Brevet FR2475296A1 — publié le 19810807

L'invention se rapporte aux photodiodes à avalanche, notamment à celle qui sont destinées à être couplées à une fibre optique. On sait que, dans les télécommunications par fibres optiques on utilise des photodiodes à avalanche plutôt que de simples photodiodes afin d'améliorer le rendement énergétique de la liaison. Il existe deux catégories de structures de photodiodes à avalanche, qui sont, en nommant les couches semiconductrices dans l'ordre où elles sont traversées par les photons incidents: a) une première catégorie de structure: P+ P P N+ (où le substrat est P#); b) une deuxième catégorie de structure : de structure: N+ P P P+ (où le substrat est P+). Cette deuxième catégorie, dite aussi "par épitaxie sur matériau P+", est plus avantageuse que la première, car, par suite de l'épaisseur relatives ment importante de matériau P+, la tension de polarisation inverse nécessaire pour le fonctionnement de la photodiode, est moindre que dans le cas de la première catégorie. Un inconvénient, d'ailleurs commun aux deux structures, réside dans le fait que, pour éviter certains effets nuisibles apparaissant sur les bords de le structure, on est obligé de créer un anneau de garde en matériau N+, ce qui complique le procédé de fabrication et, en outre, est la source d'un inconvénient supplémentaire. Celui-ci résulte de l'augmentation de la capacité électrique de la photodiode dite aussi capacité de jonction; cette capacité devrait être aussi petite que possible pour obtenir le meilleur gain de détection. Par suite de cet inconvénient, on perd en partie l'avantage db à l'utilisation d'une diode à avalanche par rapport à l'utilisation d'une diode simple. L'invention tend à remédier à cet inconvénient en modifiant une structure de la deuxième catégorie évoquée plus haut afin de concentrer la zone d'avalanche sans avoir recours à un anneau de garde. En outre elle procure d'autres avantages qui seront mentionnés ci-après. La photodiode suivant l'invention est du type présentant une structte qui comporte, sur une grande face d'un substrat semiconducteur dun premier type de conductivité fortement dopé (de 1018 à 1019 atomes par -cm3), une première et une deuxième couches du même matériau et du même type de conductivité que le substrat mais qui sont respectivement dopées d'une manière très faible et faible par rapport au substrat, et une troisième couche du même matériau mais du type de conductivité opposé, fortement dopée, et présentant une face libre susceptible d'être exposée à des photons incidents. Elle est principalement caractérisée en ce que: - la face libre de la troisième couche présente une cavité ayant un axe de révolution perpendiculaire à la grande face du substrat; - l'épaisseur de la troisième couche est sensiblement constante sur toute la Eoncavité ; - l'épaisseur de la deuxième couche est plus grande dans le fond de la concavité que sur les bords de celle-ci. L'invention sera mieux comprise, et boutres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'ae- compagnent, parmi lesquels: - la figure 1, est une coupe schématique d'une photodiode suivant l'état de Part; - les ffgures 2 à 6 et 9 à 12, représentent schématiquement des étapes de la fabrication d'une photodiode suivant l'invention; - les figures 7 et 8 sont des profits de concentration de dopant et d'intensité de champ électrique dans des sections pratiquées suivant des plans perpendiculaires dans une photodiode suivant l'invention. La structure connue représentée figure 1 est de la deuxième catégorie citée précédemment, où lton remarque un substrat 1 par exemple en silicium monocristallin fortement dopé (concentration en dopant de 1018 at/cm3 à ttitre d'exemple) en impuretés de type Pi Sur la figure l'on trouve: - une couche 2 beaucoup moins dopée P, marquée P (concentration de 1014 à 1015 aticm3); - une couche 3 de dopage P à concentration intermédiaire entre celles du substrat 1 et de la couche 2; - une couche 4, dont le bord, par exemple circulaire, est arrondi en forme de tore par diffusion d'un anneau de garde 40, dopé N+, comme le reste de la couche 4. Une région annulaire 5, dopée P+, est créée de façon classique pour empocher des effets marginaux indésirables. Enfin, une couche de silice 6 déposée à la périphérie sert à isoler le matériau semiconducteur d'un dépôt métallique non visible figure 1 et constituant une électrode de polarisation de la photodiode. Figure 2, on a représenté la structure d'une photodiode suivant l'in- vention, dans laquelle les couches semiconductrices sont les mêmes que dans la structure de la figure 1, sauf en ce qui concerne-la forme générale des surfaces de séparation des couches supérieures entre elles et avec la surface externe exposée aux photons. Sur le substrat 21, dopé P+, on trouve une couche 22, dopée P#, plus épaisse que la couche 2 de la figure 2. Autour d'une cavité de forme hémisphérique on trouve une couche 24, dopée N+ et une couche 23 dopée P placée sous la couche 24.Si on trace un axe XX perpendiculaire à la surface de séparation du substrat 21 et de la couche 22, et représentant l'axe de révolution de la cavité bordée par la couche 24, et Si l'on appelle 0, A, B, C, D les points de cet axe situés aux limites des couches traversées, on constate que la couche 23 a une épaisseur relativement grande. Si, par contre, on trace la trace YY d'un plan de coupe perpendiculaire à l'axe XX au niveau de la cavité bordée par la couche 24 (à ml-profondeur de cette cavité) on constate, en désignant par 0', A' et B' les points analogues aux points 0, A et B que l'on a: A'B' Dans chacune des figures 7 et 8, on a tracé deux diagrammes présentant des axes Ox parallèles entre eux, où sont portés en abscisses les distances mesurées à partir des points 0 (fig. 7) et 0' (fig. 8). Le premier de ces diagrammes représente la concentration en atomes d'impuretés N ou P par centimètre-cube, en fait, le logarithme de ce nombre (porté en ordonnées) en fonction de l'abscisse du point considéré. Le deuxième de ces diagrammes représente l'intensité E du champ électrique en fonction de l'abscisse du point considéré. L'aspect des graphiques ainsi obtenus reflète les différences de concentration et d'épaisseur dans la couche 23, c'est-à-dire sur les segments AB et A'B'. On peut en déduire que le phénomène d'avalanche est beaucoup plus intense dans la région située au voisinage de l'axe XX qu'au voisinage immédiat du plan de trace YY. Autrement dit, la zone d'avalanche est concentrée autour de l'axe XX. Le procédé de réalisation de la photodiode selon l'invention comprend les étapes suivantes: Première étape : Le but de cette étape est la constitution d'une couche très épaisse de matériau P sur un substrat P+, par exemple en arséniure de gallium monocristallîn. Le résultat peut être obtenu par épitaxie, c'est-à-dire par croissance cristalline de matériau P sur le substrat P+. Toutefois, il est assez difficile d'obtenir dans ces conditions le faible taux de dopage désiré (1014 à 1015 atomes/cm3). En conséquence, une variante préférée consiste à partir d'une plaquette P- d'épaisseur beaucoup plus grande que celle du substrat P+ à obtenir, et présentant deux grandes faces planes.On opère une diffusion d'impuretés P+ sur les deux faces de manière à obtenir des couches relativement très épaisses (une centaine de microns par exemple) et ron élimine ensuite l'une des couches par polissage ou par attaque chimique classique. On recouvre ensuite, au cours d'une sous-étape, la grande face de matériau mise à nu par l'opération précédente, en utilisant une couche de diélectrique capable de résister aux agents d'attaque chimique du matériau P Ce diélectrique est par exemple Si O, ou Si3 N4. On obtient ainsi une plaquette partiellement représentée en coupe transversale figure 3, où l'on retrouve le substrat 25, les couches 22 et 26 de la figure 2. Deuxième étape: Elle comporte une sous-étape préliminaire au cours de laquelle on ouvre, par une attaque chimique classique, une fenêtre dans la couche 26. L'étape proprement dite consiste à attaquer sélectivement le matériau de la couche 22 par une solution de gravure classique d'attaque rapide, contenant notamment les acides fluorhydrique, nitrique et acétique. Grâce à la rapidité de l'attaque chimique on obtient une cavité en forme d'hémisphère 40 dans la couche 22. Troisième étape: On procède à l'implantation ionique d'impuretés de type P en bombardant la cavité 40 dans la direction marquée par les flèches 41 (figure 4). La zone implantée est limitée approximativement par une surface de profil 231 en forme de demi-ellipse dont le grand axe est parallèle aux flèches 41. On procède ensuite à une diffusion d'impuretés de même type P, dans toute la cavité, ce qui donne un nouveau profil 232 parallèle au profil 231, délimitant la couche 23 du côté du substrat. Quatrième étape: On procède à une diffusion d'impuretés de type N+ dans la cavité 40 ce qui donne la couche 24 déjàmentionnée (figure 2). Cinquième étape: Au cours d'une sous-étape préliminaire, on dépose une couche de diélectrique dite "antireflet" de façon classique, en constituant par exemple une mince couche transparente de silice. On élimine cette couche sur les flancs de la cavité. On procède ensuite au dépôt d'une métallisation en vue de constituer un contact ohmique sur tout ou partie de la bordure de la cavité. Une méthode classique de dépôt de cette métallisation consiste à procéder par "lift off" comme suit: a) on dépose une couche de résine photosensible (figure 10) dans la cavité 40 et sur la couche 26. Par photomasquage on rend certaines parties, 91 et 92, insolubles à l'agent de développement de la résine en épargnant une zone 90 destinée à recevoir ultérieurement le contact ohmique; b) après développement, on dépose par évaporation sous vide une couche métallique 100 (figure 11); c) par dissolution de la résine à l'aide d'un agent d'attaque sélectif de celle-ci on fait disparaître les parties 91 et 92 qui avaient résisté à l'opération de développement, et il ne subsiste plus qu'un dépôt annulaire 11 de métal. Dans une variante de la métallisation on opère par évaporation sous vide dans une direction marquée, figure 9, par des flèches 80 obliques par rapport à l'axe XX de la structure. En faisant tourner la structure autour de l'axe XX on obtient un dépôt annulaire 80 qui épargne le fond de la cavité 40. La finition d'une photodiode à avalanche selon l'invention est enfin effectuée de façon classique, deYfaçon à obtenir un composant opto-électronique utilisable, notamment par la soudure de connexions 12 et 13. Figure 11, on#a représenté en trait interrompu une fibre optique dont l'extrémité est disposée dans la cavité de la diode selon l'invention. L'invention est applicable à la constitution d'une tête de réception pour liaison à fibres optiques principalement caractérisée en ce que la diode reçoit l'extrémité de la fibre dans sa cavité, ce qui facilite la mise en place. En outre, comme il est montré dans la demande de brevet déposée le 5 Octobre 1979 sous le No 79 24 891 par la Demanderesse, l'extrémité de la fibre optique peut être métallisée -et servir de relais pour la connexion de polarisation de la photodiode. Pour résumer les avantages de l'invention, on peut dire que: a) la capacité de jonction de la photodiode est plus faible que celle d'une photodiode classique du type à avalanche, de gain comparable, et du même ordre que celle d'une simple photodiode: elle cumule donc les avantages de ces deux types de photodiode; b) la région d'avalanche est très bien centrée; c) la forme concave de la zone exposée aux photons peut être mise à profit pour faciliter le couplage avec une fibre optique, celle-ci épousant la concavité de la photodiode selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Photodiode à avalanche, du type ayant une structure qui comporte, sur une grande face d'un substrat semiconducteur d'un premier type de eonductivité fortement dopé, une première et une deuxième couches du même matériau et du même type de conductivité que le substrat mais qui sont respectivement dopés d'une manière très faible et faible par rapport au substrat, et une troisième couche du même matériau et du type de conductivité opposé, fortement dopée, et présentant une face libre susceptible d'être exposée à des photons incidents, caractérisée en ce que:: - la face libre de la troisième couche présente une cavité ayant un axe de révolution perpendiculaire à la grande face du substrat; - l'épaisseur de la troisième couche est sensiblement constante sur toute la concavité; - l'épaisseur de la deuxième couche est plus grande dans le fond de la cavité que sur les bords de celle-cl. 2. Procédé de fabrication d'uhe photodiode suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'implantation d'ions. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suviantes: AI Constitution d'une couche relativement épaisse de matériau de type sur un substrat semiconducteur de type P ~ BI Attaque chimique de la couche P pour obtenir une cavité de forme hémisphérique; CI Création d'une région de type P de forme ovotide par implantation d'ions d'impureté de type P dans la couche P ~ Dl Création d'une couche de type N+ bordant la cavité. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'à l'étape ( ) on part d'une plaquette monocristailine de type P où l'on diffuse une couche P+. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'à l'étape (C) on fait suivre l'implantation d'ions d'une diffusion d'impuretés de même type que celle des ions implantés. 6. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'au cours d'une étape supplémentaire, on dépose une couche antireflet que l'on élimine sur les flancs de la cavité, et que J'on procède ensuite au dépôt d'une métallisation au bord de la cavité. 7. Procédé suivant la revendication 6, -caractérisé en ce que la métallisation est réalisée en évaporant sous vide un métal dans une direction oblique par rapport à l'axe de la cavité, et en faisant tourner la photodiode autour de cet axe pendant l'évaporation sous vide. 8. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la métallisation est réalisée par une méthode dite de lift-off. 9. Tête de réception d'une liaison par fibres optiques utilisant une photodiode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité d'une fibre optique est placée dans la cavité de la photodiode.