Brevet FR2284989A1 — publié le 19760409

La présente invention concerne un photodétecteur rapide à faible tension d'alimentation comportant une photodiode du type PIN au silicium. Dans de telles photodiodes de type connu, utilisées en optoélectronique, deux couches minces P et N à fort dopage sont séparées par une couche plus épaisse I non dopée ou à très faible dopage de type P ou de type N. Il est souhaitable d'augmenter la rapidité de ces photodiodes pour leur permettre d'atteindre des fréquences de tordre du gigahertz dans la détection d'impulsions lumineuses de grandes longueurs d'onde, supérieures à 8000 angstroems, tout en utilisant des tensions d'alimentation faibles, de l'ordre de 10 V. On connalt des photodiodes d'un type différent, comportant deux couches minr ces de même type de dopage fort (P+) et moyen (P) séparées par une couche de même type plus épaisse avec un dopage plus faible (pi) avec une concentration de l'ordre de 1014 atomes par centimètre cube. Une couche à fort dopage de type opposé (N+) forme une jonction avec la couche à dopage moyen (P). Ces photodiodes de type différent sont utilisées en régime d'avalanche avec des tensions d'alimentation qui ne peuvent guère être abaissées au-dessous de 50 V. Il est connu, par un article de RUEGG (Transactions on Electron Devices, Vol. ed. 14, ne S, 5 > mai 1967) "An optimized avalanche photodiode", d'augmenter la rapidité de ces photodiodes à avalanche en amincissant localement la couche à' faible dopage jusqu a une épaisseur de l'ordre de 20 à 30 microns. Mais ces photodiodes à avalanche ne permettent pas d#obtenir les performances souhaitables de rapidité et de tension d'alimentation précédemment indiquées. La présente invention a pour but la réalisation d'un photodétecteur rapide à faible tension d'alimentation présentant une rapidité accrue tout en ne nécessitant qu'une tension d'alimentation inférieure à 20 Volts. Elle a pour objet un photodétecteur rapide à faible tension d'alimentation comportant : - une plaquette semi-conductrice en silicium avec une face avant recevant la lumière à détecter et une face arrière ; - au sein de cette plaquette, une couche avant mince de type P à fort dopage, une couche intermédiaire plus épaisse de type N à faible dopage et une couche arrière mince de type N à fort dopage ; - une couche métallique avant étant en contact avec ladite couche avant sur ladite face avant et étant percée d'une fenêtre permettant à la lumière d'atteindre cette couche avant ; - une couche métallique arrière étant en contact avec ladite couche arrière sur ladite face arrière ; caractérisé par le fait que ladite plaquette est amincie en regard de ladite fenêtre jusqu'à une épaisseur comprise entre 5 et 20 microns, cette épaisseur comportant lesdites couches avant, intermédiaire et arrière, la concentration de il 13 11 13 dopage de ladite couche intermédiaire étant comprise entre 10 et 10 atomes par centimètre cube. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ci-après à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure unique représente une vue en coupe d'un photodétecteur selon l'invention. Le photodétecteur représenté sur la figure comporte une photodiode constituée d'une plaquette carrée de silicium 2, de 2 un de côte, et d'une épaisseur de 150 microns avec une face avant représèntée en haute et une face arrière représentee en bas. Au milieu de la face avant, qui reçoit la lumière à détecter, a été formée par diffusion une couche avant 4, de forme circulaire, d'un diamètre de 800 microns et dlgune épaisseur comprise entre 0,3 et 1 micron, avec un dopage de type P+ de 5.10 atomes par centimètre cube en surface. La face arrière est toute entière occupée par une couche arrière 6, de type N+, également formée par 20 diffusion, avec une épaisseur de 0,5 micron et un dopage de 10 atomes par centimètre cube en surface.Le reste de la plaquette est dopé de type N avec une 13 très faible concentration, comprise entre 1011 et 10 , et de préférence égale 12 atomes par centimètre cube environ. En face de la couche 4, la face arrière est creusée de manière à ne laisser subsister, entre les couches avant 4 et arrière 6, qu'une couche intermédiaire mince 5 à faible dopage, d'une épaisseur comprise entre 5 et 20 microns, 10 microns environ par exemple. La face avant est revetue sur la couche 4 d'une couche métallique avant 8, de forme annulaire, laissant libre une fenetre centrale sur laquelle la lumière à détecter est dirigée. La face arrière est revetue d'une couche métallique arrière continue 10. Une source d'alimentation 12 fournit à la couche métallique avant 8 une polarisation négative de 10 volts par rapport à la couche métallique arrière 10. Des moyens 14, tels qu'une résistance de charge, permettent la détection du photocourant traversant la source 12 et la plaquette 2 sous l'action de la lumière reçue par la couche 4 à travers la fenêtre de la couche métallique 8. La faible épaisseur de la couche intermédiaire 5 en face de cette fenetre et son faible dopage permettent, meme en présence d'une tension d'alimentation aussi faible que 10 V, d'assurer que les porteurs de charges crées par la lumière dans toute l'épaisseur de cette couche soient immédiatement soumis à un champ électrique élevé qui assure leur collection rapide. Une impulsion de lumière brève engendre donc une impulsion de courant qui est, elle aussi, brève. Plus précisément, dans l'exemple décrit, le temps de montée de l'impulsion de courant peut atteindre 0,14 ns environ. Par ailleurs, la forte épaisseur de la plaquette 2 à l'extérieur de la fenêtre permet d'obtenir une résistance mécanique suffisante. La plaquette semi-conductrice qui vient d'être décrite peut être obtenue par les étapes de fabrication ci-dessous, à partir d'une plaquette d'épaisseur 12 uniforme 150 microns et de dopage uniforme à 10 atomes par centimètre cube - la face avant reçoit un poli-optique et la face arrière un poli chimique ; - on dépose une couche de résine photo sensible sur la face arrière ; - on enlève la résine par photogravure dans la zone à creuser ; - on recuit cette couche de résine ; - on colle la plaquette par sa face avant sur un support inaltérable ;; - on immerge la plaquette dans un bain d'attaque comprenant 10 volumes d'acide fluorhydrique à 48 Z pour 30 volumes d'acide nitrique et 20 volumes d'acide acétique, à la température ambiante pendant un temps suffisant pour réduire l'épaisseur de la plaquette à 12 microns là où la résine a été enlevée ; - on nettoie la plaquette et on l'oxyde sur ses deux faces ; - on enlève la couche d'oxyde au-dessus de la future couche 4 ; - on réalise la couche 4 par diffusion de bore ; - on enlève l'oxyde sur la face arrière ; - on réalise la couche 6 par diffusion de phosphore ; - on enlève sur la fascé avant l'oxyde qui s'est reformé dans la zone de la future couche métallique 8 ; - on dépose la couche métallique 8 ; ; - on enlève ltoxyde qui s'est formé sur la face arrière ; - on dépose la couche métallique 10. Un autre mode de réalisation d'une photodiode rapide amincie localement consiste à creuser sa face avant. Ce mode de réalisation peut être très intéressant dans le cas des systèmes de télécommunications optiques par ondes guidées, la fibre de verre conduisant la lumière pouvant alors être fixée dans la partie creusée par une résine transparente d'indice intermédiaire assurant un bon couplage optique entre la fibre et le semi-conducteur. REVENDICATIONS 1/ Photodétecteur rapide à faible tension d'alimentation comportant - une plaquette semi-conductrice en silicium avec une face avant recevant la lumière à détecter et une face arrière - au sein de cette plaquette, une couche avant mince de type P à fort dopage, une couche intermédiaire plus épaisse de type N à faible dopage et une couche arrière mince de type N à fort dopage - une couche métallique avant étant en contact avec ladite couche avant sur ladite face avant et étant percée d'une fenêtre permettant à la lumière d'atteindre cette couche avant ; - une couche métallique arrière étant en contact avec ladite couche arrière sur ladite face arrière ; caractérisé par le fait que ladite plaquette est amincie en regard de ladite fenêtre jusqu'à une épaisseur comprise entre 5 et 20 microns, cette épaisseur comportant lesdites couches avant, intermédiaire et arrière, la concentration de dopage de ladite couche intermédiaire étant comprise entre 1011 et 1013 atomes par centimètre cube. 2/ Photocétecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites couches avant et arrière ont une épaisseur comprise entre 0,3 et 1 micron avec 19 une concentration de dopage supérieure à 10 atomes par centimètre cube.