Caractérisation d'oxydes métalliques pour la passivation des photodétecteurs et des DTI des imageurs

par Valentin Aubriet

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Christophe Vallée.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (laboratoire) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Les défauts présents dans le silicium aux interfaces avec les matériaux qui l'entourent impactent le courant d'obscurité des capteurs d'image. L'étude portera sur le développement d'empilements de passivation de la surface des photodiodes des nouvelles technologies d'imageurs. La génération actuelle utilise un empilement formé d'une couche de SiO2, d'une couche d'un premier oxyde Al2O3 et d'une couche de Ta2O5. La présence de charges négatives ou positives dans ces couches permet de repousser respectivement les électrons ou les trous des interfaces entre les matériaux, améliorant ainsi la performance des détecteurs (courants d'obscurité, rendement quantique). Une première étude a montré que l'Al2O3 contient des charges négatives et est source d'hydrogène pour la passivation des défauts d'interface. Il faut maintenant mettre au point des matériaux contenant une densité de charges négatives encore plus importante. On étudiera en détail l'effet des conditions de dépôt d'Al2O3 par ALD, matériau utilisé pour la passivation des cellules solaires. Les propriétés d'autres matériaux comme l'oxyde de zinc ou l'oxyde de cobalt seront explorées. Une revue bibliographique devra également permettre d'identifier d'autres matériaux potentiels. Il faudra optimiser à la fois la densité de charges, les capacités de passivation par l'hydrogène et les propriétés optiques comme la transparence et la réflectivité des empilements. L'utilisation de couches transparentes et conductrices sera également à évaluer. Un tel type de couche peut permettre de polariser l'empilement anti réflectif et ainsi contrôler le niveau de Fermi à l'interface Si/SiO2, c'est-à-dire permettre de vider les états d'interface générateurs d'électrons parasites. Les densités de charges et de défauts d'interface ont été jusqu'à présent étudiées en utilisant la méthode COCOS (Charge Corona puis mesure de surface en utilisant une sonde de Kelvin). L'utilisation de la mesure de longueur de diffusion par AFM/KFM permettra de compléter notre étude. Cette technique est couramment utilisée pour la caractérisation de cellules solaires, et elle permettra de comparer les performances des empilements des capteurs d'image aux performances des cellules solaires. La caractérisation physico-chimique des couches par XPS, FTIR ou RPE sera également mise en œuvre. Les meilleurs points identifiés seront embarqués sur des lots de développement, c'est-à-dire des plaques de silicium contenant des dispositifs, ce qui permettra d'effectuer des tests sur photodétecteurs intégrés. On s'attachera également à comparer l'effet de différentes techniques de dépôt comme l'ALD, la PEALD ou la PVD.

  • Titre traduit

    Characterization of metal oxides for passivation of photodetectors and DTI of imagers


  • Résumé

    The defects present in silicon at the interfaces impact the dark current of imagers. The study will focus on the development of passivation stacks of photodiode surfaces of new imager technologies. The current generation uses a stack of SiO2, Al2O3 and Ta2O5. The presence of negative or positive charges in these layers repels electrons or holes from the interfaces between materials improving detector performance (dark current, quantum yield). A first study showed that Al2O3 contains negative charges and is a source of hydrogen for the passivation of interface defects. It is now necessary to develop materials with an even higher negative charge density. The effect of the conditions of Al2O3 deposition by ALD, a material used for passivation of solar cells, will be studied in detail. The properties of other materials such as zinc oxide or cobalt oxide will be explored. A literature review should also identify other potential materials. It will be necessary to optimize the charge density, the passivation capacities of hydrogen and the optical properties such as transparency and reflectivity of the stacks. The use of transparent and conductive layers will also be evaluated. Such layers can be used to polarize the anti-reflective stack and thus control the Fermi level at the Si/SiO2 interface, i. e. to empty the interface states that generate parasitic electrons. Defect density and charge density have so far been studied using the COCOS method (Corona charging and then surface measurement using a Kelvin probe). The use of diffusion length measurement by AFM/KFM will complete our study. This technique is commonly used for the characterization of solar cells. Physicochemical characterization of the layers by XPS, FTIR or RPE will also be performed. The best identified points will be embedded in development batches, i.e. silicon wafers containing devices, which will allow to perform test on integrated photodetectors. The effect of different deposition techniques such as ALD, PEALD or PVD, will be studied in detail.