Brevet FR2492168A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne les détecteurs à semiconducteurs. La découverte du fait qu'il était possi- ble de minimiser les pertes et la dispersion dans la matière pour des fibres optiques à base de silice en utilisant des longueurs d'onde dans la région comprise entre 1,0 et 1,6 pm a suscité de l'intérêt pour les sources lumineuses et les photodétecteurs capables de fonctionner dans cette région de longueursd'onde. La région de longueurs d'onde allant d'environ 1,0 à 1,6 lim a suscité un intérêt particu- lier du fait qu'elle apparaît, à l'heure actuelle, être la région de longueurs d'onde optimale en ce qui concerne des pertes optiques minimales. Un photodétecteur est un composant essentiel d'un système de communication optique et de nombreux efforts ont été consacrés au développement de structures et de matières pour de telles structures. Du fait de la valeur favorable des bandes interdites, l'intérêt s'est centré sur des dispo- sitifs, constituant aussi bien des sources lumineuses que des photodétecteurs, utilisant des matières des groupes III-V. On a réalisé des dispositifs utilisant des semicon- ducteurs binaires comme GaSb; des semiconducteurs ternai- res, comme InGaAs et GaAlSb; et des semiconducteurs qua- ternaires comme InGaAsP. On a par exemple envisagé l'uti- lisation de photodiodes et de photodiodes p-i-n ayant différentes structures et différentes combinaisons des matières III-V mentionnées précédemment. Le photodétecteur qui sera finalement choisi doit satisfaire plusieurs exi- gences. Il doit avoir un bon rendement quantique, des caractéristiques correspondant à un faible courant d'obscu- rité et une capacité relativement faible. Une technique pour réaliser des photodétecteurs fonctionnant dans la région de longueurs d'onde comprise entre 1,0 pm et 1,6 pm consiste à utiliser du InGaAs, obtenu par croissance sur des substrats de InP. Différentes mises en oeuvre de cette technique sont décrites dans les revues Applied Physics Letters, 33, pages 640-642, 1er octo- bre 1978 et Electronics Letters, 16, pages 155-156, 1980. Le premier des articles précités décrit une photodiode à avalanche àhomojonction qui a un courant inverse de 2n.A à la moitié de la tension de claquage. Ce courant correspond à une -6 2 densité de courant d'obscurité de 4 x 10 A/cm. Le second des articles précités décrit une photodiode p-i-n qui est éclairée par l'arrière et qui a un courant d'obscurité de 2 à 5nA avec une polarisation inverse de 10 V. Une autre technique de réalisation de photodétec- teurs fonctionnant dans la même région de longueurs d'onde est décrite dans la revue Applied Physics Letters, 35, pages 251-253, ler août 1979. Cet article décrit une photodiode à avalanche à hétérostructure au InGaAsP comportant des cou- ches de InGaAsP de type n et de InP de type n, qu'on fait croître séquentiellement sur un substrat de InP de type n+. On forme une région de InP de type p+ dans la couche de InP, par diffusion de cadmium. La photodiode résultante fonction- ne avec une jonction à avalanche dans la matière ayant la bande interdite la plus large, c'est-à-dire le InP, au voi- sinage de la matière à bande interdite étroite, c'est-à-dire le InGaAsP, cette dernière matière absorbant la lumière. Il est indiqué que le dispositif a un bon rendement quantique et un bon gain d'avalanche lorsqu'il fonctionne avec une polarisation inverse relativement élevée. L'article indique des rendements quantiques supérieurs à 60% et un gain d'ava- lanche de 3000. Cependant, une barrière de bande de valence d'environ 0,4 V bloque la diffusion des trous produits par absorption de lumière dans la couche quaternaire. Les trous ne surmontent la barrière que lorsqu'il existe près de l'hétérojonction un champ électrique élevé qui puisse accé- lérer les trous. En outre, dans le fonctionnement dans la région d'avalanche, un effet tunnel se manifeste et le cou- rant d'obscurité augmente. Du fait de la présence de cou- rants d'effet tunnel élevés qui produisent un niveau impor- tant de bruit du détecteur, il peut être difficile de réali- ser des photodétecteurs à avalanche à faible bruit à partir de matières III-V. Avec l'invention telle qu'elle est revendiquée, il est possible de réaliser une photodiode avec un faible courant d'obscurité et une faible capacité, convenant à l'utilisation dans la région de longueurs d'onde comprise entre 1,0 et 1,6 pm. Dans un mode de réalisation préféré, le photodétecteur comporte un substrat de InP et une couche de InGaAs formée sur le substrat avec adaptation des réseaux. Une jonction p-n en InGaAsP avec adaptation des réseaux est formée sur la couche de InGaAs et son réseau est adapté à celui de cette couche. La jonction p-n est formée dans une matière qui a une bande interdite plus large que celle du InGaAs. Dans un mode de réalisation préféré, la jonction p-n est formée par des première et seconde couches de InGaAsP qu'on fait croître séquentiellement sur la couche de InGaAs, avec adaptation des réseaux par rapport à cette couche et au substrat. La couche de InGaAs et la première couche de InGaAsP ont un premier type de conductivité et la seconde couche de InGaAsP a un second type de conducti- vité. Dans un mode de réalisation préféré, les premier et second types de conductivité sont respectivement le type n et le type p. Le photodétecteur peut être éclairé à travers les couches de InGaAsP ou à travers le substrat de InP. Dans les couches de type n, la concentration d'agent de dopage est comprise de façon caractéristique entre 1015 cm 3 16 -3 et 10 cm, et dans la couche de type p, la concentration d'agent de dopage est dans la plage comprise approximative- 17 -3 18 -.3 ment entre 3 x 10 cm et 5 x 10 cm. Pour de la lumiè- re ayant une longueur d'onde d'environ 1,3 pm, la couche d'absorption est la couche de InGaAs, et la jonction p-n est formée à l'intérieur des couches de InGaAsP. L'utilisa- tion d'une jonction de type p-n située dans la matière ayant la bande interdite la plus large conduit à un courant d'obs- curité plus faible que lorsque la jonction p-n se trouve dans une matière ayant une bande interdite plus étroite. Le dispositif fonctionne à des tensions basses, sans avalanche. On peut employer d'autres matières de substrat, à condition que le réseau cristallin des couches soit adapté à celui du substrat. On peut employer d'autres matières pour la couche d'absorption de lumière, à condition que leur réseau cristallin soit adapté à celui du substrat et qu'elles aient une bande interdite plus étroite que celle de la matière à réseau adapté dans laquelle la jonction p-n est formée en position adjacente à la couche d'absorption de lumière. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant au dessin annexé qui représente schématiquement une photodiode correspondant à l'invention. Sur le dessin, une photodiode 1 comprend un substrat en phosphure d'indium (InP), 10, une couche d'arsé- niure de gallium/indium (InGaAs) de type n, 12, une premiè- re couche d'arsénio-phosphure de gallium/indium (InGaAsP) de type n, 14, et une seconde couche d'arsénio-phosphure de - gallium/indium (InGaAsP) de type p+ 16. Le dispositif com- prend en outre des contacts ohmiques 18 et 20 formés respec- tivement sur les couches 10 et 16. Les couches 12, 14 et 16 ont un réseau cristallin adapté à celui du substrat deInP et la couche 12, qui est la couche d'absorption de lumière, a la composition nominale InO 53Gao 47As. Les couches 14 et 16 ont une composition qui assure leur adaptation de réseau avec la couche 12. Bien que le photodétecteur soit représen- té éclairé par l'avant, il peut également être éclairé par l'arrière, c'est-à-dire que la lumière peut entrer dans le photodétecteur en traversant le substrat. Lorsque le photo- détecteur est éclairé par l'avant, la lumière traverse tout- d'abord les couches 14 et 16 et elle est ensuite absorbée dans la couche 12. Le substrat peut être constitué par n'importe quelle matière dont le réseau est adapté à celui de la cou- che de InGaAs. Une jonction p-n en InGaAsP à réseau adapté est formée sur la couche de InGaAs. Le terme "InGaAsP" désigne des substances ayant la composition atomique In1-xGaxAsyP1-y, avec x et y supérieurs ou égaux à 0, 0 et inférieurs ou égaux à 1,0. En choisissant une composition appropriée à réseau adapté, la largeur de bande de la matiè- re quaternaire peut prendre n'importe quelle valeur entre celle du InP et celle du InGaAs. Le substrat de InP 10 est dopé avec du soufre ou de l'étain, avec une concentration qui est au moins de 17 -3 18 -3 cm et qui est de préférence de 10 cm, ou plus. Les couches de type n 12 et 14 sont de façon nominale non dopées et elles ont des concentrations en donneurs qui sont comprises de façon caractéristique entre 1015 cm 3 et 16 -3 10 cm Des concentrations plus élevées sont à éviter si on désire obtenir simultanément une faible capacité et un fonctionnement avec un faible courant d'obscurité, du fait que les couches ternaires et quaternaires non dopées doi- vent être fortement appauvries pour une polarisation rela- tivement basse, c'est-à-dire à moins de 20 V. La couche 16 est dopée de façon caractéristique avec du Zn, à une con- 17 -3 centration d'environ 3 x 10 cm, bien qu'on puisse utili- 17 -3 ser des concentrations comprises entre 10 cm et 19 -3 cm. Une concentration élevée en agent de dopage faci- lite la formation d'un contact ohmique. Les couches 12, 14 et 16 ont toutes des épaisseurs comprises de façon caracté- ristique entre 1 et 2 microns. Dans un mode de réalisation préféré, les épaisseurs des couches 12, 14 et 16 sont res- pectivement de 1,5, 1 et 2 microns. On peut faire varier les paramètres du dispositif, y compris les épaisseurs des couches et les concentrations de dopage, en fonction des caractéristiques et des perfor- mances désirées pour le dispositif. La capacité de la couche d'appauvrissement est inversement proportionnelle à la lar- geur de la couche d'appauvrissement qui est elle-même inver- sement proportionnelle à la racine carrée de la concentra- tion de dopage et proportionnelle à la racine carrée de la tension, dans le cas d'une jonction abrupte. Ainsi, si on désire une capacité plus faible, on doit réduire la concen- tration de dopage. Les paramètres désirés dépendent égale- ment des caractéristiques de performances désirées. Par exemple, aux fréquences élevées, il est très souhaitable de réduire la capacité totale, tandis qu'aux fréquences basses, un faible courant d'obscurité est très souhaitable. Une con- centration de dopage faible dans les couches 12 et 14 con- duit à une couche d'appauvrissement plus large et abaisse le courant d'obscurité du fait que la polarisation est plus fai- ble. La limite inférieure pratique de la concentration de dopage, avec les techniques actuelles, est approximativement -3 de 10 cm, bien qu'il soit probable que des techniques améliorées permettront d'atteindre des niveaux inférieurs. L'aire du photodétecteur est comprise entre 2,7 x 10 4 cm2 et 5 x 10 5 cm2 pour obtenir une faible capacité, c'est-à- dire inférieure à 0,5 pF, si on utilise une concentration de dopage d'environ 2 x 10 cm dans les couches de type n et si ces couches ont une épaisseur d'environ 2,7 pm. A envi- ron 10 V, les couches de type n sont complètement appauvries si bien que la capacité a atteint sa valeur minimale et la photodiode fonctionne en détecteur p-i-n. On peut faire croître le dispositif par des modi- fications des techniques classiques et bien connues d'épi- taxie en phase liquide, de la manière décrite dans la revue Applied Physics Letters, 33, pages 314-316, 15 août 1978. Avant de commencer la croissance,- la masse de In en fusion est soumise à une purification à haute température. On a constaté qu'une température d'environ 8000C pendant une durée comprise entre 16 et 96 heures donne satisfaction. La procédure habituelle de croissance commence à 6750C avec une étape de refusion, et on fait croître une couche tampon d'une épaisseur de 15 pm, dopée au Sn, suivie par des cou- ches de InGaAs et de InGaAsP à réseau adapté, qui sont tou- tes deux des couches non dopées, de type n, qu'on fait croître avec une vitesse de refroidissement de 10C/mn. On fait croître une couche quaternaire de type p+ dopée au Zn, ayant la même composition que la couche précédente. On a également trouvé qu'il était souhaitable d'utiliser une source de InP de haute pureté, exempte de Si. Les opérations ci-dessus réduisent la concentration en impuretés non dési- rées. On attaque la structure mésa en utilisant des techni- ques d'attaque par voie humide qui sont décrites dans la revue Japanese Journal of Applied Physics, 18, pages 2035- 2036, 1979. Les contacts ohmiques 18 et 20 avec le substrat 10 et la couche 16 peuvent être formés avec des alliages classiques consistant respectivement en Au-Sn et en Au-Zn. On polarise le dispositif en inverse avec une ten- sion qui est de façon caractéristique dans la plage comprise entre 10 et 15 V. Pour un dispositif ayant une aire de 1,3 x 10- 4cm, on obtient à environ 10 V des courants d'obscurité descendant jusqu'à 0,2nA. Le courant d'obscurité faible résulte du fait que la jonction p-n se trouve dans la couche quaternaire de InGaAsP et ce courant est notablement inférieur au. courant d'obscurité caractéristique des détec- teurs au InGaAs. Le courant d'obscurité est réduit du fait que la jonction p-n est formée dans une matière ayant une bande interdite plus large que celle de la couche d'absorp- tion. La capacité à environ 10 V est d'environ 0,2 pF pour -5 2 une aire de dispositif d'environ 5 x 105 cm. On obtient un rendement quantique externe d'environ 60% à 1,3 pm, avec un éclairage par l'avant. Bien que la structure décrite ait une configura- tion de conductivité p-n-n, il faut noter qu'on peut égale- ment réaliser le dispositif avec une configuration de con- ductivité n-p-p. Ainsi, on peut décrire le substrat de InP, la couche de InGaAs 12 et la première couche de InGaAsP 14, comme ayant un premier type de conductivité, et la seconde couche de InGaAsP 16 comme ayant un second type de conduc- tivité. Pour le mode de réalisation décrit en relation avec la figure, le premier type de conductivité est le type n et le second est le type p. D'autres modifications apparaissent aisément. On peut utiliser des semiconducteurs autres que le InGaAsP pour les couches 14 et 16, à condition qu'ils aient un réseau cristallin adapté à celui de la matière de la couche 12, qui peut être en GaSb, et qu'ils aient une bande inter- dite plus large que celle de cette matière. Dans ce cas, les couches 14 et 16 pourraient consister en AlGaAsSb. Bien qu'on ait décrit une structure mésa, on peut également réa- liser un dispositif à structure plane par diffusion dans une couche, par exemple en InGaAsP, pour former une jonction p-n. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Photodiode à semiconducteur comprenant: un substrat ayant un premier type de conductivité, une couche d'une première matière semiconductrice formée sur le substrat, avec un réseau cristallin adapté à celui du substrat, et ayant le premier type de conductivité; et une seconde matière semiconductrice dans laquelle est formée une jonction p-n, établie sur la couche de la première matière avec un réseau cristallin adapté à celui de la pre- mière matière, caractérisée en ce que la bande interdite de la seconde matière semiconductrice (14, 16) est plus large que la bande interdite de la première matière semiconduc- trice (12). 2. Photodiode selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la seconde matière semiconductrice se pré- sente sous la forme d'une première couche (14) ayant le premier type de conductivité et d'une seconde couche (16) formée sur la première et ayant le type de conductivité opposé. 3. Photodiode selon l'une quelconque des revendi- cations 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche de la pre- mière matière semiconductrice (12) et la partie de la secon- de matière semiconductrice qui est du premier type de con- ductivité (14) ont des niveaux de dopage qui ne dépassent pas 1016 cm 3 4. Photodiode selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, dans laquelle le substrat est en InP, carac- térisée en ce que la première matière semiconductrice con- siste en InGaAs et la seconde matière semiconductrice con- siste en InGaAsP.