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

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).