Brevet FR2490014A1 — publié le 19820312

La présente invention a pour objet un photo- transistor du type à hétérojonction émetteur-base. Elle trouve une application en télécommunications optiques. Les photodétecteurs utilisés pour les télé- communications optiques doivent posséder une excellente sensibilité, c'est-à-dire être aptes à détecter des si- gnaux optiques de faible amplitude. Les photodiodes à avalanche sont souvent utilisées dans cette application. Elles sont alors associées à des pré-amplificateurs à faible bruit. Toutefois, les problèmes posés par le fonctionnement en avalanche rendent cette solution de mise en oeuvre délicate, surtout aux longueurs d'onde correspondant aux fenêtres de transmission optimales des fibres optiques (1,31im et 1,55,um). Une autre solution consiste à utiliser une simple photodiode de type PN ou PIN, associée à un pré-amplificateur à très faible capa- cité d'entrée. Le composant d'entrée du pré-amplifica- teur est soit un transistor à effet de champ, en GaAs par exemple, soit un transistor bipolaire à fréquence de transition très élevée (plusieurs GHz). Ces deux solu- tions sont comparées dans l'article de SMITH, HOPPER et GARRET publié dans la revue "Optical and Quantum Elec- tronics" 10 (1978) pages 292-300. Le phototransistor, qui peut être considéré comme le résultat de l'intégration monolithique d'une photodiode et d'un transistor, présente lui aussi un in- térêt certain en photodétection, du fait de l'absence de connexion d'entrée, à condition toutefois que les élé- ments photodiode et transistor possèdent des caractéris- tiques au moins équivalentes à celles des composants discrets correspondants. La présente invention se rapporte à un photo- détecteur de ce dernier type. En plus des phototransis- tors à homojonction en silicium on connait des photo- transistors à hétérojonction (de type Npn), obtenus es- sentiellement à partir de matériaux composés d'éléments des colonnes III et V de la classification périodique des éléments. Il s'agit par exemple de phototransistors GaAlAs-GaAs, ou InP-GaInAsP. Ces différents phototransistors fonctionnent tous selon le même principe: la lumière incidente est absorbée dans la couche de base ainsi que dans la zone désertée base-collecteur, voire dans le collecteur. Le photocourant résultant se superpose au courant de base du phototransistor. On observe une variation du courant collecteur égale au photocourant primaire que multiplie le gain du phototransistor. En ce qui concerne les dispositifs à hétéro- jonction, le phototransistor sans contact de base, pour lequel la lumière traverse la couche d'émetteur avant d'être absorbée dans la couche de base, présente des caractéristiques intéressantes, surtout en ce qui con- cerne la sensibilité. Un tel phototransistor est représenté en coupe sur la figure 1. Il comprend une couche 2 servant de collecteur (en GaAs de type n par exemple), une couche 3 servant de base (en GaAs de type p par exemple), et une couche 4 servant d'émetteur - (en GaAlAs de type N par exemple). L'ensemble de ces couches est déposé sur un substrat 12 (par exemple en GaAs de type n). Les con- tacts électriques se font par le contact émetteur 7 et par le contact collecteur 9. Ce genre de phototransistor est décrit dans les articles de BENEKING et al."Electronics Letters" 12 (1976), pages 395-396, de MILANO et al. "IEEE Interna- tional Electron Devices Meeting" (Déc. 1979) et enfin de KONAGAI et al. "Journal of Applied Physics" 48 (1977), pages 4389-4394. D'autres phototransistors possedent un con- tact de base. Dans ce cas, un décapage de la couche d'émetteur est effectué afin de réaliser la métallisa- tion du contact sur la base. La lumière peut alors être directement focalisée sur la couche de base dans la zone décapée. Un tel phototransistor est représenté sur la figure 2 avec les mêmes références que pour la figure 1. Le contact de base porte la référence 8. Ce genre de phototransistor a été décrit par BENOIT, à la Conférence Internationale sur les Communi- cations Optiques, Paris 1976. Tous ces dispositifs connus présentent de nom- breux inconvénients: - le phototransistor à homojonction est peu adapté à la photodétection à faible niveau aux longueurs d'onde envisagées en télécommunications sur fibres opti- ques (vers 0,851.m). En effet, le silicium possède à cette longueur d'onde un coefficient d'absorption rela- tivement faible, qui nécessite une épaisseur de zone dé- sertée base-collecteur importante (supérieure ou égale à iam) peu compatible avec un fonctionnement en transis- tor rapide; - en ce qui concerne les phototransistors à hétérojonction, il convient d'observer les points sui- vants: a) dans le cas o la lumière traverse la couche d'émetteur, comme c'est le cas pour le phototransistor de la figure 1, on obtient des composants dont la ca- pacité émetteur-base est nécessairement élevée: pour la photodétection en extrémité de fibre optique, il faut disposer d'une surface sensible ayant un diamètre d'environ 50 lim, ce qui conduit, même avec les faibles dopages d'émetteur utilisés dans les transitors à hé- térojonction, (quelques 1016 cm 3), à des capacités importantes (> 5pF); de plus, les courants de recom- binaison, dont l'amplitude est proportionnelle à la sur- face de la jonction émetteur-base, limitent les possibi- lités de fonctionnement à faible courant nécessaire en photodétection à faible bruit; en revanche, la sensibi- lité de ces composants, dans la fenêtre de transmission de l'émetteur, est excellente grâce à la faible vitesse de recombinaison des porteurs à l'interface émetteur- base; b) si, pour réduire la capacité émetteur-base et le courant de recombinaison, on adopte la solution de l'émetteur décapé localement. comme pour le phototran- sistor de la figure 2, on se trouve confronté à un autre problème qui est celui de la baisse de sensibi- lité; en effet, la lumière qui est absorbée dans la base et le collecteur, sous la partie décapée, crée des porteurs dont une partie non négligeable va se recombiner à la surface du dispositif; les surfaces libres GaAs-air, et également GaInAsP-air, sont en effet caractérisées par une vitesse de recombinaison importante (105 cm/s pour GaAs) et les essais de pas- sivation de ces surfaces n'ont pas encore donné de résultats satisfaisants; c) enfin, le décapage sélectif de la couche d'émetteur n'est pas toujours aisé; cette opération est d'autant plus délicate que la couche de base est fine, ce que requiert un gain en courant élevé. L'invention a justement pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un phototransistor à-hétéro- jonction présentant à la fois une capacité d'émetteur faible et une sensibilité élevée. A cette fin, l'invention préconise un change- ment du type de dopage de la couche d'émetteur et cela de façon localisée, ce qui permet de ne garder un émet- teur de type N (dans le cas d.'une structure Npn) que sur une surface très réduite, alors que, dans la zone photo- sensible, la couche d'émetteur, en majeure partie con- vertie en type P, conserve son rôle de fenêtre. Le changement de type de dopage peut s'effec- tuer par diffusion localisée d'une impureté de type p (dans l'exemple pris d'une couche n) (Zn par exemple dans le cas de GaAlAs); mais d'autres techniques sont possibles, telles que l'implantation ionique ou la re- prise d'épitaxie. De façon plus précise, l'invention a pour ob- jet un phototransistor comprenant des couches semicon- ductrices formant une hétérojonction émetteur-base et un collecteur, caractérisé en ce que la couche d'émetteur a son type de dopage inversé sur une partie de son éten- due, ce dopage atteignant la couche de base, cette zone de type inverse étant transparente au rayonnement lumi- neux à détecter. Deux modes particuliers de réalisation vont maintenant être décrits en référence aux figures anne- xées qui font suite aux figures 1 et 2 déjà décrites et qui représentent: - la figure 3, une structure Npn de type GaAlAs-GaAs, - la figure 4, cette même structure avec un contact de collecteur ramemé sur la face supérieure. Tel que représenté sur la figure 3, le photo- transistor comprend, sur un substrat 12 fortement dopé de type n, successivement: - une couche tampon 1 en n ±GaAs, - une couche de collecteur 2 en n -GaAs (ou éventuellement GaAlAs), - une couche de base 3 en p-GaAs (ou éventuel- lement GaAlAs, avec une concentration d'aluminium infé- rieure à celle de l'émetteur), - une couche d'émetteur 4 en N-GaAlAs, une couche de contact 5 en n ±GaAs ou GaAlAs. La jonction émetteur-base est réalisée dans des conditions minimisant si possible le courant de re- combinaison; en particulier les jonctions électrique et métallurgique ne sont pas nécessairement en coïncidence. On peut également utiliser un substrat semi- isolant pour conserver le contact collecteur sur la même face que les autres contacts, ou pour des besoins d'in- tégration. Une diffusion localisée est effectuée dans la couche d'émetteur faisant apparaître un puits de diffu- sion 6 de type p s'étendant jusqu'à la couche de base. La localisation de la diffusion s'effectue à l'aide d'un masque isolant dans lequel des fenêtres de diffusion ont été ouvertes. La couche de contact est alors éliminée dans la zone photosensible 11. Elle n'est conservée locale- ment que pour les contacts d'émetteur 7 et éventuelle- ment de base 8. Ce décapage de la couche de-contact peut s'effectuer avant diffusion. Il est rendu nécessaire, d'une part, pour des questions de transparence mais aussi d'injection par la diode latérale de la jonction émetteur-base. En effet, on désire, pour cette jonction, ne conserver que l'hétérojonction active et éventuelle- ment une diode latérale, mais en GaAlAs uniquement (le seuil de conduction de cette diode latérale étant plus élevé que celui de l'hétérojonction). On procède ensuite au dépôt des métallisations du contact d'émetteur 7, du contact de base 8 et du contact collecteur 9, avant d'effectuer l'isolation électrique du composant par création de zones isolantes par bombardement de protons par exemple. La figure 4 représente un phototransistor ana- logue avec cependant un substrat 12 semi-isolant permet- tant de disposer le contact de collecteur 9 sur la même face que les autres contacts, ce qui facilite l'intégra- tion du composant. Naturellement, des dispositifs semblables peuvent être réalisés à partir d'autres matériaux. En particulier, pour les longueurs d'onde comprises entre 1,2 et 1,6i.m, on peut utiliser InP comme matériau du substrat et, pour les autres couches, les matériaux bi- naire InP, ternaire GaInAs, ou quaternaire GaInAsP. Il convient toujours de les choisir de façon que la zone du type inversé de la couche d'émetteur soit transparente au rayonnement à la longueur d'onde considérée, les cou- ches de base et/ou de collecteur étant absorbantes. REVENDICATIONS 1. Phototransistor comprenant des couches semiconductrices formant une hétérojonction émetteur- base (4,3) et un collecteur (2), caractérisé en ce que la couche d'émetteur a son type de dopage inversé sur une partie (6) de son étendue, ce dopage atteignant la couche de base (3), cette zone de type inversé étant transparente au rayonnement lumineux à détecter. 2. Phototransistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'émetteur (4) est en GaAlAs du type N dans la zone d'émetteur et de type P dans la zone à type de dopage inversé, la couche de base en GaAs de type p, et le collecteur en GaAs de type n. 3. Phototransistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'émetteur est en GaAlAs de type N dans la zone d'émetteur et de type P dans la zone à type de dopage inversé, la couche de base en GaAlAs avec une concentration en A1 inférieure à celle de l'émetteur, et le collecteur en GaAlAs. 4. Phototransistor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes couches sont en matériaux composés III-V formant au niveau de la jonc- tion émetteur-base une hétérojonction.