Brevet FR2003334A1 — publié le 19691107

lia présente invention concerne les dispositifs semi-conducteurs à couplage photo-électronique. De tels dispositifs comprennent une jonction photo-émettrice semi-conductrice capable d'émettre de la lumière lorsqu'elle est excitée électriquement et un 5 élément photo-collecteur prévu pour recevoir les signaux lumineux émis par la jonction et pour produire les signaux électriques correspondants. Les dispositifs à couplage photo-électronique peuvent être utilisés comme relais ou comme amplificateurs do signaux* Sans ce dernier cas, ces dispositifs doivent présenter une bonne 10 caractéristique de réponse à haute fréquence et, pour l'obtenir, il est essentiel qu'ils présentent une grande capacité de transfert du courant dans le sens émetteur-collecteur, ce qui nécessite un contrôle extrêmement précis des dimensions des dispositifs pendant leur fabrication. 15 Cependant, la présente invention concerne plus particulière ment la première utilisation des dispositifs à couplage photo-électronique , c1est-à-dire leur emploi comme relais ou à d'autres fins pour lesquelles une bonne réponse à haute fréquence n'est pas nécessaire et pour lesquelles on peut, par conséquent, tolérer un 20 faible rendement du transfert émetteur-collecteur. Dans ce type d'application, la nécessité la plus importante consiste souvent en un bon isolement électrique entre l'entrée (émetteur) et la sortie (collecteur), étant donné que les pertes dans les signaux, dues au mauvais rendement du transfert du courant, peuvent être aisé-25 ment compensées par une amplification du signal de sortie provenant du dispositif, en utilisant un amplificateur à semi-conducteurs se présentant, par exemple, sous la foxme d'une paire de transistors connectés en montage Darlington. Par conséquent, un but de la présente invention est de permet-30 tre la réalisation d'un dispositif photo-électronique présentant les caractéristiques d'un bon isolement électrique entre ses jonctions d'émetteur et de collecteur. L'invention est matérialisée dans un dispositif photo-électronique comprenant au moins un élément photo-émetteur semi-conducteur 35 et au moins un élément photo-collecteur semi-conducteur, chaque élément étant prévu sur la surface ou à l'intérieur d'un support isolant translucide qui est muni d'un réflecteur ou rendu réfléchissant de façon à faciliter ainsi la transmission de la lumière depuis l'élément émetteur jusqu'à l'élément collecteur. 40 Le photo—émetteur et le photo-détecteur peuvent être fabriqués 69 06153 2 2003334 à partir d'un même matériau et peuvent comprendre chacun des couches offrant des niveaux de dopage identiques* Le matériau-support peut Ôtre formé de façon épitaxiale sur des couches de matériau semi-conducteur, qui forment mutuellement des jonctions et dont 5 certaines parties sont ensuite supprimées par traitement chimique» électrolytique ou mécanique de façon à laisser, sur le support, des régions à jonctions émettrices et détectrices* Selon une variante, les régions à jonctions émettrices et détectrices peuvent être formées par une diffusion dans le matériau 10 semi-conducteur qui a été déposé de façon épitaxiale dans des dépressions formées dans le matériau formant support. Par exemple, le matériau formant support peut être attaqué chimiquement pour former des dépressions dans lesquelles un matériau semi-conducteur présentant une conductibilité d'un premier type est déposé de fa-15 çon épitaxiale, ce matériau du premier type de conductibilité étant lui-même attaqué chimiquement pour former d'autres dépressions dans lesquelles des parcelles d'un matériau supplémentaire présentant une conductibilité similaire à celle du premier matériau sont déposées de façon épitaxiale, un troisième matériau étant diffusé 20 dans le premier matériau et dans le matériau supplémentaire de façon à fournir une jonction collectrice semi-conductrice ou une jonction émettrice semi-conductrice. Une ou plusieurs couches ré-f lectrices peuvent être ajoutées par la suite, en même temps que des parties formant connexions ohmiques, l'ensemble du dispositif 25 étant enrobé on blindé* La description qui va suivre, faite en regard des dessina annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention* La fig* 1A est une vue en coupe axiale d'un mode de réalisa-30 tion d'un dispositif formant relais photo-électronique* La fig. 1B est une vue en plan du dispositif de la fig*1A* La fig. 2 est une vue en coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un dispositif formant relais photo-électronique* Dans une application typique d'un dispositif photo-électro-35 nique utilisé comme relais, le signal de sortie provenant de n'importe lequel des éléments collecteurs serait extrêmement petit et il serait nécessaire d'utiliser un amplificateur du type Darlington pour compenser, ainsi que cela a été expliqué précédemment, la capacité relativement faible du dispositif en ce qui concerne le 69 06153 3 2003334 transfert du courant et pour obtenir un fonctionnement satisfaisant de l'amplificateur, les signaux de sortie provenant de deux jonctions collectrices de lumière, de type P-N, seraient nécessaires. Par conséquent, si quatre signaux de sortie sont nécessaires 5 pour un seul dispositif dans son ensemble, huit jonctions photocollectrices sont nécessaires pour chaque jonction photo-émettriee. Si l'on se réfère maintenant au dessin, la façon dont on peut fabriquer un dispositif photo-électronique pouvant être utilisé comme relais va être décrite en se référant aux fig.1A et 1B. Le 10 dispositif visible sur la fig.lÂ est constitué par trois couches : une couche semi-conductrice 1 présentant une conductibilité de type P, une couche semi-conductrice 2 présentant une conductibilité de type N et une couche de support isolante 3 qui est constituée par du phosphure de gallium. Les parties hachurées 4 (Fig. 15 1A) des couches 1 et 2 sont enlevées, par exemple par des techniques d'attaque chimique, pour fournir une structure de surface telle que celle visible sur la fig.1B, une jonction éméttrice E étant entourée par huit jonctions collectrices G. Lors du fonctionnement du dispositif, la lumière émise par la 20 jonction émettrice E lorsqu'elle est excitée électriquement est transmise, en plus d'une transmission par rayonnement direct vers les jonctions collectrices C, par transmission à travers le support 3 jusqu'à une couche réflectrice 5 à partir de laquelle elle est réfléchie et renvoyée jusqu'aux jonctions photo-collec-25 trices 0. L'ensemble du dispositif peut être produit par des techniques épitaxiales comme suit : on prend une lame ou galette d'arséniure de gallium présentant une conductibilité du type P et possédant 1 fi ^ une concentration de trous égale à 3.10 /car et on prépare l'une 30 de ses surfaces pour le traitement épitaxial. On dépose de façon épitaxiale sur la surface préparée de l'arséniure de gallium présentant une conductibilité du type ÎT et possédant une concentration d'électrons 10 ^/cm^,puis on dépose de façon épitaxiale une couche de phosphure de gallium présentant une résistivité supérieu-35 re à 10^®/ohms.em. On obtient ainsi me structure comportant une lame d'arséniure de gallium présentant une conductibilité du type P et correspondant à la couche 1 visible sur la fig. 1A, une couche d'arséniure de gallium présentant une conductibilité du type N et correspondant à la couche 2 visible sur la fig.1A et 40 une couche-support de phosphure de gallium correspondant à la cou 69 06153 2003334 che 3 visible sur la fig. 1A. Le stade suivant consiste à enlever par attaque chimique les parties hachurées 4 des couches 1 et 2, comme cela a déjà été décrit, ces couches n'étant pas nécessaires pour déterminer la structure de la surface visible sur 5 la fig.1B. Des contacts ohmiques (non représentés) sont ensuite appliqués à chacune des jonctions de type P-N, et la couche réflectrice 5 est déposée. L'ensemble du dispositif est ensuite enrobé ou blindé pour réaliser un seul dispositif intégré. On suppose que la lame 1 d'arséniure de gallium présentant la conductibilité 10 du type P est un matériau compensé, mais si l'on utilise un arsé-niure de gallium, présentant une conductibilité de type P, qui n'est pas compensé, il est nécessaire d'effectuer sur lui un dépôt épitaxial d'une couche supplémentaire d'arséniure de gallium compensé présentant une conductibilité de type P et possédant une 1 fi 7 15 concentration de trous égale à 3.10 /cm . Le processus de fabrication se poursuit alors comme décrit ci-avant. Si l'on se réfère maintenant à la fig.2, on voit qu'on peut réaliser un dispositif photo-électronique tel que celui illustré sur le dessin en utilisant les techniques dites "planars" suivan-20 tes;» On effectue une attaque chimique dans une lame d'un phosphore de gallium semi-conducteur 6 pour obtenir un jeu de trous 7 «n utilisant des techniques photolithographiques et de masquage par .. un oxyde. Dans ces trous, on dépose de l'arséniure de gallium présentant une conductibilité de type N et possédant une concentra- 1 Q 4 Q 7 25 tion d'électrons de 3.10 à 10 3 électrons par cm , on enlève par polissage tout excès d'arséniure de gallium présentant la conductibilité de type N pour réaliser une surface totalement plane. Dans chaque région d'arséniure de gallium remplissant les trous 7, on réalise des dépressions 8 ou 9 par attaque chi-30 mique, de sorte que les dépressions 9 prévues pour les jonctions collectrices sont plus profondes que la dépression 8 qui est prévue pour la jonction émettrice. On dépose dans les dépressions 8 et 9 de l'arséniure de gallium présentant une conductibilité de type N et possédant une concentration d'électrons de 1 à 3.10^ 35 électrons par cm , et on enlève par polissage tout excès de matière pour réaliser une surface plane. On diffuse ensuite dans les régions 7 et 9 d'arséniure de gallium, mais pas dans le support de phosphure de gallium 6, une impureté de zinc jusqu'à une con- 17 18 centration de 3.10 à 10 . Cette diffusion transforme les régions 69 06153 5 2003334 présentant une conductibilité de type H et situées dans les trous 8 et 9 en un matériau compensé présentant une conductibilité de type F, mais laisse non modifié le matériau présentant une conductibilité de type P se trouvant dans les trous 7. Pendant 5 ce processus de diffusion, il peut s'effectuer une certaine diffusion des donneurs qui décale et écarte la jonction de type P-IT de la surface commune épitaxiale située entre les deux matériaux initiaux présentant une conductibilité de type N. Cela devrait être un avantage pour les éléments détecteurs et ne devrait pas 10 présenter d'inconvénient pour les éléments émetteurs. Un élément réfléchissant 10 et des connexions ohmiques appliqués à chaque jonction P-H (non représentée) sont ensuite réalisés et l'ensemble du dispositif est enrobé ou blindé. Bn utilisant cette technique de fabrication dite "planar*, il est possible d'obtenir ainsi des 15 éléments collecteurs de type hétéro-jonction en déposant dans les trous 9 un alliage d'arséniure de gallium-indium présentant une 17 3 concentration de trous de 1 à 3.10 électrons par cnr et en déposant de l'arséniure de gallium présentant une conductibilité de 17 type 5 et une concentration d'électrons de 1 à 3.10 électrons 20 par ea? dans un trou soins profond 8, ce qui permet de réaliser ainsi l'élément détecteur du type hétéro-jonction, qui offre l'avantage de présenter des caractéristiques améliorées de capacité de transfert du courant dans le sens émetteur-collecteur. A. titre d'exemple, les circuits de commutation des centraux 25 téléphoniques, qui utilisent actuellement des relais à lames, peuvent utiliser avantageusement des dispositifs à.relais photoélectroniques réalisés suivant la présente invention. On peut s'attendre raisonnablement à ce qu'un dispositif photo-électroni-que selon l'invention présente les caractéristiques suivantes : 30 une résistance inverse dans le sens non conducteur supérieure à 105 ohms, une résistance directe (dans le sens passant) inférieure n à 10 ohms, un rapport conduction/non conduction d'environ 10 , une résistance d'isolement entre l'entrée et la sortie supérieure Q à 10 ohms, une intensité nominale du circuit de transmission du 35 signal supérieure à 0,1 ampère, un temps de réponse inférieur à 0,1 seconde, une consommation d'énergie inférieure à 0,5 watt dans le sens conducteur, une consommation d'énergie négligeable dans le sens non conducteur, un isolement entre les circuits d'entrée et de sortie capable de supporter 600 volts et une durée de vie de 69 06153 6 2003334 Q 10 opérations* Il est évident que ces chiffres peuvent être améliorés et qu'ils sont donnés simplement à titre d'exemple pour indiquer que les caractéristiques du présent dispositif correspondent aux spécifications types que l'on peut citer pour un relais 5 éle ctromé canique• Ses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention* 69 06153 7 2003334 REVEHDICATIOBS 1.- Dispositif à couplage photo-électronique caractérisé en ce qu'il comprend, au moins un élément photo-émetteur semi-conduc-teur et au moins un élément photo-collecteur semi-conducteur, cha- 5 cun de ces éléments étant prévu sur la surface ou à l'intérieur d'un support isolant translucide qui est muni d'un réflecteur ou rendu réfléchissant de façon à faciliter ainsi la transmission de la lumière depuis l'élément émetteur jusqu'à l'élément collecteur. 2.- Dispositif à couplage photo-électronique suivant la reven- 10 dication 1, caractérisé en ce que le support est mis en contact intime avec une surface réfléchissante. 3.- Dispositif à couplage photoélectronique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément photo-émetteur et l'élément photo-collecteur sont fabriqués à partir des mêmes 15 matériaux et comprennent des couches présentant des niveaux de dopage identiques. 4.- Dispositif à couplage photo-électronique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau servant de support est formé de façon épitaxiale sur 20 des couches formant mutuellement des jonctions, en un matériau semi-conducteur dont des parties sont ensuite enlevées par attaque chimique, éleetrolytique ou mécanique, de façon à laisser sur le support des régions formant des jonctions photo-émettrices et pho-to-collectrices. 25 5.- Dispositif à couplage photo-électronique, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu plusieurs éléments photo-collecteurs pour chaque élément photo-émetteur. 6.- Dispositif à couplage photo-électronique suivant l'une 30 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à être utilisé comme relais et en ce qu'il est combiné avec des organes d'amplification alimentés respectivement par les signaux de sortie des éléments photo-collecteurs. 7.- Dispositif à couplage photo-électronique suivant la reven- 35 dication 6, caractérisé en ce qu'un certain nombre de paires d'éléments photo-collecteurs sont prévues pour chaque élément photoémetteur et en ce que les signaux de sortie provenant de chaque paire d'éléments photo-collecteurs alimentent un amplificateur du type Darlington.