Faculté des sciences

Développement de photodétecteurs monolithiques par intégration verticale de couches de silicium amorphe hydrogéné

Miazza, Clément ; Shah, A (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2005 ; 1853.

Le sujet principal de ce travail est la technologie ''Thin Film on CMOS'' (TFC) en anglais. Cette approche technologique, où des détecteurs en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) sont intégrés verticalement directement au dessus d'une puce CMOS dédiée, est utilisée ici pour la fabrication de capteurs d'image. Grâce à cette approche les performances des capteurs TFC ainsi obtenus sont... Plus

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    Résumé
    Le sujet principal de ce travail est la technologie ''Thin Film on CMOS'' (TFC) en anglais. Cette approche technologique, où des détecteurs en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) sont intégrés verticalement directement au dessus d'une puce CMOS dédiée, est utilisée ici pour la fabrication de capteurs d'image. Grâce à cette approche les performances des capteurs TFC ainsi obtenus sont améliorées. En effet des facteurs de remplissage géométrique très élevés (FF = 92 %) et une haute sensibilité (S > 60 V/(µJ/cm2) entre 575 et 650 nm), ceci combiné à des valeurs de courant d'obscurité très basses sont atteints (Jobsc= 10-100 pA/cm2) à température ambiante. L'effort principal a été focalisé sur l'analyse et la compréhension du comportement du courant d'obscurité et des phénomènes qui y sont liés. L'objectif est ici de réduire au minimum la valeur de Jobsc des capteurs TFC. Dans le cas d'une photodiode n-i-p en a-Si:H la limite inférieure de Jobsc est donnée par la génération thermique de charges dans la couche intrinsèque. La densité du courant de génération thermique dépends entre autres de la densité de défauts et du ''gap'' de mobilité du matériau semiconducteur et de l'épaisseur de la couche intrinsèque. Cependant, dans le cas d'une intégration verticale des courants de fuite additionnels provoquant une hausse de Jobsc sont observés. Ces derniers sont dus à des effets de bords périphériques et de coins liés à la configuration particulière du pixel, à la présence de la couche de passivation et à la croissance du a-Si:H. Dans l'optique de minimiser Jobsc, différentes approches sont proposées puis évaluées. Ceci conduit vers le choix d'une nouvelle solution adaptée qui combine l'intégration verticale d'une diode de type métal-i-p sur une puce CMOS non passivée. Avec un tel capteur TFC les meilleures performances ont été atteintes, et notamment une valeur très basse du courant d'obscurité de 12 pA/cm2 a été mesurée à -1V après recuit thermique à température ambiante. Les résultats de caractérisation en termes de bruit, réponse dynamique, linéarité, dégradation induite par la lumière et sensibilité sont également donnés indiquant le potentiel de cette technologie pour des applications dans les capteurs optiques. En conclusion ce travail a permis de livrer des informations importantes sur les paramètres clés influençant les propriétés optoélectroniques de couche de a-Si:H pour réaliser des capteurs TFC et trouve dans ce sens directement une application dans la réalisation et l'optimisation de capteurs d'image à très haute sensibilité et faible bruit.
    Summary
    The main topic of this work is the so called ''Thin Film on CMOS Technology'' (TFC) where amorphous silicon (a-Si:H) detectors are vertically integrated directly on top of a CMOS readout chip so as to form image sensors. This approach leads to enhanced performance for the TFC sensor. In fact, very high geometrical fill factors (FF = 92 %), increased sensitivity (S > 60 V/(µJ/cm2) between 575 et 650 nm) and low dark current density values are attained (Jdark= 10-100 pA/cm2) at room temperature. The main effort of this work has been focused on analyzing and understanding the dark current behavior of detectors and related phenomena with the goal of reducing as far as possible the Jdark of the TFC sensors. In the case of a-Si:H n-i-p photodiodes the lower limit for Jdark is given by the thermally generated charge in the intrinsic layer. The density of thermally generated current depends on various factors: the deep defect density, the mobility gap of the semiconductor material and the intrinsic layer width all play a role. However, in the case of vertical integration, additional leakage currents which lead to increased Jdark are observed. Certain peripheral border and edge/vertices effects due to the particular configuration of the pixel, the presence of a passivation layer and the growth of a-Si:H are found to be responsible of this increase. In order to minimise these effects, responsible for the observed increase of Jdark, different approaches are proposed and evaluated. This leads to the choice of a new adapted solution which combines the use of a metal-i-p a-Si:H diode configuration vertically integrated on top of an unpassivated CMOS chip. With such a TFC sensor the best performances are attained and in particular a value of the dark current at -1V as low as 12 pA/cm2 has been achieved after thermal annealing at room temperature. Results of the overall characterization of these TFC sensors in terms of noise, dynamic range, linearity, light-induced degradation and sensitivity are also given, indicating the potential of this technology for optical sensors applications. In conclusion this work gives important information about key parameters influencing the optoelectronic properties of a-Si:H layers for TFC sensors and find in this sense directly an application in the realisation and optimisation of very high sensitivity and low noise image sensors.