Brevet FR2508235A1 — publié le 19821224

La présente invention concerne un dispositif à semiconducteurs utilisable en tant que photodétecteur à ava- lanche, comprenant un cristal qui comporte successivement une première région de phosphure d'indium de type p, une couche de phosphure d'indium de type N et une couche d'arsé- niure d'indium-gallium de type n. Le fa quel'atténuabicn as fibres optiquesà fsibles pertes est parolrîemafi le dans la régionde longueur d'onde comprise en- tre 1,3 et 1,6 pm a fait appara tre le besoin de disposer de photodétedamrs ayant un bon rendement à de telles longueurs d'onde Les photodétecteurs à avalanche présentent un inté- rêt particulier à cause du gain intrinsèque qu'ils procurent. Il s'est avéré difficile jusqu'à présent de réaliser des photodétecteurs sensibles utilisables à des longueurs d'onde supérieures à 1,25 pm En particulier, dans les dispositifs de l'art antérieur conçus pour ttre utilisés à de telles longueurs d'onde élevées, à des tensions auxquelles on ob- tient un gain sur le photocourant, les courants d'effet tun- nel et le bruit de grenaille résultant ont tendance à être éle- vés, ce qui limite l'amélioration de sensibilité des récep- teurs qui utilisent de tels détecteurs. Le problème est résolu, conformément à l'invention, dans un dispositif à semiconducteurs utilisable en tant que photodétecteur à avalanche, tel que décrit ci-dessus, qui est caractérisé en ce que la couche de phosphure d'indium de type N a une épaisseur et un dopage qui donnent un nombre de charges fixes par unité d'aire dans la plage comprise entre 2 X 1012 et 3 X 1012 par cm 2. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 à 5 représentent un exemple de réali- sation de l'invention au cours des phases successives d'un processus de fabrication caractéristique Par commodité, les dessins ne sont pas à l'échelle. Un aspect de l'invention porte sur un photodétec- teur à avalanche utilisable à des longueurs d'onde s'élevant jusqu'à 1,7} pm, avec des courants de fuite par effet tunnel négligeables. L'invention procure en particulier une photodiode à avalanche de type In Oe 53 Ga 47 As/In P, à gain élevé, avec un courant de fuite par effet tunnel négligeable Dans une forme préférée, cette diode comprend un cristal qui compor- te, successivement, une région de borne 10 en phosphure d'indium de type p une région 13 de type N en phosphure d'indium et une région de borne 14 en arséniure d'indium- gallium de type n. Pour maintenir le courant d'effet tunnel à un ni- veau négligeable, il est important d'inclure une couche tam- pon 12 en In P de type p entre la région de borne en In P de type p et la couche en In P de type N formant la jonction p-n, afin de réduire l'effet tunnel au moyen de niveaux profonds dans la région de la jonction p-n à champ élevé En outre, il est important de définir la charge totale effective dans la couche 13 en In P de type n pour obtenir des conditions de claquage optimales, avant l'apparition de l'effet tunnel. En particulier, dans un mode de réalisation préféré, il est important que le nombre de charges fixes par unité d'aire dans cette couche soit compris entre 2 X 1012 par cm 2 et 3 x 1012 par cm. De plus, selon un aspect distinct de l'invention qu'on pense être plus largement applicable, on a trouvé que la vitesse de réponse d'un photodétecteur à hétérojonction du type décrit est notablement influencée par la barrière entre la couche 13 en In P de type N et la couche de borne absorbante 14 en In Ga As de type n En particulier, il est important pour avoir une réponse rapide de faire varier pro- gressivement la largeur effective de la bande interdite de cette hétérointerface, afin d'abaisser la hauteur de la barrière de cette jonction Ceci minimise les effets de stockage de charge et augmente donc la vitesse de réponse. En particulier, dans un mode de réalisation préféré, on a ajusté les conditions de croissance de façon à obtenir une variation progressive de la composition à l'interface entre les régions en In P et en In Ga As. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquel- le est représenté en tant que substrat un cristal 10 en In P de type p, uniformément dopé avec du zinc, à une concentra- tion d'environ 1018 par cm 3 Ce cristal est coupé de façon que la surface principale il corresponde au plan Au moyen de techniques en phase liquide connues, on faire croître sur cette surface une couche tampon épita- xiale de type p, d'environ 0,5 à 5,0 pm d'épaisseur, de pré- férence avec une concentration en zinc comprise entre 1017 et 1018 atomes par centimètre cube Ceci est représenté par la couche 12 sur la figure 2. Ceci est immédiatement suivi par une croissance en phase liquide, dans le même four, d'une couche 13 en In P qui n'est pas dopée intentionnellement, de façon à croître avec le type n comme le montre la figure 3 L'épaisseur et la concentration en charges fixes de cette couche de type n détermineront le champ électrique à l'hétéro-interface, au claquage par avalanche, et la mattrise de ces paramètres est donc importante On envisagera ci-après de façon plus détail- lée des valeurs appropriées. Ensuite, comme le montre la figure 4, on utilise des techniques en phase liquide connues pour faire croître une couche épitaxiale 14 en In O 53 Ga 47 As, non dopée inten- tionnellement, de façon que cette couche croisse avec le ty- pe N et avec une concentration de donneurs inférieure à 5 X 1015 par centimètre cube Cette couche a avantageusement une épaisseur d'environ 5 micromètres. Il est évident pour le spécialiste de ce domaine que la couche absorbante 14 peut avoir d'autres compositions, sur une plage étendue, aussi longtemps que la plage permet une coïncidence appropriée des réseaux cristallins, pour évi- ter des défauts cristallins qui limiteraient le rendement. On peut en particulier utiliser l'indium, le gallium, l'arse- nic et le phosphore dans des proportions variables aussi longtemps que la bande interdite résultante est inférieure à l'énergie du photon à absorber. Dans certains cas, il peut s'avérer souhaitable d'avoir des connexions avec une résistance inférieure à ce qu'on peut obtenir aisément avec l'arséniure d'indium-gallium faiblement dopé, et il peut 9 tre souhaitable d'ajouter une couche plus fortement dopée sur la couche 14, pour faciliter la connexion avec cette dernière On peut considérer qu'une telle couche fait pratiquement partie de la connexion On doit choisir une telle couche de façon à permettre d'appli- quer aisément des électrodes, mais elle doit avoir une com- position qui procure une bande interdite suffisamment gran- de pour qu'il y ait peu de lumière absorbée dans la couche. Cependant, comme mentionné précédemment, on a trou- vé qu'il était important pour l'obtention d'une réponse ra- pide d'éviter une barrière trop abrupte à l'hétéro-interface entre les couches 13 et 14 En particulier, dans une transi- tion abrupte il se crée un puits de potentiel dans lequel des charges tendent à 9 tre emmagasinées Bien que cet effet offre certaines possibilités pour l'utilisation d'une telle structure en tant que mémoire, il s'oppose à une réponse rapide en tant que photodétecteur Par conséquent, pour don- ner à l'interface une structure à variation progressive, on choisit les conditions de croissance de la couche 14 de fa- çon à produire une certaine interdiffusion des composants à la frontière entre les couches 13 et 14, pour donner une va- riation plus progressive de la hauteur de la barrière On connait diverses techniques utilisables dans ce but, parmi lesquelles la plus commode consiste probablement à faire croître initialement la couche 14 avec un faib Je degré de sous-saturation, soit de façon caractéristique 0,10 C de sous- saturation, pour faciliter l'obtention d'une variation pro- gressive de la frontière entre le In P et le In Ga As pendant sa croissance Selon une variante, on peut faire crottre une couche mince de composition intermédiaire entre les couches 13 et 14, par des techniques connues d'épitaxie en phase li- quide On ajuste les conditions pour obtenir une région à variation progressive, de préférence d'environ 50 à 100 nm d'épaisseurpour le fonctionnement du détecteur avec une po- lgrisation inverse appliquée comprise entre 80 V et 150 V, pour assurer la multiplication par avalanche pendant le fonctionne- ment. Comme mentionné précédemment, l'épaisseur et le do- page de la couche 13 déterminent dans une large mesure le champ électrique à l'interface à hétérojonction entre les couches 13 et 14, au claquage par avalanche, et la mattrise de ces paramètres est importante. Le champ électrique à cette interface, E, est don- né par la relation: W J = e(x) dx = - Me X 1 dans laquelle N (x) est la densité de charges fixes à une distance x de la jonction p-n, X 1 est la distance de l'inter- face par rapport à la jonction p-n, W est la largeur totale de la région d'appauvrissement, q est la charge de l'électron et e= 1,04 p F/cm est la permittivité de la couche 14 Ainsi, C-est la charge totale par unité d'aire qui est entraînée dans la couche 14 On peut montrer que pour qu'il n'y ait pratiquement pas d'effet tunnel à l'hétéro-interface, à la tension de claquage, il faut qu'on ait: E Ceci implique la relation: o Il est également important que le champ à la jonc- tion p-n soit suffisamment élevé pour avoir un gain en cou- rant important au claquage L'analyse faite par les inven- teurs a montré qu'on obtient les photodiodes à avalanche les plus sensibles lorsque la couche 13 a une valeur totale de 12 2 chargesfixes,t supérieure ou égale à environ 2 x 1012 par cm 2. Cependant, pour C plus grand qu'environ 3 X 1012 par cm 2, la couche 13 n'est pas complètement appauvrie au claquage, ce qui donne un rendement quantique très faible Par conséquent, la valeur de o-doit être dans la plage comprise environ entre 2 x 1 012 cm-2 et 3 x 1012 cm-2, pour avoir des résultats optimaux. Dans un mode de réalisation, on a réalisé la couche 13 avec une épaisseur d'environ 2 Pm, et la concentration do donneurs dans cette couche était d'environ 1016 Ocm 3, condui- sant à une valeur de cî d'environ 2 x 1012 cm-2. Pour réduire la capacité et les effets de champ marginal, il est souhaitable de donner à la diode résultante la forme d'une structure mésa, comme le montre la figure 5. La structure mésa est définie de façon caractéristique à l'aide des techniques photolithographiques classiques et elle est attaquée avec une solution de brome-méthanol à 1 %. La surface supérieure, plus petite, est de façon caracté- -4 2 ristique une surface circulaire d'environ 1,3 x 10 cm Des connexions à faible résistance 15, 16 sont respective- ment établies avec les couches de bornes 10 et 14, au moyen d'électrodes alliées Dans le mode de réalisation particulier considéré, on a utilisé un alliage or-zinc pour le contact avec la couche 10 et un alliage or- étain pour le contact avec la couche 14. Pendant l'utilisation, on applique une polarisation inverse appropriée entre de telles électrodes pour obtenir le fonctionnement en mode d'avalanche désiré. On pourrait naturellement utiliser d'autres techni- ques et d'autres configurations géométriques pour la fabrica- tion, comme par exemple l'épitaxie par jet moléculaire ou le dépet chimique en phase vapeur De façon similaire, il est possible de partir d'un substrat de phosphure d'indium de ty- pe n, sur lequel on forme successivement une couche d'arsé- niure d'indium-gallium de type n, une couche de phosphure d'indium de type N et une couche de phosphure d'indium de ty- pe p Les considérations de conception envisagées s'appliquent de façon similaire De même, bien qu'on ait décrit spéciale- ment une structure mésa, une configuration géométrique plane peut 4 tre préférable dans certains cas. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 4 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. O _ 82 ' ' REVENDICATIONS 1 Dispositif à semiconducteurs utilisable en tant que photodétecteur à avalanche, comprenant un cristal qui comporte, successivement, une première région ( 12) en phos- phure d'indium de type p, une couche ( 13) de phosphure d'in- dium de type N et une couche ( 14) d'arséniure d'indium-gal- lium de type n, caractérisé en ce que la couche de phosphure d'indium de type N a une épaisseur et un dopage qui donnent un nombre de charges fixes par unité d'aire dans la plage comprise entre 2 x 102 et 3 x 102 par cm 2. 2 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'hétéro-interface entre la couche ( 13) en phosphure d'indium de type N et la couche ( 14) en arséniure d'indium-gallium constitue une région à varia- tion progressive de la bande interdite, qui résulte de la variation progressive de la composition de l'interface entre l'arséniure d'indium-gallium et le phosphure d'indium. 3 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'hétéro-interface entre le phosphure d'indium et l'arséniure d'indium-gallium comprend une région à variation progressive d'environ 50 à 100 nma d'épaisseur, pour donner une région à variation progressive de la bande interdite. 4 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le cristal comprend en outre une couche de phosphure d'indium de type n, contiguë à la couche d'arséniure d'indium-gallium de type n.