Développement de couches minces de Germanium et Silicium-Germanium microcristallin pour les détecteurs d’image above-IC en proche infrarouge

Development of microcrystalline Germanium and Silicon-Germanium thin films for above-IC near infrared image sensors

• Auteur / Autrice : Alestair Wilson
• Direction : Erwann Fourmond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 15/03/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Ingénierie des Matériaux Polymères - Site INSA Lyon / IMP
• Jury : Président / Présidente : Françoise Massines
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwann Fourmond, Françoise Massines, Pere Roca i Cabarrocas, Lars Zimmermann
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pere Roca i Cabarrocas, Lars Zimmermann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodiodes

Capteurs d'images CMOS

Germanium

Couches minces

Silicium -- Couches minces

Électronique

Mots clés libres

Electronique

Couche minces

Germanium monocristallin

Silicium--Germanium monocristallin

Détecteur d'image

PECVD - Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

Photodiode

NIR - Proche infrarouge

Imageur above-IC

Semiconducteur

Capteur d'images

Electronics

Thin films

Microcrystalline Germanium

Microcrystalline Silicon-Germanium

Image detection

PECVD - Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition

Photodiode

NIR - Near Infrared

Above-IC imager

Semiconductor

Image sensors

Résumé

Le marché croissant de l’internet des objets (IoT) encourage le développement de nouveaux capteurs fiables et à faible coût. Les imageurs CMOS ne font pas exception. L’industrie automobile et téléphonique en particulier sont friands d’imageurs pour le proche infrarouge pour observer leur environnement. Leur coût peut être réduit en s’appuyant sur une approche above-IC de l’intégration CMOS dans laquelle les photodiodes du capteur sont produites après les transistors et les interconnexions. Les procédés above-IC sont donc intrinsèquement limités en budget thermique en raison de la structure CMOS sous-jacente à la photodiode. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est de produire et de caractériser des couches minces de silicium-germanium et de germanium hydrogénés déposés à basse température ( 350 °C) pour imageurs above-IC sensibles dans le proche infrarouge. Une preuve de concept de l’utilisation de ces matériaux pour la détection en proche IR est donnée avec le développement et la caractérisation d’une photodiode. Compte tenu des limitations thermiques, le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) sera utilisé pour développer des semi-conducteurs amorphes et microcristallins allant du silicium (μc-Si:H) aux alliages de silicium-germanium microcristallin (μc-Si1−xGex:H). L’incorporation de germanium est bénéfique pour l’absorption du NIR de la couche mince obtenue en raison de son faible gap par rapport au silicium. Pour atteindre les objectifs fixés, des couches minces intrinsèques de μc-Ge:H et μc-SiGe:H sont obtenus par PECVD pour être utilisées en tant qu’absorbeur dans de futurs dispositifs. L’étude de ses matériaux se focalise sur l’impact des conditions de dépôt sur les propriétés structurelles, électriques et optiques des couches. La fabrication d’une photodiode nécessitant la réalisation d’une jonction P-I-N, le dopage de type p et de type n de couches microcristallines au phosphore et au bore est donc étudié. En s’appuyant sur ces briques individuelles, une photodiode est conçue pour tester expérimentalement l’efficacité des matériaux développés dans un dispositif réel. Ce prototype de photodiode permet de trouver la composition et l’épaisseur optimale pour l’absorbeur et mais permet également comprendre les mécanismes à l’origine des pertes dans les dispositifs.

The growing internet of things (IoT) market pushes for the development of reliable and low cost sensors. CMOS image sensors are no exception. In particular, near infrared sensitive image sensors are needed to map their surroundings. Their cost can be driven down by relying on an above-IC approach to CMOS integration in which the photodiodes are produced after the transistors and interconnections. Above-IC processes are thus intrinsically limited in terms of process temperature due to the presence of the underlying CMOS structure. In this context, the goal of this work is to produce and characterize hydrogenated Silicon- Germanium and Germanium thin films deposited at low temperature ( 350 °C) for NIR sensitive above-IC CMOS image sensors. On top of that, we will aim to prove the validity of our concept by fabricating and testing a photodiode based on these materials. With the thermal limitations in mind, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) will be used to develop amorphous and microcrystalline semiconductors ranging from microcrystalline silicon (μc-Si:H) to microcrystalline silicon-germanium alloys (μc-Si1−xGex:H). Incorporating Germanium is beneficial to NIR absorption of the thin film obtained due to its low bandgap compared to silicon. In an effort to reach our objective, intrinsic μc-Si:H, μc-Ge:H and μc-SiGe:H thin films are obtained by PECVD to be used as an absorber layer in future devices. The emphasis is put on establishing the impact of deposition conditions on the structural, electrical and optical properties of the films. Producing a photodiode requires a P-I-N junction to be made. In a second phase, p-type and n-type doping of microcrystalline films using phosphorus and boron is thus investigated. With all the necessary building block available, a photodiode is designed to test the relevance of the developed material in practical conditions. With this test structure an optimal absorber layer composition and thickness is found and insight is gained on the mechanisms responsible for losses in the devices.