Étude & développement d'un procédé de fabrication de photodétecteur couleur et multispectral

development of a color and multispectral photodetector manufacturing process

• Auteur / Autrice : Aboubaker Elomari
• Direction : Hakeim Talleb
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Holé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hakeim Talleb, Souhil Megherbi, Catherine Algani, Pere Roca i cabarrocas, Mohamed Ben chouikha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souhil Megherbi, Catherine Algani

Mots clés

Mots clés libres

Photodétecteur couleur et multi-spectral

Photodétecteur à jonctions enterrées

Epitaxie basse température silicium monocristallin

Procédé de fabrication de circuits intégrés

Simulation TCAD

Caractérisation de composants optoélectronique

Color and Multispectral Photodetector

Buried Junction Photodetector

Low temperature monocrystalline silicon epitaxy

Integrated Circuit manufacturing process

Tcad simulation

Characterization of optoelectronic devices

Résumé

Les capteurs optiques couleur et multispectraux jouent un rôle important dans de nombreux domaines, de l'imagerie médicale à l'astronomie en passant par la surveillance environnementale. Leur capacité à détecter et à distinguer différentes longueurs d'onde de lumière permet une analyse précise des objets et des phénomènes, offrant ainsi une gamme d'applications étendue. Dans le cadre de cette thèse, mon travail porte sur le développement d'un procédé de fabrication de photodétecteurs à jonctions PIN empilées, permettant une détection couleur et multispectrale. L'objectif principal de ce dispositif est de surmonter les limitations des capteurs actuellement disponibles sur le marché. Premièrement, il vise à éliminer l'utilisation de filtres optiques pour la détection de la couleur en exploitant les propriétés d'absorption du silicium. Bien que des capteurs d'image sans filtre optique existent déjà, reposant sur des jonctions PN enterrées à différentes profondeurs pour discrétiser le spectre lumineux, leur principal inconvénient réside dans le nombre maximal de jonctions réalisables, actuellement limité à cinq avec les technologies contemporaines. Ainsi, le second objectif majeur du capteur présenté dans ce manuscrit est de proposer une solution dépassant cette restriction en empilant plusieurs photodétecteurs PIN latéraux, permettant ainsi de dépasser le seuil de cinq bandes spectrales. Grâce à ce procédé de fabrication, il devient envisageable d'empiler une dizaine de jonctions PIN, ouvrant ainsi la voie à des résolutions spectrales plus élevées. En outre, le dispositif envisagé a également le potentiel d'améliorer des paramètres clés des capteurs optiques tels que le courant d'obscurité, l'efficacité quantique et le temps de réponse. La conception de ce dispositif repose sur un processus de fabrication impliquant des couches de silicium monocristallin et l'application de techniques d'épitaxie basse température (LTE) pour garantir des performances optimales. Les efforts de recherche se concentrent sur la résolution de plusieurs défis technologiques, notamment l'optimisation des paramètres de fabrication, l'activation des dopants et la préservation de la cristallinité des couches épitaxiées tout au long du processus de production. Avant d'établir le procédé de fabrication, une conception minutieuse du photodétecteur optimal a été réalisée à l'aide de simulations par éléments finis, permettant ainsi de définir les paramètres cruciaux à prendre en considération lors du choix des technologies de fabrication. Cette étude de conception a permis de déterminer la structure, les dimensions du capteur ainsi que les dopages requis pour chaque région du photodétecteur. Les résultats de l'étude de la conception du photodétecteur nous ont permis de définir le procédé de fabrication en respectant les contraintes de la structure, et ils ont également aidé à établir la démarche à suivre pour le choix des paramètres technologiques de fabrication, comme la température d'activation des impuretés résultant de l'implantation ionique, tout en maintenant des niveaux de cristallinité élevés. La validation du procédé de fabrication nécessite une inspection de la qualité électrique et structurelle des différentes régions de la structure. La technique de caractérisation par effet Hall a été choisie pour inspecter la qualité électrique des échantillons. Elle offre une mesure complète de la densité des porteurs libres et de leur mobilité. L'exploitation des résultats d'une mesure de Hall et ceux d'une mesure SIMS peut permettre l'extraction des taux d'activation des impuretés. Une étude approfondie de la méthode de Hall par simulation a été menée dans le but de proposer une méthodologie de mesure des porteurs de charges libres et de leur mobilité dans des configurations délicates, telles qu'une couche très fine déposée sur le substrat ou une couche très résistive (proche du niveau intrinsèque, par exemple).

Optical color and multispectral sensors hold paramount importance in various fields, ranging from medical imaging to astronomy, as well as environmental monitoring. Their ability to perceive and differentiate various wavelengths of light is crucial for precise analysis of objects and phenomena, thereby significantly expanding their scope of application. Within the context of this thesis, I am working on developing a fabrication process for stacked PIN junction photodetectors, enabling color and multispectral detection. The primary objective of this device is to overcome several limitations inherent in currently available sensors. Firstly, it aims to eliminate the use of optical filters for color detection by leveraging the absorption properties of silicon. While filterless image sensors already exist, relying on buried PN junctions at different depths to discretize the light spectrum, their main drawback lies in the maximum number of achievable junctions, currently limited to five with contemporary technologies. Thus, the secondary major objective of the sensor discussed in this manuscript is to propose a solution surpassing this restriction by stacking multiple lateral PIN photodetectors, thereby exceeding the threshold of five spectral bands. Through this fabrication process, it becomes feasible to stack around ten PIN junctions, thereby paving the way for higher spectral resolutions. Additionally, the envisaged device also has the capability to enhance key parameters of optical sensors such as dark current, quantum efficiency, and response time. The design of this device relies on a fabrication process involving layers of monocrystalline silicon and the application of low-temperature epitaxy (LTE) techniques to ensure optimal performance. Research efforts are focused on resolving several technical challenges, including optimizing fabrication parameters, activating dopants, and preserving the crystallinity of epitaxial layers throughout the production process. The goal is to develop photodetectors exhibiting a quantum efficiency close to 100%, minimal dark current, and fast response time. Before establishing the fabrication process, meticulous design of the optimal photodetector was conducted using finite element simulations, thereby defining crucial parameters to consider when selecting fabrication technologies. This design study determined the structure, dimensions of the sensor, and the doping required for each region of the photodetector. The results of the photodetector design study enabled us to define the fabrication process while adhering to structural constraints and outlined the approach for selecting technological fabrication parameters, such as the activation temperature of impurities resulting from ion implantation, while maintaining high levels of crystallinity. Finally, we defined a methodology for validating fabrication steps, from epitaxy to metallization, through ion implantation. Validation of the fabrication process requires inspection of the electrical and structural quality of different regions of the structure. The Hall effect characterization technique was chosen to inspect the electrical quality of samples, providing a comprehensive measurement of free carrier density and mobility. Exploiting the results of Hall measurements alongside SIMS measurements can enable extraction of impurity activation rates. An in-depth study of the Hall method through simulation was conducted to propose a methodology for measuring free charge carriers and their mobility in delicate configurations, such as a very thin layer deposited on the substrate or a highly resistive layer (close to the intrinsic level, for example).