Brevet FR2490875A1 — publié le 19820326

L'invention concerne une photodiode comportant au moins deux éléments photosensibles très rapprochés, par exemple à des intervalles de tordre du micron, tout en présentant un excellent découplage entre les ç effets photoélectriques (absence de diaphotie) des différents éléments. Dans la technologie actuelle, notamment dans les photodiodes à "multiquadrants" utilisés avec les disques optiques (vidéodisques, disques à haute densité), on réalise les diodes en technologie du type planar et l'on se contente de séparer les éléments photosensibles au niveau de 1reeuche superficielle. Des électrodes distinctes sont déposées sur les différents éléments, mais, par suite de la pénétration oblique d'une partie même faible des rayons lumineux à détecter, on constate une diaphotie non négligeable. Ce défaut est d'autant plus sensible que la couche d'absorption de la photodiode est plus épaisse. Or, dans le cas des photodiodes utilisées couramment pour cette application, la couche absorbante de silicium doit, pour être efficace, atteindre plusieurs dizaines de microns. Dans ces conditions les largeurs de bandes séparant les éléments photosensibles devraient être du même ordre de grandeur pour empêcher la diaphotie, ce qui exclut le rapprochement des éléments photosensibles à des intervalles d'un micron. L'invention permet de surmonter cette difficulté. La photodiode selon l'invention est du type comportant un substrat semiconducteur, une couche d'absorption constituée par un premier matériau semiconducteur présentant une première bande interdite, et une couche complémentaire constituée par un -deuxième matériau semiconducteur présentant une deuxième bande interdite de largeur inférieure à la première. Elle est caractérisée en ce que le premier et le deuxième matériau semiconducteur étant des composés comportant au moins deux corps appartenant aux groupes III et V de la classification de Mendeleev (ce qui permet d'obtenir une couche d'absorption efficace avec une épaisseur de l'ordre du micron), la photodiode - est divisée en éléments photosensibles dont les couches complémentaires et une partie au moins des couches d'absorption sont séparées les unes des autres par un obstacle interdisant le franchis- sement des photons, des électrons et des trous. Un tel obstacle est soit un mur d'isolement soit un sillon de gravure. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparat- tront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels: - la figure 1 représente l'art connu; - les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux réalisations de l'invention. La figure 1 représente en coupe schématique une photodiode à deux éléments photosensibles I et Il situés de part et d'autre d'un plan {racle AA) divisant en deux parties sensiblement égales un même dispositif semiconducteur. Les deux éléments ont en commun un substrat (Si, P-) en silicium faiblement dopé par des impuretés de type P. Ce substrat joue ici le rôle de couche d'absorption de la photodiode. Il comporte deux grandes faces. L'une d'entre elles, exposée aux rayons lumineux 10, comporte deux régions 11 et 12 (Si, P+) où l'on a diffusé une quantité d'impuretés de type P beaucoup plus grande que dans le substrat.La diffusion a été effectuée à travers deux fenêtres pratiquées dans un masque de silice 13, délimitant les régions semiconductrices attribuées aux deux éléments photosensibles. La face opposée du substrat, commune aux deux éléments, comporte une couche fortement dopée N (Si, N+). En outre la photodiode comporte des métallisations 15 et 16, disposées respectivement sur les bords des régions Il et 12. Ces métallisations jouent le rôle d'électrodes de polarisation des éléments photosensibles et sont reliées par des connexions 17 et 18 à des dispositifs de détection D1 et D2 comportant une source interne de polarisation. Ces dispositifs appliquent aux électrodes 15 et 16 des polarisations négatives, le retour de masse s'effectuant par des connexions 19 et 20 soudées à la couche Si, N+ de la photodiode. Si l'on désigne par a la distance séparant les couches 11 et 12 et par d l'épaisseur de la couche d'absorption Si, P~, on voit que si l'on a: d > a comme sur la figure 1, il existe un risque non négligeable de créer par un rayonnement oblique 10 une paire électron-trou qui soit captée par l'élément Il, alors que la lumière était destinée à l'élément I. Par suite de ce défaut, l'élément Il, par exemple, fournit un courant de détection non négligeable, dit de diaphotie, alors que seul l'élement I est éclairé. Sur la figure 2, on a représenté en coupe schématique une photodiode selon l'invention comportant un substrat 1 en arséniure de gallium monocrisb tallin fortement dopé N, sur lequel on a formé par épitaxies successives: - une couche 2, dopée N, d'un composé de formule: Gax A11-x As avec x supérieur à 0,9 et de préférence égal ou supérieur à 0,92; - une couche 3 dopée P+ d'un composé de formule: Gay All-y As avec la condition suivante: 0,65 Le choix des paramètres x et y est effectué en tenant compte, en plus des conditions déjà énoncées, de la longueur d'onde prépondérante de la lumière à détecter. On sait en particulier que si l'on appelle Eg l'énergie de la bande interdite, on a la relation: avec Eg x# =1,24 avec E, largeur de bande, exprimée en électrons-volts et # en microns. Dans la réalisation de la figure 2, on effectue une implantation de protons dans une région 4 à une profondeur suffisante pour créer un mur d'isolement entre les couches 2 et 3 des deux éléments photosensibles à créer. L'implantation de protons est facile à réaliser dans le cas des composés d'As, Ga et Al. En outre on cherche à diminuer au maximum la profondeur d'implantation nécessaire en diminuant l'épaisseur des couches 2 et 3. Or on peut avoir une photodiode efficace avec les épaisseurs suivantes: - de 0,2 micron à 1,5 micron pour la couche 3 ; - de 0,5 à 2 microns pour la couche 2. Enfin, pour rapprocher au maximum les éléments I et Il, on limitera la largeur du mur d'isolement, c'est-à-dire de la région 4 à la somme des épaisseurs des couches 2 et 3. Si l'on prend le cas extrême correspondant à la plus petite largeur, soit une épaisseur totale des deux couches ne dépassant pas (0,2 + 0,5) soit 0,7 micron, on peut se demander s'il est possible de réaliser une implantation dans une région aussi étroite. La réponse est positive, car les techniques actuelles de masquage par photogravure permettent de telles performances. On a représenté à la figure 2 les métallisations et les connexions avec des références identiques à celles de la structure de la figure 1. Sur la figure 3, où les mêmes références désignent les mêmes éléments, on a représenté une réalisation de l'invention-~dans laquèlfean a gravé un sillon 30 dont la profondeur est légèrement supérieure à la somme des épaisseurs des couches semiconductrices 2 et 3. Un tel sillon peut être obtenu facilement en utilisant des technologies classiques de gravure chimique ou d'érosion ionique. Comme pour la réalisation précédente (figure 2) les couches 2 et 3 sont par exemple d'épaisseurs respectivement égales à 0,5 et à 0,2 micron, la profondeur du sillon étant de l'ordre de 0,8 micron pour une largeur du même ordre au niveau de la couche 3. La structure a reçu en outre une gravure 31 du type mésa sur la périphérie. Cette gravure peut, par exemple, être effectuée en même temps ét par le même procédé que le sillon 30. Elle a pour but d'éviter les effets nuisibles des parties semiconductrices en contact avec le revêtement de silice 13 dans les parties périphériques. Le résultat obtenu en ce qui concerne la diaphotie des photodiodes est du même ordre que dans le cas de la réalisation précédente. On peut, en outre, réaliser une photodiode à avalanche à condition de polariser suffisamment la photodiode pour provoquer le phénomène d'avalanche dans la couche 2 lors de l'apparition d'électrons d'origine photoélectrique. Dans le cas de la structure en arséniure de gallium comportant une couche d'absorption en arséniure de gallium et d'aluminium, notamment dans le cas de la structure mésa on obtient très facilement les conditions cidessus, ce qui constitue un avantage de l'invention. REVENDICATIONS 1. Photodiode comportant au moins deux éléments photosensibles très rapprochés, du type comportant un substrat semiconducteur, une couche d'absorption constituée par un premier matériau semiconducteur présentant une première bande interdite, et une couche complémentaire constituée par un deuxième matériau semiconducteur présentant une deuxième bande interdite de largeur inférieure à la première, ladite photodiode étant caractérisée en ce que, le premier et le deuxième matériau semiconducteur étant des composés comportant au moins deux corps appartenant aux groupes III et V de la classification de Mendeleev, la photodiode est divisée en éléments photosensibles dont les couches complémentaires et une partie au moins des couches d'absorption sont séparées les unes des autres par des obstacles interdisant le franchissement des photons des électrons et des trous. 2. Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat est en arséniure de gallium, la couche d'absorption est constituée par un composé de formule: Gax All As avec : x > 0,9 et la couche complémentaire est constituée par un composé de formule: Gay All y As avec:0,65 S y 3. Photodiode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'obstacle est un mur d'isolement réalisé par implantation de protons. 4. Photodiode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'obsta- cle est réalisé sous forme d'un sillon de gravure. 5. Photodiode selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle présente une structure de type mésa. 6. Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est en outre du type à avalanche.