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DÉVELOPPEMENT DE PHOTODÉTECTEURS
MONOLITHIQUES PAR INTÉGRATION
VERTICALE DE COUCHES DE SILICIUM
AMORPHE HYDROGÉNÉ
Thèse présentée à la Faculté des Sciences
Institut de Microtechnique
Université de Neuchâtel
Pour l’obtention du grade de docteur ès sciences
Par
Clément Miazza
Acceptée sur proposition du jury :
Prof. A. Shah, directeur de thèse
Prof. C. Ballif, rapporteur
Prof. R. Popovic, rapporteur
Dr. N. Blanc, rapporteur
Dr. N. Wyrsch, rapporteur
Soutenue le 28 novembre 2005
Université de Neuchâtel
2006

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Mots clés : silicium amorphe, photodétecteur, intégration verticale,
courant d’obscurité, facteur de remplissage, sensibilité, effets de bords.
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.

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Key words : amorphous silicon, photodetector, vertical integration, thin
film on CMOS technology, dark current, fill factor, sensitivity, border
effects.
Abstract: 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.

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Table des abréviations et définitions
µc-Si:H Hydrogenated microcrystalline silicon
Silicium microcristallin hydrogéné
a-Si:H Hydrogenated amorphous silicon
Silicium amorphe hydrogéné
c-Si Monocrystalline silicon, silicium monocristallin
PECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition
Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma
VHF Very-High Frequency, très haute fréquence
ITO Indium Tin Oxide, oxide d’indium et d’étain
TCO Transparent Conductive Oxide
Oxyde Transparent Conducteur (OTC)
PDS Photothermal Deflection Spectroscopy
Spectroscopie par déflection photothermique
AFM Atomic Force Microscopy, microscope à force atomique
SEM Scanning Electron Microscopy
Microscope Electronique à Balayage (MEB)
EBIC Electron Beam Induced Current
Courant induit par faisceau d’électrons
FF Fill-Factor, facteur de remplissage géométrique
DR Dynamique Range, plage dynamique
SNR Signal to Noise Ratio, rapport signal sur bruit
TN Temporal Noise, bruit temporel
PRNU Photon Response Noise Uniformity
Bruit spatial sous illumination
FPN Fixed Pattern Noise, bruit spatial
n-i-p n-i-p type a-Si:H photodiode
Photodiode a-Si:H de type n-i-p
métal-i-p Photodiode without <n> layer
Photodiode a-Si:H sans couche <n>
Pixel Picture element
Elément de base qui se répète dans la matrice du
capteur, il peut comprendre outre le composant
photosensible, des composants électroniques
CCD Charge Coupled Device,
Dispositifs à transfert de charges
APS Active Pixel Sensor, capteur à pixel actif
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
ASIC Application Specific Integrated Circuit
Circuit integer pour application spécifique
TFA Thin Film on Asic, couche mince sur Asic
TFC Thin Film on CMOS, couche mince sur CMOS
MPW Multi Project Wafer, plaquette de projet multiple
CMP Chemical Mechanical Polishing
Polissage chimique et mécanique
CSEM Suisse Center for Electronique and Microtechnology
Centre Suisse d’Electronique et Microtechnique
CERN European Nuclear Research Center
Centre Européen de Recherché Nucléaire