Brevet FR2406895A1 — publié le 19790518

L'invention concerne une photodiode du type à avalanche, comportant une homojonction, c'est-à-dire une jonction semiconductrice constituée par deux zones de types de conductivité differents, appartenant d un même matériau cristallin, ici un alliage'de gallium, d'indium d'arsenic et de phosphore de formule générale Gay In1#y As # Pl-x On sait qu'une photodiode est une diode, destinée à fonctionner sous une polarisation inverse, possèdant, au voisinage de la jonction semiconductrice, une zone dite active, capable d'absorber des photons en créant des paires électrons-trous, et en produisant, de ce fait, un courant électrique "inverse" dont l'intensité est une fonction directe du nombre de photons, c'està-dire de l'intensité de la radiation porteuse de photons. Dans une photodiode du type "à avalanche", le phénomène d'ionisation par choc intervient pour multiplier le courant de détection des photons. Parmi les qualités exigées des photodiodes, notamment dans leurs applications aux télécommunications par fibres optiques, on peut citer - la faible intensité du courant dit "d'obscurité" (en l'absence de photons) ; - la grande intensité du courant de détection et le gain d'avalanche dans le cas des photodiodes à avalanche ; - l'uniformité de la réponse dans une bande de fréquences déterminée des radiations lumineuses ; - la rapidité de la réponse, soit l'inverse du temps de montée du courant de photodétection. Les premières photodiodes en matériau homogène (au silicium et au germanium, notamment) n'ont pas permis de satisfaire toutes les exigences des télécommunications optiques notamment pour les longueurs d'onde supérieures au micron. On a utilisé des photodiodes à hétérojonction, dont les performances sont supérieures à celles des premières photodiodes, mais dont la fabrication nécessite une technologie plus complexe. L'invention permet d'obtenir des performances satisfaisantes avec une photodiode du type a homojonction". La photodiode à avalanche selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte une jonction semiconductrice constituée par une première et une deuxième couches d'un matériau cristallin de formule générale Gay In1#y As P1-x (1) dans laquelle x est environ le double de y, avec : 0 > 1 # x 6 1 et 0,05# y v o,48 les deux couches semiconductrices étant de types opposés de conductivité. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les deux couches résultent de deux dépôts successifs par épitaxie d'un alliage monocristallin de formule (1) sur un substrat d'un maté- riau répondant S la formule (1) dans laquelle on a : x:y:0 c'est-à-dire l'alliage In P. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaltront au moyen de la description qui suit en se reportant aux dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels - la figure 1 représente, en coupe, un exemple de réalisation de l'invention ; - les figures 2 d 4 sont des diagrammes relatifs aux fonctionnement des photodiodes. A titre d'exemple de réalisation de l'invention, on a représenté en coupe, figure 1, une photodiode comportant un substrat 1 en en phosphure d'indium (In P) monocristallin dopé n avec une densité d'atomes donneurs supérieure à 1018 cm 3, soit, par exemZ ple 2.1018 cl 3. Ce substrat présente une forme cylindrique limitée par deux sections droites distantes d'une centaine de microns. L'épaisseur du substrat est assez faible pour ne pas constituer une gene S la traversée des photons et assez épaisse pour permettre facilement les manipulations lors de la fabrication de la photodiode.Le rôle de ce substrat est triple: - servir de support aux couches semiconductrices de la zone active de la photodiode ; - servir de passage aux radiations 100 arrivant du coté de la face arrière appelée ici par convention face inférieure du substrat - recevoir sur sa face inférieure une métallisation annulaire 11 obtenue par exemple par évaporation sous vide et masquage. La nature des alliages métalliques et/ou métaux déposés est choisie de manière a obtenir un bon contact-ohmique. Le substrat 1 a reçu, par épitaxies successives sur sa face supérieure : - une couche 2, d'une très faible épaisseur (de l'ordre du micron, éventuellement davantage) destinée à servir de tampon entre substrat et zone active ; elle est constituée par du phosphure d'indium In P de type n dopé par une densité d'impureté de 1018 cm-3 ; - une couche mince 3, par exemple de l'ordre d'au moins deux microns d'épaisseur, éventuellement plus épaisse, en alliage monocristallin de formule générale Gay In1y As P1-x. Le choix des parametres x et y est déterminé par des considérations qui sont exposées ci-après.A titre-d'exemple de réalisation, on a pris x = 1 et y = 0,47 ; une telle couche en Gag,47 In0,53 As est naturellement de type n ; facultativement, on peut la doper en impuretés de type n, par exemple par des atomes d'étain, de manière à obtenir une densité en atomes donneurs de 1016 cm 3 ; - une couche 4 de faible épaisseur, par exemple de l'ordre de deux microns, en alliage monocristallin de composition iden tique tique à celle de la couche 3, mais avec un dopage p donnant une densité en atomes accepteurs (Zn par exemple) de l'ordre cm - une métallisation 5 donnant un bon contact ohmique avec le le matériau p de la couche 4. Le choix des paramètres x et y dépend de deux considérations t ) Les réseaux cristallins des alliages binaires (In P) et quaternaire (Gay In1 y Asx Pi~x) doivent être compatibles, c'est- à-dire présenter des mailles de dimensions assez voisines pour que la croissance monocristalline d'un alliage sur l'autre puisse être obtenue par épitaxie. Cette condition est réalisée lorsqu'on a sensiblement : y = 2x. 20) Le rendement quantique de la production de paires électron-trou à partir de photons (en dehors de tout phénomène d'avalanche) soit maximal pour la longueur d'onde ou la bande de longueurs d'ondes que l'on désire favoriser. Le graphique de la figure 2 représente des courbes 21, 22 et 23 de rendement quantique en fonction de la longueur d'onde pour trois valeurs de x (y étant de l'ordre de x ;/2).Ces courbes présentent des maximums de l'ordre de 0,7 suivis, du coté des grandes longueurs d'ondes, de descentes abruptes, pour les longueurs d'ondes (en microns) : 1,05 : pour un alliage avec x = 0,26 et y = 0,12 ; 1,3 : pour un alliage avec des valeurs d interpoler entre celles des alliages correspondants aux courbes 21 et 23 ; soit par exemple 0,4 0,5 et 0,2 On remarquera que la longueur-d'onde infrarouge de 1,3 micron est classique en transmission de lumière par fibres optiques du type. utilisé pour les télécommunications. Figure 3, on a représenté les caractéristiques obtenues, à une température de 3000 Ka dans le cas d'une photodiode selon l"nven- tion possédant une homojonction en Gag,41 In 53 As La surface utile de réception des radiations est environ 5.10 cm2. En (a) est représenté le courant dit "d'obscurité" pour des polarisations inverses de 10 à environ 25 volts. En (b) on a le courant inverse obtenu avec des polarisations inverses de 10 à 20 volts environ, pour des radiations infrarouges de longueur d'onde égale à 1,2 micron. En fait, la caractéristique dépend de très peu de la longueur -d'onde du rayonnement infrarouge entre 0,9 et 1,5 micron. Le gain de courant dû à l'avalanche a pu etre estimé comme supérieur S 100. Le rapport signal à bruit, pour un gain de 100, est de l'ordre de 30. Le tableau 1 donne des éléments de comparaison entre des photodiodes d homojonction utilisant pour leur zone active différents matériaux. TABLEAU 1 Légende : Colonne Il : longueur d'onde de réponse optimale ; Colonne 12 : rendement quantique estimé pour A= 1,3 micron (cas de photodiode munie de couche "antireflet") Colonne 13 : temps de montée pour une diode de surface 5.10 -4 cm2 sous des radiations de 1,3 micron. Matériau Il 12 13 Ga0.47 InO 53 As 1,6 micron 75 % 10 ns Si O,9 micron 0,01 % non utilisable Ge 1,5 micron 55 % 10 ns In As 3,4 microns 50 % 25 ns Il y a lieu de noter que les photodiodes utilisant Pb S et Hg Cd Te sont très sensibles, mais que leur temps de montée est supérieur à 10 microsecondes. Le tableau 2 donne le courant d'obscurité et la longueur d'onde de sensibilité maximale pour des photodiodes utilisant différents matériaux TABLEAU 2 Matériau Courant d'obscurité Longueur d'onde Ga 47 In 0,53 As 4 Il A 1,75 micron Si 2,5 p A 1,1 micron Ge 1000 P A 2 microns In As 100 000 p A 4 microns Figure 4, on a représenté le rendement comparé ri de trois photodiodes en fonction de la longueur d'onde portée en abscisses, entre 1 et 2 microns. Pour la diode selon l'invention (courbe 1) on a un rendement relativement uniforme et acceptable dans une gamme d'infrarouge relativement large. Pour la diode au silicium (courbe 42) le rendement est quasi nul dans toute la gamme. Pour la photodiode au germanium (courbe h5) la courbe est beaucoup plus sélective avec un maximum accusé vers 1,5 micron. En conclusion, le principal intérêt de la photodiode à avalanche selon l'invention résulte de la combinaison des avantages suivants dans l'infrarouge proche - petitesse du courant d'obscurité ; - importance du gain d'avalanche ; - uniformité relative de la réponse de 1 S 1,6 micron ; - rapidité de la réponse (temps de montée faible). REVENDICATIONS 1. Photodiode à avalanche du type à homojonction, caractérisée en ce qu'elle comporte une jonction semiconductrice constituée par une première et une deuxième eouches d'un matériau cristallin de formule générale Gay Inlay As, P1-x (1) dans laquelle x est environ le double de y avec : 0,1 4 x 4 1 OJO54YE 0,48 les deux couches semiconductrices étant de types opposés de conductivité. 2. Photodiode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que : x= 1 0,46 3. Photodiode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que 0,4 x 4 x 0,5 0,2 # y 4 0,25 4. Photodiode suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat en alliage de phosphure d'indium (In P). 5. Photodiode suivant la revendication 4, caractérisée en ce que sur le substrat dopé avec une densité d'atomes donneurs de l'ordre de 2.1018 cl ), on trouve successivement une couche tampon d'alliage In P dopé n avec une densité d'atomes donneurs de l'ordre de 1018 cm#3, puis la première couche de Gay In1 y Asx P1-x1 dopée:n avec une densité de l'ordre de W16cm#3 et la deuxième couche du même alliage dopée p avec une densité d'atomes accepteurs de l'ordre de 2.1018 cm#3. 6. Photodiode suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le substrat porte sur sa face libre une métallisation annulaire constituant un contact ohmique et que la deuxième couche porte une métallisation constituant un contact ohmique. 7. Récepteur de transmissions optiques caractérisé en ce qu'il comporte une photodiode à avalanche selon l'une des revendications i à 6.