Brevet FR2504733A1 — publié le 19821029

La présente invention concerne un photodétecteur destiné à convertir de l'énergie lumineuse en énergie élec- trique, comprenant plusieurs couches de semiconducteur, certaines au moins des couches ayant un type de conductivi- té différent de celui de certaines autres couches. Le développement de systèmes de télécommunications optiques utilisant des fibres optiques à base de silice a stimulé l'intérgt porté aux sources lumineuses et aux pho- todétecteurs capables de fonctionner dans la région de lon- gueur d'onde qui présente un intérêt pour de tels systèmes, soit de façon générale entre environ 0,7 Fm et environ 1,10 pm Un photodétecteur est un composant essentiel d'un tel système et, de ce fait, des efforts considérables ont été consacrés au développement de structures et de matières pour des photodétecteurs. les photodétecteurs dont on envisage actuellement l'utilisation dans les systèmes de télécommunications op- tiques à base de fibres entrent dans trois catégories gé- nérales Premièrement, on trouve les photodiodes p-i-n. Cependant, celles-ci présentent l'inconvénient de n'avoir aucun gain en courant Secondement, on a développé des pho- todiodes à avalanche et celles-ci ont naturellement un gain en courant Cependant, le phénomène -d'avalanche introduit un bruit qui est indésirable pour de nombreuses applica- tions aux systèmes de télécommunications En outre, une tension de polarisation élevée, qui est de façon caracté-. ristique supérieure à 30 volts, est généralement nécessaire pour obtenir le déclenchement de l'avalanche Troisièmement, on a développé des phototransistors à haute sensibilité. Cependant, ces dispositifs ont généralement un gain optique faible dans la région à puissance incidente faible dans laquelle les systèmes de télécommunications optiques fonc- tionnent et dans laquelle le besoin d'un gain élevé est le plus critique En outre, le temps de réponse des phototran- sistors est souvent plus long que ce qu'on désire, à cause du stockage de porteurs minoritaires dans la région de base. le problème précédent est résolu conformément à l'invention dans un photodétecteur à semiconducteur à plu- sieurs couches, caractérisé en ce qu'il comprend des pre- mière et seconde couches d'un premier type de conductivi- té, une troisième couche d'un second type de conductivité entre les première et seconde couches, ce qui forme un puits de potentiel entre les première et seconde couches, et une quatrième couche, qui n'est pratiquement pas dopée et qui est placée en position adjacente à la troisième couche, pour absorber la lumière afin de générer des por- teurs de courant, certains des porteurs de courant déri- vant vers le puits de potentiel. 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: La figure 1 est une coupe d'un mode de réalisa- tion d'un photodétecteur correspondant à l'invention; La figure 2 est un diagramme de bandes d'énergie d'un mode de réalisation d'un photodétecteur correspondant à l'invention; et La figure 3 représente le gain optique et la sensibilité d'un photodétecteur en fonction de différents niveaux de puissance incidente, pour deux polarisations différentes. Les inventeurs ont trouvé qu'on obtient une ré- ponse rapide avec un photodétecteur comprenant les couches suivantes, disposées successivement: une première couche de semiconducteur 13 ayant un premier type de conductivité, une cinquième couche de semiconducteur il qui n'est pas dopée, une troisième couche de semiconducteur 9 ayant un second type de conductivité et qui est fortement dopée et mince, une quatrième couche de semiconducteur 7 qui n'est pas dopée, et une seconde couche de semiconducteur 5 ayant un premier type de conductivité On obtient également une sensibilité élevée Les première et cinquième couches 13 et 11 ont des bandes interdites telles que ces couches soient transparentes au rayonnement intéressant, tandis que la quatrième couche 7 a une bande interdite telle qu'elleabsorbe le rayonnement incident, c'est-à-dire que les quatrième et seconde couches 7 et 5 ont des bandes in- terdites supérieures à celle de la cinquième couche 11. La troisème couche 9 peut également avoir une bande in- terdite telle qu'elle absorbe le rayonnement incident Les épaisseurs et les niveaux de dopage des couches sont choi- sis de façon que la couche ayant le second type de con- ductivité et les deux couches non dopées, c'est-à-dire les couches 11, 9 et 7, soient complètement appauvries à l'équilibre thermique La sortie s'effectue par des con- tacts 17 et 19. Dans un mode de réalisation préféré, le premier type de conductivité est le type n Dans un mode de réali- sation préféré pour le fonctionnement à une longueur d'on- de de lumière incidente d'environ 0,8 pm, le-s couches 5, 7 et 9 sont en Ga As, et les couches 11 et 13 sont en Al X Gai g As, avec x choisi de façon que les réseaux cristal- lins des couches soient adaptés, et lorsque le dispositif est éclairé par l'avant, ces couches font fonction de fe- nêtre pour le rayonnement incident On utilise respective- ment du silicium et du béryllium pour les agents de dopage de type N et de type p Dans un mode de réalisation encore plus préféré, la couche 7 a une épaisseur suffisante pour absorber pratiquement la totalité du rayonnement in- cident intéressant. Les photodétecteurs de l'invention ont des temps de réponse courts, de façon caractéristique inférieurs à 600 ps pour la largeur moyenne, et une sensibilité élevée, de façon caractéristique supérieure à 500 A/W. La couche 5 est une couche tampon qu'on fait croître de façon classique afin que les couches épitaxia- les supplémentaires croissent -sur une couche de haute qua- lité et non sur le substrat qui est habituellement de qua- lité relativement basse Si on supprime la couche tampon, le substrat est alors équivalent à la première couche de semiconducteur On peut également appeler respectivement drain, grille et source les couches 7, 9 et 11. On fabrique commodément le dispositif par épi- taxie par jet moléculaire Un système d'épitaxie par jet moléculaire qui est approprié est décrit dans le brevet US 4 137 865 d'une manière suffisamment détaillée pour indiquer à l'homme de l'art comment fabriquer les couches épitaxiales et les photodétecteurs de l'invention Les contacts électriques sont réalisés avec des techniques classiques et bien connues La structure mésa, ainsi que la couche 15, sont réalisées avec des techniques d'attaque et de lithographie classiques et bien connues On peut fa- briquer le dispositif avec d'autres techniques. Le premier type de conductivité peut 9 tre le ty- pe N ou le type p Dans le mode de réalisation envisagé en détail par la suite, on a choisi le type N du fait que ceci facilité l'intégration monolithique avec d'autres ty- pes de dispositifs tels que des lasers et des transistors à effet de champ Le choix du premier type de conductivité conduit également à des caractéristiques différentes pour le dispositif En général, le fait de prendre le type n comme premier type de conductivité conduit à des disposi- tifs qui sont plus sensibles mais ont des temps de réponse plus longs, par rapport auxdispositifs qui emploient le type p comme premier type de conductivité. On détermine de la manière suivante les épais- seurs et les concentrations de dopage préférées pour les couches Les couches 7 et 9, c'est-à-dire les régions de grille et de drain, doivent avoir ensemble une épaisseur suffisante pour absorber la quasi-totalité du rayonnement incident Pour la plupart des semiconducteurs et des lon- gueurs d'onde présentant de l'intér Ct, la couche 7 doit avoir une épaisseur d'au moins 1 pm On peut évidemment utiliser des couches plus minces, mais du fait que certains des photons incidents traverseront à la fois la grille et le drain, au lieu d'être absorbés, la sensibilité du dis- positif sera réduite, ou bien il pourra apparaître une queue de diffusion sous l'effet de l'absorption de la lu- mière dans la couche 5 ou dans le substrat O On choisit les semiconducteurs constituant les couches 7, 9 et 11 de façon que la hauteur de barrière OB soit telle que Eve c'est-à-dire le niveau d'énergie de la bande de valence, ne rencontre pas Ef, c'est-à-dire le niveau d'énergie de Fermi En fait,pour obtenir un fonctionnement du photodétecteur avec un bon rendement, Ev doit 9 tre séparé de Ef d'au moins plusieurs k T i Si cette condition n'est pas remplie, la couche 9 ne peut pas etre complètement appauvrie La hauteur de barrière est déterminée approximativement par la relation: 1 L 2 Qs OB = 1 + 2 Es dans laquelle L 1 et L 2 sont respectivement les épaisseurs de la source et du drain, Qs est le nombre de porteurs par centimètre carré dans la couche 9 et S est la per- mittivité de la couche 9 En général, le rendement du dispositif augmente lorsque OB diminue, mais le courant d'obscurité augmente La valeur précise choisie pour t est donc un compromis entre la sensibilité et le courant d'obscurité. Les épaisseurs et les concentrations d'agent de dopage des couches 7, 9 et 11 sont choisies de façon que ces couches soient complètement appauvries à l'équilibre thermique On désire que ces couches soient complètement appauvries à l'équilibre thermique pour que le photodé- tecteur soit un dispositif à porteurs majoritaires à tou- tes les tensions de polarisation La couche 9 doit 9 tre mince et fortement dopée On utilise l'expression "forte- ment dopée" par comparaison avec les couches non dopées, et elle désigne une concentration de porteurs d'au moins x 1017 cm 73 la couche doit 9 tre fortement dopée pour obtenir la hauteur de barrière désirée Le terme "mince" signifie que la couche 9 est complètement appauvrie à l'équilibre thermique Il peut ttre impossible d'appauvrir complètement la couche 9 si elle est trop épaisse L'épais- seur maximale pour un appauvrissement complet est généra- lement inférieure ou égale à 10 nm Lorsque la couche 9 devient plus épaisse, les couches non dopées deviennent plus minces Il faut noter que l'expression "non dopée" appliquée aux couches 7 et 9 signifie que ces couches ne sont pas dopées intentionnellement et qu'il peut y avoir dans ces couches un-dopage de fond, généralement de type p avec une concentration inférieure à 5 x 10 15/cm 3 et généralement inférieure à 8 x 1 013/cm 3 La concentration la plus faible est souhaitable du fait qu'elle facilite l'appauvrissement des couches non dopées comme des cou- ches fortement dopées La concentration totale d'agent de dopage dans les couches 7, 9 et 11 doit être suffisam- ment faible pour que le champ électrique interne puisse appauvrir les couches à l'équilibre thermique. Les couches de semiconducteur peuvent Ctre constituées par n'importe quellesmatières semiconductrices dont les réseaux cristallins sont mutuellement adaptés, c'est-à-dire dont les paramètres de réseau diffèrent de moins de 0,1 % On peut utiliser par exemple des composés semiconducteurs des groupes II-VI ou III-V et des mélanges de ces composés Si on utilise des composés du groupe III- V, les quatrième et cinquième couches peuvent 9 tre en Al Ga As, tandis que les première, seconde et troisième couches, ainsi que le substrat, sont en Ga As les compo- sitions à réseaux cristallins adaptés sont Ga As et Alx Ga 1 X As avec x choisi d'une manière connue de façon que les couches de Ga As et de Al X Ga 1-x As aient des réseaux adaptés A titre d'exemples, x peut être égal à 0,2 ou 0,3 ainsi qu'à des valeurs intermédiaires. Dans un mode de réalisation préféré utilisant les corps Al Ga As et Ga As, on utilise respectivement le silicium et le béryllium pour les agents de dopage de ty- pe N et de type po le choix du silicium, plutôt que 1 ' étain qui est utilisé dans la plupart des fabrications de lasers Al Ga As/Ga As, est inhabituel Cependant, le silicium est préférable en tant qu'agent de dopage du fait qu'il procure le profil de dopage abrupt qui est préféré pour le photodétecteur à porteurs majoritaires. On présentera un exemple de l'invention en con- sidérant des photodétecteurs fabriqués avec Al Ga As et Ga As. 7, Dans le cas QU le premier type de conductivité est le type n, ces photodétecteurs ont les valeurs caractéristiques suivantes pour les épaisseurs de couches et les concentra- tions de dopage: couche 5, 2 Mm'; couche 7, 2 Fm; couche 9, 2 x 1018 cm 73 et 5 nm; couche 11, 50 à 200 nr; couche 13, 2 x 1018 cm 73 et 0,6 à 2 Mm; et couche 15, 5 x 1019 cm 3 et 0,3 pm Les couches non dopées ont une concentration de fond en porteurs de type p de 8 X 1013 cm 3 Ces valeurs entraînent l'appauvrissement des couches-7, 9 et 11 à l'équilibre thermique. La figure 2 représente le diagramme de bandes d'énergie d'un photodétecteur Al Ga As/Ga As à l'équilibre thermique Pour des raisons de clarté, les épaisseurs des couches ne sont pas dessinées à l'échelle Les compositions des couches de ce mode de réalisation sont celles décrites précédemment et la direction des photons incidents est également indiquée. On va décrire brièvement le fonctionnement du dispositif On fait fonctionner le dispositif ayant un substrat de type N avec le substrat et le drain polarisés positivement par rapport à la couche de fenêtre ou de sour- ce On supposera qu'une source lumineuse (non représentée) émet des photons ayant une énergie intermédiaire entre les énergies de bande interdite des couches-11 et 7, et que la grille et le drain ont la même composition Les photons sont alors absorbés à la fois dans les régions de grille et de drain, mais essentiellement dans la région de drain, et des paires électron-trou sont produites et séparées par le champ électrique qui existe dans la région de drain. Les trous dérivant vers le minimum de potentiel ou le puits de potentiel qui se trouve dans la couche 9 rencontrent rapidement une barrière de potentiel, et une fraction des trous s'accumulent au minimum de potentiel Si l'accumula- tion se prolonge pendant une durée suffisamment longue, on atteint un état de régime établi au point auquel la valeur du flux des trous qui arrivent est égale à la valeur du flux des trous qui partent Ce dernier flux est dû soit à la recombinaison avec des électrons, soit à l'émission thermoélectronique par-dessus la barrière de potentiel. Les trous accumulés réduisent la barrière de potentiel de la bande de conduction et renforcent donc l'émission de porteurs majoritaires, c'està-dire d'électrons, à partir de la source Dans le cas o le courant généré par des photons est faible par rapport au courant d'obscurité, comme c'est généralement vrai pour une puissance inciden- te faible, on a établi l'expression suivante pour décrire le gain optique: Jd(h V) G = lexp(qà O B/k T)-1 l piq Dans cette équation, Jd est le courant d'obscurité par unité d'aire, pi est la puissance incidente par unité d'ai- re et O O B est l'abaissement de la barrière dû au rayonne- ment incident Les autres termes ont leurssignifications précédentes Lorsque la puissance incidente augmente, la valeur de l'abaissement de la barrière AOB, se sature progressivement, ce qui fait que le gain optique diminue progressivement lorsque la puissance augmente Ainsi, la sensibilité du dispositif augmente lorsque la puissance incidente diminue. On pense que le transport de porteurs dans le photodétecteur à porteurs majoritaires, dans les conditions de fonctionnement normales, est du essentiellement à l'émis- sion thermoélectronique de porteurs majoritaires par-dessus la barrière de potentiel On entend par "conditions de fonc- tionnement normales" le fait que le drain est respectivement positif ou négatif par rapport à la source, pour des subs- trats de type N ou de type p La tension de polarisation est comprise de façon caractéristique entre 5 et 10 V. Il a été indiqué, par exemple par Bethe, que l'émission thermoélectronique est prépondérante lorsque la quasi-totalité des porteurs se déplaçant vers le maximum de potentiel sont arrêtés par le potentiel et non par des collisions Autrement dit, ceci signifie que la distance sur laquelle l'énergie potentielle varie de k T doit Ctre inférieure au libre parcours moyen pour les collisions établissant une répartition aléatoire des quantités de mouvement Cette hypothèse a été confirmée par une relation linéaire dans le diagramme donnant log I en fonction de V, pour un photodétecteur Al Ga As/Ga As de type N O La figure 3 montre la dépendance de la sensibili- té et du gain optique par rapport à la puissance incidente pour un photodétecteur Al Ga As/Ga As dont la première conduc- tivité est de type n avec des polarisations de 5 volts et de 7 volts Les paramètres du dispositif sont ceux décrits précédemment avec les couches 11 et 13 ayant des épaisseurs respectives de 0,05 pm et 0,6 pn La structure mésa a une forme ovale avec une aire d'environ 1,3 x 10-4 cm 2 La sensibilité et le gain optique sont respectivement portés sur les axes verticaux de gauche et de droite Les mesures représentées sur la figure 3 ont été effectuées en montant un photodétecteur sur une ligne en bande de 50 ohms et en utilisant comme source lumineuse un laser à injection de type Al Ga As/Ga As émettant à 850 nm Les mesures de sensibi- lité ont été effectuées directement en utilisant un traceur de courbes étalonné le gain optique est lié à la sensibili- té par l'équation G = S(h V)/q, dans laquelle h V est l'énergie des photons incidents et q est la charge de l'élec- tron On notera que le gain optique augmente lorsque le ni- veau de la puissance incidente diminue On a obtenu des gains optiques atteignant 1000 pour une puissance incidente de 1,5 n W Ce résultat appara t être meilleur que tout gain optique de phototransistor signalé jusqu'à présent. Bien que la sensibilité augmente lorsque la ten- sion de polarisation augmente, il faut noter que le courant d'obscurité augmente également lorsque la tension de pola- risation augmente Par conséquent, la tension de polarisa- tion optimale dépend de la valeur de courant d'obscurité que le système de télécommunications optiques peut tolérer. Le fonctionnement avec un courant d'obscurité relativement constant est important du fait que le gain est proportionnel au courant d'obscurité et, si le courant d'obscurité fluctue fortement sous l'effet de fluctuations de la polarisation, la stabilité du dispositif se trouve réduite La valeur du courant d'obscurité est déterminée par les épaisseurs relatives de la source et du drain Ces conditions, c'est-à-dire les épaisseurs du drain et de la source, donnent une caractéristique I-V d'obscurité forte- ment dissymétrique Les considérations qu'on vient d'en- visager en ce qui concerne les épaisseurs des couches con- duisent à un courant d'obscurité qui est relativement in- sensible à de faibles fluctuations de la tension de polari- sation. On a examiné le temps de réponse du photodétec- teur Al Ga As/Ga As ayant le type N comme premier type de con- ductivité, en employant des impulsions de 40 ps ayant une puissance de crgte de 20 m W, provenant du laser mentionné précédemment Le temps de montée était d'environ 50 ps. Le temps de descente était d'environ 600 ps On pense que le temps de descente est limité par une constante de temps RC On a examiné de façon similaire un photodétecteur Al Ga As/Ga As ayant le type p comme premier type de conduc- tivité, qui était homologue au photodétecteur de type n. et on a trouvé un temps de réponse de 60 Ps pour la lar- geur moyenne. Des modes de réalisation autres que le mode par- ticulier qui a été décrit sont possibles On peut par exem- ple éclairerle photodétecteur par l'arrière, en obtenant un meilleur temps de descente Dans ce cas, le substrat 3 et les couches 5 et 7 seraient transparents au rayonnement incident De plus, l'ordre dans lequel on fait croetre les couches de semiconducteurs sur le substrat est le suivant cinquième, quatrième, troisième, seconde et première On peut en outre utiliser le système In Ga As/In P pour fabriquer des photodétecteurs sensibles au voisinage de 1,3 pm. Les inventeurs désirent signaler deux documents qui portent sur des dispositifs de structure apparamment similaire à celle du dispositif de l'invention, mais qui ne sont pas des photodétecteurs Un article paru dans Applied Physics Letters, 35, pages 63-65, 1 er juillet 1979 décrit un dispositif à porteurs majoritaires que l'auteur appelle une "diode dromadaire" Cette désignation du dis- positif vient de ce qu'il existe une bosse dans la Lande il de conduction formée par une couche de type p, mince et fortement dopée, qui commande le transport des porteurs. La concentration de dopage dans cette couche est telle qu' elle est entièrement appauvrie de trous à toutes les va- leurs de polarisation Une autre version de ce dispositif est décrite dans la revue Electronics Letters, 16, pages 836-838, 23 octobre 1980 Dans ce dispositif, la couche de type p qui commande le transport des porteurs est inter- calée entre des couches de sericonducteuxsqui sont nomina- lement non dopées. Cependant, les dispositifs décrits dans les deux articles sont des dispositifs redresseurs au point de vue électrique, et non des photodétecteurs Bien que le dernier des articles précités suggère la possibilité d'utiliser les dispositifs en diodes mélangeuses, aucune autre utili- sation n'est suggérée dans l'un ou l'autre des articles, et les dispositifs décrits dans les deux articles ne con- viennent pas à l'utilisation en tant que photodétecteurs. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. PREVENDICATIONS 1 o Photodétecteur destiné à convertir de l'éner- gie lumineuse en énergie électrique, comprenant plusieurs couches de semiconducteurs, certaines au moins des couches ayant un type de conductivité différent de certaines autres couches, caractérisé en ce qu'il comprend des première et seconde couches ( 13, 5) d'un premier type de conductivité, une troisième couche ( 9) d'un second type de conductivité entre les première et seconde couches, de façon à former un puits de potentiel entre les première et seconde couches, et une quatrième couche ( 7), qui n'est pratiquement pas do- pée, et qui est placée en position adjacente à la troisième couche, pour absorber la lumière afin de générer des por- teurs de courant, certains de ces porteurs de courant déri- vant vers le puits de potentiel. 2 Photodétecteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la quatrième couche ( 7) est située en- tre la troisième couche ( 9) et la seconde couche ( 5), et une cinquième couche ( 11), qui n'est pratiquement dopée, est située entre la première couche et la troisième couche. 3 Photodétecteur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la troisième couche ( 9) a une concen- tration de porteurs supérieure à 5 x 1017 cm-3. 4 Photodétecteur selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la troisième couche ( 9) a une épais- seur de 10 nm ou moins. Photodétecteur selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que les quatrième et cinquième couches ( 11, 7) ont des concentrations de porteurs inférieures à 8 x 1013 cm 3. 6 Photodétecteur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la quatrième couche ( 7) a une épais- seur d'au moins 1 pm. 7 Photodétecteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les couches de semiconducteurs sont constituées par des composés choisis dans le groupe comprenant les composés du groupe II-VI et du groupe III-V, et les mélanges de ces composés. 8 Photodétecteur selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que les première ( 13), cinquième ( 11) et troisième ( 9) couches de semiconducteurs sont en Ga As et les quatrième ( 7) et seconde ( 5) couches de semiconducteurs sont en Alx Gai x As. 9 Photodétecteur selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que le premier type de conductivité est le type n. Photodétecteur selon la revendication 9, ca- ractéris 6 en ce que l'agent de dopage de type N est le silicium. 1 1 Photodétecteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les quatrième et seconde couches de semiconducteurs ( 7, 5) ont des bandes interdites plus étroites que la bande interdite de la première couche de semiconducteur ( 13).