an etching step for removing a support substrate from a matrix of rear-illuminated photodiodes, and thereby forming the matrix photo-detection device on which the structure photon collection is fixed.
  • Each of said truncated pyramids can be a straight pyramid with a square base.
  • the invention also covers a photo-detection system which comprises an infrared-sensitive matrix photo-detection device and a photon collection structure for guiding incident photons to the respective centers of the pixels of the matrix photo-detection device.
  • a photo-detection system which comprises an infrared-sensitive matrix photo-detection device and a photon collection structure for guiding incident photons to the respective centers of the pixels of the matrix photo-detection device.
  • the photon collection structure comprises a matrix of truncated pyramids whose side walls are covered with an optically reflective coating in the infrared;
  • said truncated pyramids are each centered on a pixel of the matrix photo-detection device
  • the bases of said truncated pyramids are located on the side of the truncated pyramids opposite the matrix photo-detection device; and - the truncated pyramids are formed contiguous two by two at their respective bases.
  • the spaces between the truncated pyramids are filled at least to 50% by volume with an adhesive ensuring the fixation of the photon collection structure relative to the matrix photo-detection device, the adhesive not extending over upper surfaces. truncated pyramids.
  • Fig. 1 illustrates a first step of a method according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2A and Fig. 2B illustrate a second step of the method according to this first embodiment
  • Fig. 3A and Fig. 3B illustrate a third step of the method according to this first embodiment
  • Fig. 4 illustrates a fourth step of the method according to this first embodiment
  • Fig. 5 illustrates a fifth step of the method according to this first embodiment
  • Fig. 6 illustrates, in a sectional view, a first embodiment of a photo-detection system according to the invention
  • Fig. 7A and Fig. 7B illustrate the results of simulations implemented to define an optimal shape of the truncated pyramids in a photo detection system according to the invention.
  • Fig. 8A and Fig. 8B respectively illustrate a second and a third embodiment of a photo-detection system according to the invention.
  • Figure 1 schematically illustrates, and in a sectional view in the plane (yOz) of the orthonormal reference frame, a first step of this process.
  • a layer 200 of photosensitive resin is deposited on the etching surface 101 of a first substrate 100.
  • the etching surface 101 designates an upper face of the first substrate.
  • the etching surface 101 here extends in a plane (xOy) which defines the plane of the first substrate 100.
  • the first substrate 100 is made of optically transparent material over a range of wavelengths located in the infrared. Throughout the text, infrared designates wavelengths ranging from 2 pm to 20 pm. Said wavelength range designates, for example, wavelengths ranging from 2.5 ⁇ m to 5 ⁇ m (medium infrared). The first substrate 100 has for example a transmission coefficient greater than or equal to 80% over this range of wavelengths.
  • CTE Its coefficient of thermal expansion
  • a semiconductor material in which one can form a matrix of photodiodes emitting in the infrared.
  • its CTE is close to the CTE of a semiconductor material consisting of an alloy of tellurium, mercury and cadmium of the Cd x Hg (ix) Te type, with x a positive real number.
  • the difference in absolute value between said CTEs is advantageously less than or equal to 5 ppm.K 1 (parts per million per degree Kelvin), and more preferably less than or equal to 1 ppm.K 1 , over a range of temperatures from one operating temperature of said array of photodiodes at ambient temperature (typically from 50K to 300K).
  • the first substrate can have a crystalline or semi-crystalline structure.
  • the first substrate 100 consists of an alloy of tellurium, cadmium and zinc of the Cd x Zn (ix) Te type, with x a positive real number.
  • the first substrate 100 may comprise germanium, or even be entirely made of germanium. The transmission of this material is particularly well suited in the context of detection in a wavelength range situated in a range between 2 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the layer 200 of photosensitive resin will not be described here in more detail, since it is a material known in the prior art, in particular in the field of photolithography.
  • FIGS. 2A and 2B schematically illustrate a second step in the process.
  • the layer 200 of photosensitive resin is etched locally and over its entire thickness, so as to form a matrix of studs 221 which together define an etching mask 220.
  • FIG. 2A the assembly obtained at the outcome of this second step, consisting of the first substrate 100 and the etching mask 220, is shown in a sectional view in the plane (yOz).
  • this same assembly is represented according to a top view, in a plane parallel to the plane (xOy) of the orthonormal reference frame.
  • the process for etching the photosensitive resin used in this second step is, for example, photolithography.
  • This photolithography advantageously uses a first mask.
  • the layer 200 of photosensitive resin is exposed through the first mask, and the photosensitive resin is developed.
  • the exposed patterns are dissolved in the developer, or vice versa, depending on the polarity of the resin.
  • the etching of the photosensitive resin can be carried out by nano-printing or other direct writing process. In any event, a grid-shaped recess is formed in the layer 200 of photosensitive resin.
  • the pads 221 are spatially distributed in the same way as the photodiodes of a matrix of photodiodes on which the first substrate 100 is attached in a subsequent step of the method according to the invention.
  • the pads 221 of the etching mask 220 are distributed in a square mesh, with a distribution pitch P.
  • the studs 221 each have a straight cylinder shape with a polygonal base or a straight truncated pyramid with a polygonal base, where the polygon is a regular polygon which has as many sides as a pixel has neighboring pixels in a distribution matrix of said studs 221
  • the truncated straight pyramids are truncated along a plane (xOy) parallel to the plane of the first substrate 100.
  • all of the pads 221 of the etching mask advantageously have the same shape.
  • the studs 221 each have the shape of a truncated pyramid with a square base.
  • the studs 221 are spaced two by two by a distance Li, measured in a plane receiving the lower faces of the studs 221, on the side of the first substrate 100.
  • the lateral faces of the studs are each inclined at an angle qi, relative to the normal (Oz) to the plane of the first substrate 100.
  • the second step of the method according to the invention may include a step of creep by heating, implemented after the etching of the layer 200 of photosensitive resin, to modify the value of the angle qi.
  • the creep stage includes heating to a temperature of, for example, between 100 ° C and 150 ° C, and for a period of time between a few seconds and a few minutes.
  • FIGS 3A and 3B schematically illustrate a third step of the method.
  • the first substrate 100 is etched, through the etching mask 220, so as to form in the first substrate 100 a matrix of truncated pyramids 110 each centered on a stud 221 of the etching mask 220.
  • Each truncated pyramid consists of the material of the first substrate 100.
  • the assembly obtained at the end of this third step is represented in a sectional view in the plane (yOz).
  • FIG. 3B this same assembly is shown in a top view in a plane parallel to the plane (xOy).
  • the truncated pyramids 110 do not extend over the entire thickness of the first substrate 100.
  • Each truncated pyramid 110 has a straight truncated pyramid shape with a polygonal base 112. Said pyramid is truncated along a plane (xOy) parallel to the plane of the first substrate 100.
  • the base 112 extends on the side of the substrate 100 opposite its etching surface 101. This base 112 has the shape of a regular polygon with as much sides that a pixel has neighboring pixels in a distribution matrix of truncated pyramids (equal to a matrix for distributing the pads of the etching mask 220, itself equal to a matrix for distributing the photodiodes of a matrix of photodiodes on which the first substrate 100 is attached in a subsequent step of the method). All the truncated pyramids 110 advantageously have the same shape.
  • the truncated pyramids 110 each have the shape of a truncated pyramid with a square base.
  • the lateral faces 113 of the truncated pyramids 110 are each inclined at an angle qo relative to the normal (Oz) to the plane of the first substrate 100.
  • each truncated pyramid 110 is delimited by an upper face 111 which extends in the plane of the etching surface 101 of the first substrate 100.
  • the shape of the upper face 111 is a homothety of the shape of the base 112.
  • the upper face 111 is a square with side Lo.
  • the angle qi of inclination of the lateral faces of the studs 221 of the etching mask, and the angle qo of inclination of the lateral faces of the truncated pyramids 110, are not necessarily equal to each other.
  • the first substrate 100 is etched by anisotropic etching, for example an etching by ionic abrasion or a plasma etching.
  • the value of the angle qo is controlled for example by adjusting an ion abrasion angle, or the chemical composition of the etching plasma. It is also possible to use a wet etching process taking advantage of an etching anisotropy which depends on the orientation of the crystal planes in the first substrate 100, in particular when the first substrate is made of germanium.
  • the etching mask 220 is etched together with the first substrate 100, when making the truncated pyramids 110.
  • a ratio of the tangent of the angle qi (inclination of the lateral faces of the studs 221) divided by the tangent of the angle qo (inclination of the lateral faces of the truncated pyramids 110) is equal to the ratio of the speed of the etching in the photosensitive resin of the etching mask 220 divided by the speed of the etching in the first substrate 100.
  • the value of the angle qi can be adjusted by a creep method as mentioned above.
  • the speed of etching in the photosensitive resin can be adjusted by hardening the photosensitive resin, implemented between the step of depositing the layer 200 of photosensitive resin and the step of etching the first substrate.
  • Curing may include annealing, or exposure to a light beam of predetermined wavelength, or exposure to an ion current.
  • the truncated pyramids 110 are in direct physical contact two by two, along the edges of their respective bases.
  • the recesses etched in the first substrate 100 are therefore of pointed shape, on the side opposite to the etching surface 101 of the first substrate 100.
  • the maximum depth T h of the recesses etched in the first substrate 100 then checks:
  • P is the step of distribution of the truncated pyramids, distributed according to a square mesh
  • Lo is the width of an upper face of the truncated pyramids, as defined above
  • qo is the angle between the normal to the plane of the first substrate and each of the side faces of the truncated pyramids.
  • the third step of the method according to the invention may further comprise an etching step for removing the residues 231 from the etching mask, which may remain on the first substrate after the etching of the truncated pyramids.
  • Figure 4 schematically illustrates a fourth step of the method, according to a sectional view in the plane (yOz).
  • an optically reflecting coating 300 is deposited on the side walls 113 of the truncated pyramids 110 over a range of wavelengths situated in the infrared.
  • the coating 300 has the real part of its dielectric constant which is less than or equal to zero for wavelengths between 2 pm and 20 pm.
  • the coating 300 has for example a reflection coefficient greater than or equal to 80%, over a range of wavelengths situated in the infrared, for example for wavelengths ranging from 2.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the coating 300 preferably consists of a metal layer of thickness less than 100 nm.
  • the metal is for example gold, platinum, copper, silver, or an alloy comprising at least two of these metals.
  • the upper faces 111 of the truncated pyramids 110 are not covered by the coating 300.
  • the coating 300 can be deposited locally, only on the side faces of the truncated pyramids.
  • the coating 300 can uniformly cover the entire first etched substrate, then locally etched on the upper faces 111 of the truncated pyramids 110.
  • the coating 300 is deposited uniformly by covering all of the first etched substrate, with the upper faces 111 of the truncated pyramids 110 covered by the residues of the etching mask, then the residues of the etching mask and the coating portions 300 covering the latter are removed together.
  • FIG. 5 schematically illustrates a fifth step of the method, according to a sectional view in the plane (yOz).
  • This fifth step involves a matrix 510 of photodiodes, formed in a substrate of semiconductor material consisting of an alloy of tellurium, mercury and cadmium of the Cd x Hg (ix) Te type, with x a positive real number.
  • the value of x can vary from one point to another of said semiconductor substrate.
  • Said array 510 of photodiodes is sensitive over a range of wavelengths situated in the infrared, for example at wavelengths ranging from 2.5 ⁇ m to 5 ⁇ m. In operation, it is cooled to a temperature well below 300K, preferably less than 200K or even less than 100K.
  • Each photodiode of said matrix comprises a doped well 511 defining a pn or np junction with the remainder of the semiconductor substrate.
  • the photodiodes are distributed here according to a square mesh of pitch P.
  • the matrix 510 of photodiodes is an integral part of a hybrid component 500 which also includes a reading circuit 520 and a matrix 530 of electrical connection microbeads (for example indium microbeads).
  • the array 510 of photodiodes and the reading circuit 520 are superimposed together, along an axis (Oz) orthogonal to the plane of the array of photodiodes.
  • the read circuit 520 is produced for example on a silicon substrate, in CMOS technology. It ensures the electrical polarization of the photodiodes, and the processing of the electrical signals from each of them in order to constitute an image.
  • the array 530 of microbeads provides the electrical and mechanical connection between the array 510 of photodiodes and the reading circuit 520.
  • Each microbead 531 extends with respect to one of the photodiodes 511 of the array of photodiodes.
  • the photon collection structure 400 is turned over and bonded to a matrix 510 of photodiodes, with the etching surface 101 of the first substrate located on the side of the matrix 510 of photodiodes.
  • the bases of the truncated pyramids 110 then extend from the side of said pyramids opposite the matrix 510 of photodiodes.
  • the photon collection structure 400 and the matrix 510 of photodiodes extend parallel to one another, superimposed along an axis orthogonal to the plane of the matrix 510 of photodiodes.
  • the bonding uses an adhesive 600 which extends in the recesses etched in the first substrate, between the truncated pyramids 110.
  • the adhesive 600 is for example an epoxy adhesive.
  • the glue 600 extends into the recesses etched in the first substrate, without exceeding up to the upper faces 111 of the truncated pyramids 110.
  • the glue occupies at least 50% by volume of the spaces between the truncated pyramids without extending on their upper faces.
  • the adhesive can absorb light over at least part of the infrared spectrum, without disturbing the infrared detection by the matrix 510 of photodiodes.
  • each pixel 50 of the hybridized component 500 comprises a photodiode 511.
  • Each pixel 40 of the photon collection structure 400 comprises a truncated pyramid.
  • each pixel 40 of the photon collection structure 400 is aligned with a respective pixel 50 of the hybridized component. In other words, each of the truncated pyramids formed in the first substrate 100 is centered on a respective photodiode of the matrix 510 of photodiodes.
  • the array 510 of photodiodes is an array of back-side illumination photodiodes
  • all of a support substrate has been previously removed from an initial array of photodiodes.
  • the reflecting faces of the photon collection structure 400 are then at a well-controlled distance from the photodiodes, which makes it possible to obtain constant absorption properties from one pixel to another of the photodiodes array.
  • FIG. 6 illustrates, in a sectional view in a plane (yOz), the photo detection system 1000 obtained at the end of the implementation of the steps illustrated with reference to FIGS. IA to 5.
  • the system 1000 of photo- detection comprises the photon collection structure 400, bonded to the hybrid component 500 on the side of the photodiodes array.
  • the truncated pyramids and the reflective coating 300 together form elements for guiding the photons to the respective centers of the pixels of the photodiodes array 510.
  • a pixel 10 of the photo detection system 1000 has been outlined in dotted lines. Also shown, schematically, by arrows 11, the path of a light ray arriving at substantially normal incidence on the photo-detection system 1000.
  • the light ray arrives on the photo detection system 1000 oriented along an axis inclined by an angle less than or equal to 7 ° relative to the normal to the plane (xOy) of the array 510 of photodiodes, on the side of the structure 400 for collecting photons.
  • This light ray then circulates in the material of the first substrate, transparent to infrared.
  • the light ray is reflected several times on the reflecting walls of one of the truncated pyramids formed in the first substrate.
  • the distance between said reflecting walls decreases as one approaches the array of photodiodes.
  • the truncated pyramid provided with the reflective coating therefore forms a funnel-shaped guide element which converges towards a photodiode of the photodiodes array.
  • This guide element guides photons, by successive reflections, to the center of a pixel of the photodiodes array.
  • the different pixels 10 of the photo-detection system 1000 are identical to each other, each with a photodiode and the associated guide element.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate results of simulations, implemented to define an optimal shape of the truncated pyramids formed in the first substrate.
  • the simulations are numerical simulations, obtained by calculating finite differences in the time domain. It is assumed that the incident infrared beam is a plane wave propagating along an axis normal to the planes of the first substrate and the matrix of photodiodes.
  • An optimal form of the truncated pyramids is a form which makes it possible to obtain a strong absorption in the infrared, concentrated on a reduced surface.
  • FIG. 7A illustrates an average absorption rate in a pixel of a photo detection system according to the invention, as a function of Lo (abscissa axis, in pm) and qo (ordinate axis, in ° of angle ).
  • Lo is the width of the upper face of a truncated pyramid of the photon collection structure
  • qo is the angle between the normal to the plane of the first substrate and each of the side faces of said truncated pyramid.
  • the absorption is a rate between zero and unity, represented in the shade scale. We have considered here the absorption over a wavelength range from 2.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, and pixels distributed in a distribution step of 15 ⁇ m.
  • the absorption rate increases as Lo increases, and qo decreases.
  • FIG. 7B illustrates the radius of a disk centered on a pixel of the same photo-detection system, in which the cumulative absorption is equal to 85% of the total absorption in said pixel, and as a function of Lo and of qo .
  • the radius is represented in shade scale, in pm. The radius increases as Lo increases, and as qo moves away from a value close to 20 °.
  • the etching mask can be sized to obtain the dimensions required for the photon collection structure, by following the following steps:
  • Step 1 Taking into account the step P of distribution of the photodiodes in the photodiodes matrix, the values of Lo and qo are determined by numerical simulations which make it possible to obtain a strong absorption in the infrared, concentrated on a reduced surface.
  • Step 2 Knowing the values taken by Lo and qo, and knowing that we want the truncated pyramids to verify equation (1) (the neighboring truncated pyramids are joined two by two at their bases), we deduce the maximum depth T h of the recesses etched in the first substrate 100.
  • Step 3 Knowing the maximum depth T h , and the etching speed Vs of the first substrate during the etching step illustrated in FIGS. 3A and 3B, the duration Î G of the etching is deduced therefrom.
  • Step 4 Knowing the value taken by Lo, the etching speed VR of the photosensitive resin during the etching step illustrated in FIGS. 3A and 3B, and the duration Î G of the etching, we deduce the value of the distance Li between two studs of the engraving mask.
  • LI LO + VR * ÎG. It can therefore be seen that the width of the studs constituting the etching mask is adapted so that the etching of the first substrate produces truncated pyramids with contiguous sides (see equation (1)).
  • Step 5 The value of the angle qi of inclination of the lateral faces of the pads of the etching mask is determined relative to the normal to the first substrate.
  • the value taken by the angle qi is determined from the relation according to which a ratio of the tangent of the angle qi divided by the tangent of the angle qo is equal to the ratio of the engraving speed VR of the photosensitive resin divided by the etching speed Vs of the first substrate.
  • the etching mask consisting of studs each in the form of a truncated pyramid with square base, distributed in a regular pitch, with a spacing Li between two neighboring studs and an angle qi of inclination of the lateral faces of pads relatively to the normal to the plane of the first substrate.
  • FIG. 8A illustrates a second embodiment of a photo detection system 2000 according to the invention, which differs from the system of FIG. 6 only in that it also comprises an anti-reflective layer 700, disposed between the structure 400 for photon collection and the hybrid component 500.
  • the anti-reflective layer 700 is preferably deposited on the hybrid component 500, on the side of the matrix 510 of photodiodes, before the step of bonding the structure 400 for collecting photons on the hybrid component 500.
  • the anti-reflective layer 700 is for example made of ZnS or S1O2, advantageously with an optical index intermediate between that of the air and that of the first substrate.
  • the anti-reflective layer 700 provides the anti-reflection function over a range of wavelengths located in the infrared. It increases the average absorption rate in the pixel by 30%.
  • FIG. 8B illustrates a third embodiment of a photo detection system 3000 according to the invention, which differs from the system of FIG. 6 only in that it further comprises a spectral filter 800, here arranged on the structure 400 for collecting photons, on the opposite side to the hybrid component 500.
  • the spectral filter 800 can be produced on the structure 400 for collecting photos after, or before the step of bonding the structure 400 for collecting photons on the component hybrid 500.
  • the spectral filter 800 provides a spectral filtering function, to let pass photons at wavelengths included in a range of interest located in the infrared, and to block photons at wavelengths located outside this range of interest.
  • the spectral filter 800 is for example a multilayer filter based on layers of variable optical indices, or a filter based on meta-surfaces formed at the interface between a metal and a dielectric.
  • the spectral filter 800 is located rather between the photon collection structure 400 and the hybrid component 500.
  • the spectral filter 800 is preferably deposited on the hybrid component 500, on the side of the matrix 510 of photodiodes, before the bonding step of the photon collection structure 400 on the hybrid component 500.
  • the invention provides a matrix type photo-detection system, sensitive in the infrared and offering improved spatial resolution compared to the prior art.
  • the spaces between the truncated pyramids, corresponding to the recesses etched in the first substrate, can be completely or only partially filled (preferably more than 50% by volume) with an adhesive. Alternatively, these spaces can be partially filled with a filler other than an adhesive.
  • the photon collection structure is then bonded to the photodiode matrix by a layer of annex glue.
  • the layer of annex glue does not extend with respect to the upper faces of the truncated pyramids, as defined above, so as not to disturb the transmission of photons to the matrix of photodiodes.
  • all or part of the spaces between the truncated pyramids can be filled with a vacuum or a gas.
  • the step of fixing the photon collection structure to the photodiode matrix is then implemented without the use of an adhesive, for example by molecular adhesion.
  • said fixing step is implemented on a non-hybridized photodiodes matrix, that is to say on a photodiodes matrix which is not connected to a reading circuit by a matrix of electrical connection microbeads.
  • the etching of the first substrate to form the truncated pyramids implements a direct etching process, without an etching mask.
  • a photodiode matrix in HgCdTe in HgCdTe.
  • the invention is not limited to this example, and is also applicable with arrays of photodiodes formed in a semiconductor substrate based on indium and antimony (InSb), or based on indium, arsenic and antimony (InAsSb) or any other alloy of the III-V or II-VI sector (alloy of materials belonging respectively to columns III and V, or to columns II and VI of the periodic table of elements).
  • InSb indium and antimony
  • InAsSb indium, arsenic and antimony
  • III-V or II-VI sector alloy of the III-V or II-VI sector
  • other pixel pitch values can be used, for example 10 ⁇ m or 7.5 ⁇ m.
  • Pixel distribution matrices, with non-square, for example hexagonal, meshes are also not excluded.
  • the invention is also advantageous in that it makes it possible to collectively manufacture a plurality of photon collection structures on the same first substrate, before separating them to fix them each on a respective matrix of photodiodes. Separate fabrication of the photon collection structure also makes it possible to separate photon collection structures and photodiode arrays separately, to improve final manufacturing efficiency.
  • the invention is particularly applicable in the fields of surveillance, observation, guidance and infrared detection.

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé pour réaliser un système de photo- détection (1000) qui comprend un dispositif matriciel de photo- détection (500) sensible dans l'infrarouge, et une structure (400) de collecte de photons pour guider des photons incidents vers les centres respectifs des pixels (10) du dispositif matriciel de photo- détection. Le procédé comprend une étape de gravure pour former des pyramides tronquées dans un premier substrat, le dépôt d'un revêtement réfléchissant l'infrarouge, et la fixation du premier substrat sur le dispositif matriciel de photo-détection, avec les bases des pyramides tronquées situées du côté des pyramides tronquées opposé au dispositif matriciel de photo-détection, et avec les pyramides tronquées jointives deux à deux au niveau de leurs bases respectives.

Description

DÉTECTEUR INFRAROUGE AVEC STRUCTURE DE COLLECTE DE PHOTONS ET SON
PROCÉDÉ DE FABRICATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des détecteurs infrarouge refroidis, sensibles à des longueurs d'onde comprises entre 2 pm et 20 pm.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
On connaît dans l'art antérieur des détecteurs infrarouge comprenant une matrice planaire de photodiodes, chaque photodiode comportant une simple jonction p-n (ou n-p). Les photodiodes sont formées dans une couche active en matériau semiconducteur, faite par exemple d'un alliage de tellure, mercure et cadmium de type CdxHg(i-x)Te, avec x un nombre réel positif. Ces détecteurs offrent des résolutions thermiques pouvant aller jusqu'à quelques millièmes de degré Kelvin, à condition d'être refroidis à basse température, généralement bien en dessous de 300K, de préférence à une température inférieure à 200K voire même inférieure à 100K.
En fonctionnement, des photons sont absorbés dans les régions d'absorption respectives des photodiodes. Ils y génèrent des porteurs de charge, qui diffusent dans la couche active jusqu'aux jonctions p-n (ou n-p), où ils créent des courants électriques mesurables. Il peut arriver qu'un photon, arrivant sur la couche active au regard de l'une des photodiodes, génère un porteur de charge qui diffuse jusqu'à la jonction p-n (ou n-p) d'une photodiode voisine. La répartition spatiale des courants électriques ne correspond alors plus rigoureusement à la répartition spatiale des photons incidents sur la matrice de photodiodes. Ce phénomène est nommé « cross talk », ou diaphonie.
Différentes solutions sont connues pour limiter la diaphonie. Dans la demande de brevet WO 2017/089527 Al, il est proposé par exemple une matrice de photodiodes, dans laquelle les photodiodes sont séparées deux à deux par des tranchées creusées dans la couche active en matériau semiconducteur. Les flancs des tranchées sont recouverts d'une couche de stabilisation, destinée à réduire l'influence des défauts de surface apportés par la gravure des tranchées. Si la couche de stabilisation n'est pas suffisamment efficace, la gravure de la couche active peut être source de bruit sur les courants électriques mesurés.
Un objectif de la présente invention est de proposer une solution pour limiter la diaphonie d'un dispositif matriciel de photo-détection sensible dans l'infrarouge, et ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé avantageux pour réaliser cet objet.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Cet objectif est atteint par un procédé pour réaliser un système de photo-détection tel que défini en revendication 1. côté des pyramides tronquées opposé au dispositif matriciel de photo-détection.
Par « sensible dans l'infrarouge », on entend sensible sur une plage de longueurs d'onde appartenant à la gamme infrarouge, où la gamme infrarouge va de 2 pm à 20 pm.
Par « fixation sur », on entend fixation de sorte que la structure de collecte de photons et le dispositif matriciel de photo-détection soient agencés parallèles entre eux, et superposés le long d'un axe orthogonal au plan du dispositif matriciel de photo détection. La fixation est avantageusement réalisée par collage, mais d'autres solutions ne sont pas exclues telles que l'adhérence moléculaire. La structure de collecte de photons n'est pas forcément fixée directement sur le dispositif matriciel de photo-détection. Une couche intermédiaire telle qu'une couche antireflet ou un filtre spectral peut être insérée entre les deux.
La surface de gravure du premier substrat désigne la face d'attaque de la gravure sur le premier substrat. L'idée à la base de l'invention est de limiter la diaphonie d'un dispositif matriciel de photo-détection sensible dans l'infrarouge, à l'aide d'une structure de collecte de photon rapportée et fixée sur ce dernier.
Le dispositif matriciel de photo-détection comporte une matrice de photodiodes. La structure de collecte de photons comprend une matrice de pyramides tronquées renversées. En fonctionnement, la lumière circule dans ces pyramides tronquées renversées pour atteindre la matrice de photodiodes. Les pyramides tronquées renversées forment, avec le revêtement réfléchissant, des éléments de guidage en forme d'entonnoir qui convergent chacun vers une photodiode respective de la matrice de photodiodes. En fonctionnement, les photons incidents se propagent dans les pyramides tronquées, et sont déviés par réflexions successives vers les centres respectifs des pixels de la matrice de photodiodes. Ainsi, un photon arrivant sur le système de photo-détection au regard d'un pixel prédéterminé de la matrice de photodiodes est dévié vers une région centrale de ce pixel. Il génère donc un porteur de charge dans cette région centrale du pixel. Ce porteur de charge diffuse dans la couche active de la matrice de photodiodes. Cependant, comme ce porteur de charge est généré dans une région centrale du pixel, il ne diffuse pas jusqu'à un pixel voisin, ce qui limite la diaphonie dans le système de photo-détection selon l'invention.
La structure de collecte de photons a la forme d'une matrice de pyramides tronquées. Sa forme est donc définie par des faces planes, ce qui simplifie sa fabrication en comparaison avec une matrice de microlentilles où chaque microlentille présente des faces incurvées. En outre, le procédé de fabrication requiert un nombre limité d'étapes, et tous les éléments de guidage de la structure de collecte de photons peuvent être réalisés conjointement, ce qui assure un haut rendement de fabrication.
Le document WO 2005/124868 décrit une structure de collecte de photons agencée au-dessus d'un dispositif matriciel de photo détection fonctionnant dans le visible. Dans ce document, la structure de collecte de photons est réalisée en gravant des ouvertures dans une couche pleine déposée sur la matrice de photodiode, et en recouvrant les parois des ouvertures gravées par un revêtement optiquement réfléchissant. La couche pleine déposée sur la matrice de photodiodes est en matériau amorphe tel qu'un verre borophosphosilicate. Or, cette solution ne peut pas être appliquée directement au domaine de l'infrarouge refroidi. En effet, le fonctionnement à basse température implique de fortes contraintes sur la couche pleine à déposer sur la matrice de photodiodes, en termes de coefficient d'expansion thermique. Il est difficile de déposer une couche épaisse (épaisseur supérieure à 1 pm) sur une matrice de photodiodes en technologie infrarouge refroidi.
L'une des idées à la base de l'invention consiste à former la structure de collecte de photons non pas dans une couche déposée directement sur la matrice de photodiodes, mais dans un substrat annexe, nommé ici « premier substrat », qui est ensuite rapporté et fixée sur la matrice de photodiodes. Ce procédé offre une grande liberté dans le choix du matériau de la structure de collecte de photons, permettant d'utiliser des matériaux dans le coefficient d'expansion thermique est compatible avec le matériau de la matrice de photodiodes aux températures d'utilisation du système de photo-détection selon l'invention. On peut ainsi réaliser un système de photo-détection apte à supporter de multiples cycles de descente et montée en température.
On remarque qu'en revanche, lorsque la structure de collecte de photons est en matériau cristallin ou semi-cristallin, ce matériau n'a pas forcément un paramètre de maille proche de celui de la matrice de photodiodes.
Dans le procédé selon l'invention, on forme dans le premier substrat des pyramides tronquées dont les bases s'étendent du côté opposé à une surface de gravure du premier substrat, puis on fixe la structure de collecte de photons avec les bases desdites pyramides tronquées situées du côté des pyramides opposé au dispositif matriciel de photo-détection. Le premier substrat gravé est donc retourné avant d'être fixé sur la matrice de photodiodes. La surface de gravure du premier substrat se retrouve alors du côté de la matrice de photodiode. En outre, et contrairement à ce qui peut exister dans le visible, les régions non gravées du premier substrat correspondent aux régions dans lesquelles la lumière se propage jusqu'au dispositif matriciel de photo-détection, en fonctionnement. En d'autres termes, en fonctionnement, la lumière se propage jusqu'au dispositif matriciel de photo-détection en passant par les pyramides tronquées formées dans le matériau du premier substrat. Les pyramides tronquées sont jointives au niveau de leurs bases respectives. En d'autres termes, chacune des pyramides tronquées est en contact physique direct avec les pyramides tronquées voisines, le long des bords de sa base. Cette caractéristique permet, après retournement du premier substrat, de s'affranchir d'un épaulement séparant deux éléments de guidage, du côté des éléments de guidage opposé à la matrice de photodiodes, où chaque élément de guidage est formé par une pyramide tronquée renversée dont les parois latérales sont munies d'un revêtement réfléchissant. On améliore ainsi un rendement de transmission de la structure de collecte photons. Les procédés de gravure mis en œuvre dans le document WO 2005/124868 ne permettraient de graver des éléments de guidage sans les épaulements. En outre, ce document enseigne d'utiliser ces épaulements pour fournir des surfaces d'appui à une matrice de filtres spectraux.
Le procédé selon l'invention permet également de s'affranchir d'une couche d'arrêt de la gravure, entre la matrice de photodiodes et la structure de collecte de photons. Cette caractéristique est d'autant plus avantageuse, qu'on ne connaît pas à ce jour de couche transparente dans l'infrarouge assurant l'arrêt de procédé de gravure anisotrope.
On remarque également que le procédé selon l'invention ne requiert pas une grande directivité de dépôt du revêtement optiquement réfléchissant, puisque cette étape est mise en œuvre avant le report sur la matrice de photodiode. Il n'y a donc aucun risque d'occulter les photodiodes avec le revêtement réfléchissant déposé au fond des évidements gravés. On peut ainsi obtenir un bon rendement de transmission de la structure de collecte photons, et s'affranchir de réflexions parasites dommageables au bon fonctionnement du système de photo-détection réalisé à l'aide du procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention permet également d'obtenir une meilleure reproductibilité de la sensibilité des photo-détecteurs, d'un pixel à l'autre du système de photo-détection et d'un système à l'autre, en comparaison avec une collecte de photons qui serait réalisée à l'aide de microlentilles en polymère. En effet, le rayon de courbure d'une microlentille en polymère est mal contrôlé lors de la mise à froid liée au contexte de l'infrarouge refroidi, et la distance entre la microlentille et une couche d'absorption des photo-détecteurs est difficile à maîtriser. Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre les étapes suivantes :
- dépôt, sur la surface de gravure du premier substrat, d'une couche de résine photosensible ;
- gravure de la couche de résine photosensible, de manière à former un masque de gravure constitué d'une matrice de plots ;
- gravure du premier substrat à travers le masque de gravure, pour former dans le premier substrat la matrice de pyramides tronquées, les pyramides tronquées étant centrées chacune sur l'un des plots du masque de gravure, avec les bases desdites pyramides situées du côté opposé au masque de gravure.
Le procédé selon l'invention peut comporter en outre une étape de fluage, mise en œuvre avant l'étape de gravure du premier substrat et de manière à obtenir un angle d'inclinaison prédéterminé des faces latérales des plots du masque de gravure.
De préférence, lors de l'étape de gravure du premier substrat, le masque de gravure est gravé conjointement avec le premier substrat, et le procédé comporte en outre une étape de durcissement de la couche de résine photosensible ou du masque de gravure, pour modifier une vitesse de gravure du masque de gravure lors de ladite gravure du premier substrat.
De manière avantageuse, le dispositif matriciel de photo-détection comprend une matrice de photodiodes formée dans un second substrat, et une différence en valeur absolue entre le coefficient d'expansion thermique du premier substrat et le coefficient d'expansion thermique du second substrat est inférieure ou égale à 5 ppm.K 1 sur des températures comprises entre 50 K et 300 K.
Le dispositif matriciel de photo-détection peut comprendre une matrice de photodiodes formée dans un second substrat de Mercure, Cadmium et Tellure, et le premier substrat peut être constitué d'un alliage de Cadmium, Zinc et Tellure.
En variante, le dispositif matriciel de photo-détection peut comprendre une matrice de photodiodes formée dans un second substrat de Mercure, Cadmium et Tellure, et le premier substrat peut comprendre du germanium.
De préférence, la fixation de la structure de collecte de photons sur le dispositif matriciel de photo-détection est réalisée par collage, et comprend le dépôt d'une couche de colle sur la structure de collecte de photons, la colle remplissant au moins certains des espaces entre les pyramides tronquées.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de dépôt d'une couche antireflet, la couche antireflet se trouvant entre la structure de collecte de photons et le dispositif matriciel de photo-détection après l'étape de fixation.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de dépôt d'un filtre spectral, le filtre spectral se trouvant, après l'étape de fixation, entre la structure de collecte de photons et le dispositif matriciel de photo-détection, ou sur la structure de collecte de photons du côté opposé au dispositif matriciel de photo-détection.
Le dispositif matriciel de photo-détection est avantageusement un composant hybridé comprenant une matrice de photodiodes et un circuit lecture superposés, la structure de collecte de photons étant fixée du côté de la matrice de photodiodes.
De préférence, le procédé selon l'invention comporte en outre une étape de gravure pour retirer un substrat de support d'une matrice de photodiodes à illumination par l'arrière, et pour former ainsi le dispositif matriciel de photo-détection sur lequel la structure de collecte de photons est fixée.
Chacune desdites pyramides tronquées peut être une pyramide droite à base carrée.
L'invention couvre aussi un système de photo-détection qui comprend un dispositif matriciel de photo-détection sensible dans l'infrarouge et une structure de collecte de photons pour guider des photons incidents vers les centres respectifs des pixels du dispositif matriciel de photo-détection, ledit système étant réalisé à l'aide d'un procédé selon l'invention et présentant les caractéristiques suivantes :
- la structure de collecte de photons comporte une matrice de pyramides tronquées dont les parois latérales sont recouvertes d'un revêtement optiquement réfléchissant dans l'infrarouge ;
- lesdites pyramides tronquées sont centrées chacune sur un pixel du dispositif matriciel de photo-détection ;
- les bases desdites pyramides tronquées sont situées du côté des pyramides tronquées opposé au dispositif matriciel de photo-détection ; et - les pyramides tronquées sont formées jointives deux à deux au niveau de leurs bases respectives.
De préférence, les espaces entre les pyramides tronquées sont remplis au moins à 50% en volume par une colle assurant la fixation de la structure de collecte de photons relativement au dispositif matriciel de photo-détection, la colle ne s'étendant pas sur surfaces supérieures des pyramides tronquées .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Fig. 1 illustre une première étape d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
Fig. 2A et Fig. 2B illustrent une deuxième étape du procédé selon ce premier mode de réalisation ;
Fig. 3A et Fig. 3B illustrent une troisième étape du procédé selon ce premier mode de réalisation ;
Fig. 4 illustre une quatrième étape du procédé selon ce premier mode de réalisation ;
Fig. 5 illustre une cinquième étape du procédé selon ce premier mode de réalisation ;
Fig. 6 illustre, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un système de photo-détection selon l'invention ;
Fig. 7A et Fig. 7B illustrent des résultats de simulations mises en œuvre pour définir une forme optimale des pyramides tronquées dans un système de photo détection selon l'invention ; et
Fig. 8A et Fig. 8B illustrent respectivement un deuxième et un troisième modes de réalisation d'un système de photo-détection selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On illustre pour commencer, et de façon schématique, les étapes d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention. Les axes d'un repère orthonormé (Oxyz) sont représentés sur les figures.
La figure 1 illustre de manière schématique, et selon une vue en coupe dans le plan (yOz) du repère orthonormé, une première étape de ce procédé. Dans cette première étape, on dépose, sur la surface de gravure 101 d'un premier substrat 100, une couche 200 de résine photosensible.
La surface de gravure 101 désigne une face supérieure du premier substrat. La surface de gravure 101 s'étend ici dans un plan (xOy) qui définit le plan du premier substrat 100.
Le premier substrat 100 est en matériau optiquement transparent sur une plage de longueurs d'onde située dans l'infrarouge. Dans tout le texte, l'infrarouge désigne des longueurs d'onde allant de 2 pm à 20 pm. Ladite plage de longueurs d'onde désigne par exemple des longueurs d'onde allant de 2,5 pm à 5 pm (infrarouge moyen). Le premier substrat 100 présente par exemple un coefficient de transmission supérieur ou égal à 80% sur cette plage de longueurs d'onde.
Son coefficient d'expansion thermique (CTE) est proche du CTE d'un matériau semi- conducteur dans lequel on peut former une matrice de photodiodes émettant dans l'infrarouge. En particulier, son CTE est proche du CTE d'un matériau semi-conducteur constitué d'un alliage de tellure, mercure et cadmium de type CdxHg(i-x)Te, avec x un nombre réel positif. La différence en valeur absolue entre lesdits CTE est avantageusement inférieure ou égale à 5 ppm.K 1 (parties par million par degré Kelvin), et plus préférentiellement inférieure ou égale à 1 ppm.K 1, sur une plage de températures allant d'une température de fonctionnement de ladite matrice de photodiodes à la température ambiante (typiquement de de 50K à 300K). De manière optionnelle, le premier substrat peut présenter une structure cristalline, ou semi-cristalline.
Ici, le premier substrat 100 est constitué d'un alliage de tellure, cadmium et zinc de type CdxZn(i-x)Te, avec x un nombre réel positif. En variante, le premier substrat 100 peut comprendre du germanium, voire être entièrement constitué de germanium. La transmission de ce matériau est particulièrement bien adaptée dans le cadre d'une détection dans une plage de longueurs d'onde située dans une plage comprise entre 2 pm et 20 pm.
L'utilisation d'un premier substrat 100 en silicium est proscrite.
La couche 200 de résine photosensible ne sera pas décrite ici plus en détail, car il s'agit d'un matériau connu dans l'art antérieur, notamment dans le domaine de la photolithographie.
Les figures 2A et 2B illustrent de manière schématique une deuxième étape du procédé. Au cours de cette deuxième étape, la couche 200 de résine photosensible est gravée localement et sur toute son épaisseur, de manière à former une matrice de plots 221 qui définissent ensemble un masque de gravure 220. A la figure 2A, l'ensemble obtenu à l'issue de cette deuxième étape, constitué du premier substrat 100 et du masque de gravure 220, est représenté selon une vue en coupe dans le plan (yOz). A la figure 2B, ce même ensemble est représenté selon une vue de dessus, dans un plan parallèle au plan (xOy) du repère orthonormé.
Le procédé de gravure de la résine photosensible mis en œuvre dans cette deuxième étape est par exemple une photolithographie. Cette photolithographie utilise avantageusement un premier masque. On expose la couche 200 de résine photosensible au travers du premier masque, et on développe la résine photosensible. Les motifs exposés sont dissous dans le développeur, ou l'inverse, selon la polarité de la résine. En variante, la gravure de la résine photosensible peut être réalisée par nano-impression ou autre procédé à écriture directe. En tout état de cause, un évidement en forme de grille est formé dans la couche 200 de résine photosensible.
Dans le masque de gravure 220, les plots 221 sont répartis spatialement de la même manière que les photodiodes d'une matrice de photodiodes sur laquelle le premier substrat 100 est rapporté dans une étape ultérieure du procédé selon l'invention. De préférence, les plots 221 du masque de gravure 220 sont répartis selon un maillage carré, avec un pas de répartition P. Les plots 221 présentent chacun une forme de cylindre droit à base polygonale ou de pyramide droite tronquée à base polygonale, où le polygone est un polygone régulier qui présente autant de côtés qu'un pixel a de pixels voisins dans une matrice de répartition desdits plots 221. Les pyramides droites tronquées sont tronquées selon un plan (xOy) parallèle au plan du premier substrat 100. En tout état de cause, tous les plots 221 du masque de gravure présentent avantageusement la même forme.
Ici, les plots 221 ont chacun la forme d'une pyramide tronquée à base carrée. Les plots 221 sont espacés deux à deux d'une distance Li, mesurée dans un plan recevant les faces inférieures des plots 221, du côté du premier substrat 100. Les faces latérales des plots sont inclinées chacune d'un angle qi, relativement à la normale (Oz) au plan du premier substrat 100. Le cas échéant, la deuxième étape du procédé selon l'invention peut comporter une étape de fluage par chauffage, mise en œuvre après la gravure de la couche 200 de résine photosensible, pour modifier la valeur de l'angle qi. L'étape de fluage comporte un chauffage à une température comprise par exemple entre 100°C et 150°C, et pendant une durée comprise entre quelques secondes et quelques minutes.
Les figures 3A et 3B illustrent de manière schématique une troisième étape du procédé. Au cours de cette troisième étape, le premier substrat 100 est gravé, à travers le masque de gravure 220, de manière à former dans le premier substrat 100 une matrice de pyramides tronquées 110 centrées chacune sur un plot 221 du masque de gravure 220. Chaque pyramide tronquée est constituée du matériau du premier substrat 100. A la figure 3A, l'ensemble obtenu à l'issue de cette troisième étape est représenté selon une vue en coupe dans le plan (yOz). A la figure 3B, ce même ensemble est représenté selon une vue de dessus dans un plan parallèle au plan (xOy).
Les pyramides tronquées 110 ne s'étendent pas selon toute l'épaisseur du premier substrat 100.
Chaque pyramide tronquée 110 présente une forme de pyramide droite tronquée à base 112 polygonale. Ladite pyramide est tronquée selon un plan (xOy) parallèle au plan du premier substrat 100. La base 112 s'étend du côté du substrat 100 opposé à sa surface de gravure 101. Cette base 112 a la forme d'un polygone régulier avec autant de côtés qu'un pixel a de pixels voisins dans une matrice de répartition des pyramides tronquées (égale à une matrice de répartition des plots du masque de gravure 220, elle-même égale à une matrice de répartition des photodiodes d'une matrice de photodiodes sur laquelle le premier substrat 100 est rapporté dans une étape ultérieure du procédé). Toutes les pyramides tronquées 110 présentent avantageusement la même forme.
Ici, les pyramides tronquées 110 ont chacune la forme d'une pyramide tronquée à base carrée. Les faces latérales 113 des pyramides tronquées 110 sont inclinées chacune d'un angle qo relativement à la normale (Oz) au plan du premier substrat 100. Du côté opposé à sa base 112, chaque pyramide tronquée 110 est délimitée par une face supérieure 111 qui s'étend dans le plan de la surface de gravure 101 du premier substrat 100. La forme de la face supérieure 111 est une homothétie de la forme de la base 112. Ici, la face supérieure 111 est un carré de côté Lo.
L'angle qi d'inclinaison des faces latérales des plots 221 du masque de gravure, et l'angle qo d'inclinaison des faces latérales des pyramides tronquées 110, ne sont pas forcément égaux entre eux.
Le premier substrat 100 est gravé par gravure anisotrope, par exemple une gravure par abrasion ionique ou une gravure plasma. La valeur de l'angle qo est maîtrisée par exemple en ajustant un angle d'abrasion ionique, ou la composition chimique du plasma de gravure. On peut aussi utiliser un procédé de gravure humide mettant à profit une anisotropie de gravure qui dépend de l'orientation des plans cristallins dans le premier substrat 100, notamment lorsque le premier substrat est en germanium.
En général, le masque de gravure 220 est gravé conjointement avec le premier substrat 100, lors de réalisation des pyramides tronquées 110. Dans le cas d'une gravure de type abrasion ionique, un rapport de la tangente de l'angle qi (inclinaison des faces latérales des plots 221) divisé par la tangente de l'angle qo (inclinaison des faces latérales des pyramides tronquées 110) est égal au rapport de la vitesse de la gravure dans la résine photosensible du masque de gravure 220 divisée par la vitesse de la gravure dans le premier substrat 100. La valeur de l'angle qi peut être ajustée par un procédé de fluage tel que mentionné ci-avant. La vitesse de la gravure dans la résine photosensible peut être ajustée par un durcissement de la résine photosensible, mis en œuvre entre l'étape de dépôt de la couche 200 en résine photosensible et l'étape de gravure du premier substrat 100. Le durcissement peut comprendre un recuit, ou l'exposition à un faisceau lumineux de longueur d'onde prédéterminée, ou l'exposition à un courant ionique.
Comme représenté sur les figures 3A et 3B, les pyramides tronquées 110 sont en contact physique direct deux à deux, le long de bords de leurs bases respectives. Les évidements gravés dans le premier substrat 100 sont donc de forme pointue, du côté opposé à la surface de gravure 101 du premier substrat 100. La profondeur maximale Th des évidements gravés dans le premier substrat 100 vérifie alors :
Figure imgf000015_0001
où P est le pas de répartition des pyramides tronquées, réparties selon un maillage carré ; Lo est la largeur d'une face supérieure des pyramides tronquées, telle que définie ci-dessus ; et
qo est l'angle entre la normale au plan du premier substrat et chacune des faces latérales des pyramides tronquées.
La troisième étape du procédé selon l'invention peut comprendre, en outre, une étape de gravure pour retirer les résidus 231 du masque de gravure, pouvant subsister sur le premier substrat après la gravure des pyramides tronquées.
La figure 4 illustre de manière schématique une quatrième étape du procédé, selon une vue en coupe dans le plan (yOz). Dans cette quatrième étape, on dépose, sur les parois latérales 113 des pyramides tronquées 110, un revêtement 300 optiquement réfléchissant sur une plage de longueurs d'onde située dans l'infrarouge. En d'autres termes, le revêtement 300 a la partie réelle de sa constante diélectrique qui est inférieure ou égale à zéro pour des longueurs d'onde comprises entre 2 pm et 20 pm. Le revêtement 300 présente par exemple un coefficient de réflexion supérieur ou égal à 80%, sur une plage de longueurs d'onde située dans l'infrarouge, par exemple pour des longueurs d'onde allant de 2,5 pm à 5 pm. Le revêtement 300 est constitué de préférence d'une couche de métal d'épaisseur inférieure à 100 nm. Le métal est par exemple de l'or, du platine, du cuivre, de l'argent, ou un alliage comprenant au moins deux de ces métaux.
Les faces supérieures 111 des pyramides tronquées 110 ne sont pas recouvertes par le revêtement 300. Pour cela, le revêtement 300 peut être déposé de manière localisée, uniquement sur les faces latérales des pyramides tronquées. En variante, le revêtement 300 peut recouvrir de manière uniforme tout le premier substrat gravé, puis gravé localement sur les faces supérieures 111 des pyramides tronquées 110. De manière avantageuse, le revêtement 300 est déposé de manière uniforme en recouvrant tout le premier substrat gravé, avec les faces supérieures 111 des pyramides tronquées 110 recouvertes par les résidus du masque de gravure, puis on retire ensemble les résidus du masque de gravure et les portions de revêtement 300 recouvrant ces derniers.
Le premier substrat 100 dans lequel sont formées les pyramides tronquées 110, et le revêtement réfléchissant 300, forment ensemble une structure 400 de collecte de photons.
Enfin, la figure 5 illustre de manière schématique une cinquième étape du procédé, selon une vue en coupe dans le plan (yOz).
Cette cinquième étape fait intervenir une matrice 510 de photodiodes, formée dans un substrat en matériau semi-conducteur constitué d'un alliage de tellure, mercure et cadmium de type CdxHg(i-x)Te, avec x un nombre réel positif. La valeur de x peut varier d'un point à l'autre dudit substrat semi-conducteur. Ladite matrice 510 de photodiodes est sensible sur une plage de longueurs d'onde située dans l'infrarouge, par exemple à des longueurs d'onde allant de 2,5 pm à 5 pm. En fonctionnement, elle est refroidie à une température bien en-dessous de 300K, de préférence inférieure à 200K voire même inférieure à 100K. Chaque photodiode de ladite matrice comprend un caisson dopé 511 définissant une jonction p-n ou n-p avec le restant du substrat semi-conducteur. Les photodiodes sont réparties ici selon un maillage carré de pas P.
Ici, la matrice 510 de photodiodes fait partie intégrante d'un composant hybridé 500 qui comprend également un circuit de lecture 520 et une matrice 530 de microbilles de connexion électrique (par exemple des microbilles d'indium). La matrice 510 de photodiodes et le circuit de lecture 520 sont superposés ensemble, le long d'un axe (Oz) orthogonal au plan de la matrice de photodiodes. Le circuit de lecture 520 est réalisé par exemple sur un substrat en silicium, en technologie CMOS. Il assure la polarisation électrique des photodiodes, et le traitement des signaux électriques issus de chacune d'elles afin de constituer une image. La matrice 530 de microbilles assure la connexion électrique et mécanique entre la matrice 510 de photodiodes et le circuit de lecture 520. Chaque microbille 531 s'étend au regard de l'une des photodiodes 511 de la matrice de photodiodes.
Lors de cette cinquième étape, la structure 400 de collecte de photons est retournée et collée sur une matrice 510 de photodiodes, avec la surface de gravure 101 du premier substrat située du côté de la matrice 510 de photodiodes. Les bases des pyramides tronquées 110 s'étendent alors du côté desdites pyramides opposé à la matrice 510 de photodiodes. A l'issue de cette étape, la structure 400 de collecte de photons et la matrice 510 de photodiodes s'étendent parallèles entre elles, superposées le long d'un axe orthogonal au plan de la matrice 510 de photodiodes.
Le collage utilise une colle 600 qui s'étend dans les évidements gravés dans le premier substrat, entre les pyramides tronquées 110. La colle 600 est par exemple une colle époxy. De préférence, la colle 600 s'étend dans les évidements gravés dans le premier substrat, sans dépasser jusque sur les faces supérieures 111 des pyramides tronquées 110. La colle occupe au moins 50% en volume des espaces entre les pyramides tronquées sans s'étendre sur leurs faces supérieures. Ainsi, la colle peut absorber la lumière sur au moins une partie du spectre infrarouge, sans perturber la détection infrarouge par la matrice 510 de photodiodes.
Sur la figure 5, on a encadré en traits pointillés un pixel 50 du composant hybridé 500, et un pixel 40 de la structure 400 de collecte de photons. Chaque pixel 50 du composant hybridé comporte une photodiode 511. Chaque pixel 40 de la structure 400 de collecte de photons comporte une pyramide tronquée. A l'issue de la cinquième étape du procédé selon l'invention, chaque pixel 40 de la structure 400 de collecte de photons est aligné avec un pixel respectif 50 du composant hybridé. En d'autres termes, chacune des pyramides tronquées formées dans le premier substrat 100 est centrée sur une photodiode respective de la matrice 510 de photodiodes.
Lorsque la matrice 510 de photodiodes est une matrice de photodiodes à illumination par l'arrière (« back side illumination », en anglais), la totalité d'un substrat de support a été préalablement retirée d'une matrice initiale de photodiodes. Les faces réfléchissantes de la structure 400 de collecte de photons sont alors à une distance bien contrôlée des photodiodes, ce qui permet d'obtenir des propriétés d'absorption constantes d'un pixel à l'autre de la matrice de photodiodes.
La figure 6 illustre, selon une vue en coupe dans un plan (yOz), le système de photo détection 1000 obtenu à l'issu de la mise en œuvre des étapes illustrées en référence aux figures IA à 5. Le système 1000 de photo-détection comprend la structure 400 de collecte de photons, collée sur le composant hybridé 500 du côté de la matrice de photodiodes.
Dans le système 1000 de photo-détection, les pyramides tronquées et le revêtement réfléchissant 300 forment ensemble des éléments de guidage des photons jusqu'aux centres respectifs des pixels de la matrice de photodiodes 510.
Sur la figure 6, on a encadré en traits pointillés un pixel 10 du système de photo détection 1000 selon l'invention. On a également représenté, de façon schématique, par des flèches 11, le trajet d'un rayon lumineux arrivant à incidence sensiblement normale sur le système de photo-détection 1000. Le rayon lumineux arrive sur le système de photo détection 1000 orienté selon un axe incliné d'un angle inférieur ou égal à 7° relativement à la normale au plan (xOy) de la matrice 510 de photodiodes, du côté de la structure 400 de collecte de photons. Ce rayon lumineux circule ensuite dans le matériau du premier substrat, transparent à l'infrarouge. Ici, le rayon lumineux est réfléchi plusieurs fois sur les parois réfléchissantes de l'une des pyramides tronquées formées dans le premier substrat. La distance entre lesdites parois réfléchissantes diminue au fur et à mesure que l'on se rapproche de la matrice de photodiodes. La pyramide tronquée munie du revêtement réfléchissant forme donc un élément de guidage en forme d'entonnoir, qui converge vers une photodiode de la matrice de photodiodes. Cet élément de guidage réalise un guidage des photons, par réflexions successives, jusqu'au centre d'un pixel de la matrice de photodiodes. Les différents pixels 10 du système de photo-détection 1000 sont identiques entre eux, avec chacun une photodiode et l'élément de guidage associé.
Les figures 7A et 7B illustrent des résultats de simulations, mises en œuvre pour définir une forme optimale des pyramides tronquées formées dans le premier substrat. Les simulations sont des simulations numériques, obtenues par calcul de différences finies dans le domaine temporel. On suppose que le faisceau infrarouge incident est une onde plane se propageant selon un axe normal aux plans du premier substrat et de la matrice de photodiodes. Une forme optimale des pyramides tronquées est une forme qui permet d'obtenir une forte absorption dans l'infrarouge, concentrée sur une surface réduite.
La figure 7A illustre un taux d'absorption moyen dans un pixel d'un système de photo détection selon l'invention, en fonction de Lo (axe des abscisses, en pm) et de qo (axe des ordonnées, en ° d'angle). Pour rappel, Lo est la largeur de la face supérieure d'une pyramide tronquée de la structure de collecte de photons, et qo est l'angle entre la normale au plan du premier substrat et chacune des faces latérales de ladite pyramide tronquée. L'absorption est un taux compris entre zéro et l'unité, représenté en échelle de teinte. On a considéré ici l'absorption sur une plage de longueurs d'onde allant de 2,5 pm à 5 pm, et des pixels répartis selon un pas de répartition de 15 pm. Le taux d'absorption augmente au fur et à mesure que Lo augmente, et que qo diminue.
La figure 7B illustre le rayon d'un disque centré sur un pixel du même système de photo-détection, dans lequel l'absorption cumulée est égale à 85% de l'absorption totale dans ledit pixel, et en fonction de Lo et de qo. Le rayon est représenté en échelle de teinte, en pm. Le rayon augmente au fur et à mesure que Lo augmente, et que qo s'éloigne d'une valeur proche de 20°.
Parmi des points de fonctionnement qui minimisent le rayon du disque dans lequel l'absorption cumulée est égale à 85% de l'absorption totale dans le pixel, on choisit l'un de ceux qui maximisent le taux d'absorption moyen dans le pixel.
On peut dimensionner le masque de gravure permettant d'obtenir les dimensions requises pour la structure de collecte de photons, en suivant les étapes suivantes :
Etape 1 : Compte tenu du pas P de répartition des photodiodes dans la matrice de photodiodes, on détermine par simulations numérique les valeurs de Lo et de qo qui permettent d'obtenir une forte absorption dans l'infrarouge, concentrée sur une surface réduite. Pour un pas P de 15 pm, et d'après les simulations illustrées aux figures 7A et 7B, les valeurs Lo=5pm et qo=20° permettent par exemple d'atteindre une absorption moyenne de 70% en focalisant 85% du flux absorbé dans un rayon de 3 pm. Il s'agit d'un exemple, et d'autres couples de valeurs permettent également d'obtenir une forte absorption dans l'infrarouge, concentrée sur une surface réduite. Etape 2 : Connaissant les valeurs prises par Lo et qo, et sachant que l'on souhaite que les pyramides tronquées vérifient l'équation (1) (les pyramides tronquées voisines sont jointives deux à deux au niveau de leurs bases), on en déduit la profondeur maximale Th des évidements gravés dans le premier substrat 100.
Etape 3 : Connaissant la profondeur maximale Th, et la vitesse de gravure Vs du premier substrat lors de l'étape de gravure illustrée aux figures 3A et 3B, on en déduit la durée ÎG de la gravure.
Etape 4 : Connaissant la valeur prise par Lo, la vitesse de gravure VR de la résine photosensible lors de l'étape de gravure illustrée aux figures 3A et 3B, et la durée ÎG de la gravure, on en déduit la valeur de la distance Li entre deux plots du masque de gravure. On a en effet : LI=LO+VR*ÎG. On voit donc que la largeur des plots constitutifs du masque de gravure est adaptée pour que la gravure du premier substrat réalise des pyramides tronquées à flancs jointifs (voir équation (1)).
Etape 5 : On détermine la valeur de l'angle qi d'inclinaison des faces latérales des plots du masque de gravure relativement à la normale au premier substrat. La valeur prise par l'angle qi est déterminée à partir de la relation selon laquelle un rapport de la tangente de l'angle qi divisé par la tangente de l'angle qo est égal au rapport de la vitesse de gravure VR de la résine photosensible divisée par la vitesse de gravure Vs du premier substrat.
On a ainsi entièrement caractérisé le dimensionnement du masque de gravure, constitué de plots chacun en forme de pyramide tronquée à base carré, répartis selon un pas régulier, avec un espacement Li entre deux plots voisins et un angle qi d'inclinaison des faces latérales des plots relativement à la normale au plan du premier substrat.
La figure 8A illustre un deuxième mode de réalisation d'un système de photo détection 2000 selon l'invention, qui ne diffère du système de la figure 6 qu'en ce qu'il comporte en outre une couche antireflet 700, disposée entre la structure 400 de collecte de photons et le composant hybridé 500. La couche antireflet 700 est déposée de préférence sur le composant hybridé 500, du côté de la matrice 510 de photodiodes, avant l'étape de collage de la structure 400 de collecte de photons sur le composant hybridé 500. La couche antireflet 700 est par exemple en ZnS ou S1O2, avec avantageusement un indice optique intermédiaire entre celui de l'air et celui du premier substrat. La couche antireflet 700 assure la fonction d'antireflet sur une plage de longueurs d'onde située dans l'infrarouge. Elle permet d'augmenter de 30% un taux d'absorption moyen dans le pixel.
La figure 8B illustre un troisième mode de réalisation d'un système de photo détection 3000 selon l'invention, qui ne diffère du système de la figure 6 qu'en ce qu'il comporte en outre un filtre spectral 800, disposé ici sur la structure 400 de collecte de photons, du côté opposé au composant hybridé 500. Le filtre spectral 800 peut être réalisé sur la structure 400 de collecte de photos après, ou avant l'étape de collage de la structure 400 de collecte de photons sur le composant hybridé 500. Le filtre spectral 800 assure une fonction de filtrage spectral, pour laisser passer des photons à des longueurs d'onde comprise sur une plage d'intérêt située dans l'infrarouge, et pour bloquer des photons à des longueurs d'onde situées en dehors de cette plage d'intérêt. Le filtre spectral 800 est par exemple un filtre multicouche à base de couches d'indices optiques variables, ou un filtre à base de méta-surfaces formées à l'interface entre un métal et un diélectrique.
Dans une variante non représentée, le filtre spectral 800 est situé plutôt entre la structure 400 de collecte de photons et le composant hybridé 500. Dans ce cas, le filtre spectral 800 est déposée de préférence sur le composant hybridé 500, du côté de la matrice 510 de photodiodes, avant l'étape de collage de la structure 400 de collecte de photons sur le composant hybridé 500.
L'invention offre un système de photo-détection de type matriciel, sensible dans l'infrarouge et offrant une résolution spatiale améliorée en comparaison avec l'art antérieur.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de procédés et systèmes détaillés ci- dessus, et de nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention.
Par exemple, les espaces entre les pyramides tronquées, correspondant aux évidements gravés dans le premier substrat, peuvent être remplis en totalité ou seulement en partie (de préférence à plus de 50% en volume) par une colle. En variante, ces espaces peuvent être remplis en partie par un matériau de remplissage autre qu'une colle. La structure de collecte de photons est alors collée sur la matrice de photodiode par une couche de colle annexe. De préférence, la couche de colle annexe ne s'étend pas au regard des faces supérieures des pyramides tronquées, telles que définies ci-avant, pour ne pas perturber la transmission des photons vers la matrice de photodiodes. Selon d'autres variantes tout ou partie des espaces entres les pyramides tronquées peut être rempli par un vide ou un gaz. L'étape de fixation de la structure de collecte de photons sur la matrice de photodiode est alors mise en œuvre sans utilisation d'une colle, par exemple par adhérence moléculaire. Selon d'autres variantes encore, ladite étape de fixation est mise en œuvre sur une matrice de photodiodes non hybridée, c'est-à-dire sur une matrice de photodiodes qui n'est pas connectée à un circuit de lecture par une matrice de microbilles de connexion électrique. Selon d'autres variantes encore, la gravure du premier substrat pour former les pyramides tronquées met en œuvre un procédé de gravure directe, sans masque de gravure.
Dans la description, on a développé le cas d'une matrice de photodiode en HgCdTe. L'invention n'est pas limitée à cet exemple, et trouve également à s'appliquer avec des matrices de photodiodes formées dans un substrat semiconducteur à base d'indium et d'antimoine (InSb), ou à base d'indium, arsenic et antimoine (InAsSb) ou tout autre alliage de la filière lll-V ou ll-VI (alliage de matériaux appartenant respectivement aux colonnes III et V, ou aux colonnes II et VI du tableau de classification périodique des éléments). De même, d'autres valeurs du pas de pixel peuvent être utilisées, par exemple 10 pm ou 7,5 pm. Des matrices de répartition des pixels, avec des maillages non carrés, par exemple hexagonaux, ne sont pas non plus exclues.
L'invention est également avantageuse en ce qu'elle permet de fabriquer de manière collective une pluralité de structures de collecte de photons sur un même premier substrat, avant de les séparer pour les fixer chacune sur une matrice de photodiodes respective. La fabrication séparée de la structure de collecte de photons permet également de trier séparément des structures de collecte de photons et des matrices de photodiodes, pour améliorer un rendement final de fabrication.
L'invention trouve notamment à s'appliquer dans les domaines de la surveillance, l'observation, le guidage et la détection infrarouges.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour réaliser un système de photo-détection (1000 ; 2000 ; 3000) qui comprend un dispositif matriciel de photo-détection (500) sensible dans l'infrarouge et une structure (400) de collecte de photons pour guider des photons incidents vers les centres respectifs des pixels (50) du dispositif matriciel de photo-détection, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- gravure d'un premier substrat (100), pour former une matrice de pyramides tronquées (110) constituées chacune du matériau du premier substrat, avec les pyramides tronquées formées deux à deux jointives au niveau de leurs bases (112) respectives, du côté opposé à une surface de gravure (101) du premier substrat ;
- dépôt, sur les parois latérales (113) des pyramides tronquées (110), d'un revêtement (300) optiquement réfléchissant dans l'infrarouge, le premier substrat gravé et muni dudit revêtement formant la structure (400) de collecte de photons ;
- fixation de la structure (400) de collecte de photons sur le dispositif matriciel de photo-détection (500), avec les pyramides tronquées (110) centrées chacune sur un pixel (50) du dispositif matriciel de photo-détection et avec les bases (112) desdites pyramides tronquées situées du côté des pyramides tronquées opposé au dispositif matriciel de photo-détection, ledit dispositif matriciel de photo-détection (500) comprenant une matrice de photodiodes (510) formée dans un second substrat en matériau semi- conducteur lll-V ou ll-VI, et la différence en valeur absolue entre le coefficient d'expansion thermique du premier substrat (100) et le coefficient d'expansion thermique du second substrat est inférieure ou égale à 5 ppm.K 1 sur des températures comprises entre 50 K et 300 K.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :
- dépôt, sur la surface de gravure (101) du premier substrat (100), d'une couche de résine photosensible (200) ; - gravure de la couche de résine photosensible (200), de manière à former un masque de gravure (220) constitué d'une matrice de plots (221) ;
- gravure du premier substrat (100) à travers le masque de gravure (220), pour former dans le premier substrat la matrice de pyramides tronquées (110), les pyramides tronquées étant centrées chacune sur l'un des plots (221) du masque de gravure, avec les bases (112) desdites pyramides situées du côté opposé au masque de gravure (220).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de fluage, mise en œuvre avant l'étape de gravure du premier substrat et de manière à obtenir un angle d'inclinaison prédéterminé (qi) des faces latérales des plots (221) du masque de gravure (220).
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lors de l'étape de gravure du premier substrat, le masque de gravure (220) est gravé conjointement avec le premier substrat (100), et en ce que le procédé comporte en outre une étape de durcissement de la couche de résine photosensible (200) ou du masque de gravure (220), pour modifier une vitesse de gravure du masque de gravure lors de ladite gravure du premier substrat.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le le second substrat est constitué d'un alliage de Mercure, Cadmium et Tellure, et en ce que le premier substrat (100) est constitué d'un alliage de Cadmium, Zinc et Tellure.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le le second substrat est constitué d'un alliage de Mercure, Cadmium et Tellure, et en ce que le premier substrat (100) comprend du germanium.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fixation de la structure (400) de collecte de photons sur le dispositif matriciel de photo détection (500) est réalisée par collage, et comprend le dépôt de colle sur la structure de collecte de photons, la colle (600) remplissant au moins 50% en volume des espaces entre les pyramides tronquées (110).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la colle ne s'étend pas sur les faces supérieures desdites pyramides tronquées, opposées aux bases respectives desdites pyramides.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de dépôt d'une couche antireflet (700), la couche antireflet (700) se trouvant entre la structure (400) de collecte de photons et le dispositif matriciel de photo-détection (500) après l'étape de fixation.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de dépôt d'un filtre spectral (800), le filtre spectral se trouvant, après l'étape de fixation, entre la structure de collecte de photons (400) et le dispositif matriciel de photo-détection (500), ou sur la structure de collecte de photons (400) du côté opposé au dispositif matriciel de photo-détection (500).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif matriciel de photo-détection (500) est un composant hybridé comprenant une matrice de photodiodes (510) et un circuit lecture (520) superposés, la structure (400) de collecte de photons étant fixée du côté de la matrice de photodiodes (510).
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de gravure pour retirer un substrat de support d'une matrice de photodiodes à illumination par l'arrière, et pour former ainsi le dispositif matriciel de photo-détection (500) sur lequel la structure de collecte de photons est fixée.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que chacune desdites pyramides tronquées (110) est une pyramide droite à base carré.
14. Système de photo-détection (1000 ; 2000 ; 3000) qui comprend un dispositif matriciel de photo-détection (500) sensible dans l'infrarouge et une structure (400) de collecte de photons pour guider des photons incidents vers les centres respectifs des pixels (50) du dispositif matriciel de photo-détection, caractérisé en ce qu'il est réalisé à l'aide d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, et en ce que :
- la structure (400) de collecte de photons comporte une matrice de pyramides tronquées (110) dont les parois latérales (113) sont recouvertes d'un revêtement (300) optiquement réfléchissant dans l'infrarouge ;
- lesdites pyramides tronquées (110) sont centrées chacune sur un pixel (50) du dispositif matriciel de photo-détection (500) ;
- les bases (112) desdites pyramides tronquées (110) sont situées du côté des pyramides tronquées opposé au dispositif matriciel de photo-détection (500) ; et
- les pyramides tronquées (110) sont formées jointives deux à deux au niveau de leurs bases respectives (112).
15. Système de photo-détection (1000 ; 2000 ; 3000) selon la revendication 14, caractérisé en ce que certains au moins des espaces entre les pyramides tronquées sont remplis par une colle (600) assurant la fixation de la structure (400) de collecte de photons relativement au dispositif matriciel de photo-détection (500).
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