Brevet FR2501915A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne un photodétecteur dont la sensibilité maximale se situe entre 0,8 et 2 M, com- prenant un substrat de type P en Hg1_x Cdx Te, et une zone de type N formant une jonction P-N avec le substrat. Dans les photodétecteurs, il peut être souhaitable que le temps de réponse soit le plus court possible, en particulier lorsque l'on utilise de tels détecteurs pour détecter les signaux lumineux transmis par fibres optiques, le débit numérique dans ce type de liaisons étant extrêmement élevé. On sait d'autre part que l'atténuation dans la trans- mission par fibres optiques est minimale pour deux valeurs de la longueur d'onde du signal transmis, à savoir 1,3. et 1,6 _m. On connatt déiàbpar la demande de brevet français No 80 16 788, au nom de la demanderessedes photodétecteurs qui, par l'emploi d'un substrat de type P en Hg1_x Cdx Te, possèdent un temps de réponse très court et sont sensibles aux longueurs d'onde ci-dessus, la fraction molaire x étant choisie à l'intérieur d'une plage allant de 0,4 à 0,9, en fonction de la longueur d'onde à recevoir. Cependant, de tels photodétecteurs ne fournissent pas nécessairement, d'une partun courant de sortie important et, d'autre partun rapport signal/bruit très élevé. En d'autres termes, l'intensité lumineuse passant dans les fibres opti- ques étant faible, le gain en courant des détecteurs,c'est-à- dire le rapport, à une longueur d'onde donnée entre l'inten- Dasetesfiat sité lumineuse reçue et le courant électl c On connait le procédé qui pallie partiellement cet inconvénient et consistant à polariser en inverse le photo- détecteur, sous une forte tension, afin de placer son point de fonctionnement dans la région d'avalanche. En effet, cette polarisation élevée est possible du fait que la jonction utilise un substrat très faiblement dopé, et a donc une capacité faible, si bien que la cons- tante de temps, ou le temps de réponse, du détecteur est faible surtout aux tensions inverses importantes. el 4uesTwi;do alle ap aqgoad saj;çe:; 'ue4aodwT snld lueinoz un eaTdoid 'x ap Jnalea el enb 9ejsuoD ajozua e elle sTew 'x eaelow uot4Dej; el ep uameATeae" 4teip -uadap 'aeç;os ap 4ueinoD np alla aueua ue naleA el 4uop SE aeTaw atp jna;De; ael anb aoaes 'eauawougqd aD eouepTA9 ue sTwm q esseJaepuewap el uewealnes uoN *x ap issne Tnl 4uewesnaebeueAe sed Teapuedgp au 'uo;4Duo el ap alTaw ap Jnele; el jP queweane ';ueJnoo ua uTeb el Ts gqaq -ai ewVw puenb e assaaepuewap el anb TsuTe sae6;3 O *ueliodwT snld eqaos ap anbTailoe UueanoD un,p auT6 -$ioil! 7ea4 sed 4TeAnod au 'x ap inalzA el ap Tssne tnI 4uepuedgp euewougqd ealne un Ts aaqaeqoea ep UTA ea;ea -ed nd;Tene IT 4a;aTsp epuop anenbuoI el ap xTOUD et aed easodw- lioTad e e qp que4q x ap new& el '&TsuTVy SZ *x ap puadap oaindnoD ap apuop inanBuol elt uacwslT -ead snld ea 'aeleaD4zads asuoda e eanbeal uolas augwouoqd ae luaeuasg>d snna4 4aepo;oqd slae; p enb;es uo qj -Tsap ueanoo ua ulTe5 np uoiTouo; ua TsToq;sa x enb Ige; o eI aed 9sTJ94Deeo 'N-d adA; np 4uela elueltnsga UO4DUO el 4ea4sqns eaI ans a o; N adAl cp agdop vuoz aun le 6'0 e vSo ap;uepu;94s e5eld aun.p anauTlt q TSTo04 uel9 x 'L xpD x-6H ua a edAl ap;e4sqns un;ueueadwoD Z a 89'0 aeua alewTxemw 94TtqTsus es;ueAe Jnanea;9p S$ -oloqd un auJaouoz uol;uaauT eluasgJd el 'i;a;e lae y -elqTe; esaeAUT uo;eslael -od ep uoTsue; eun snos aeuuoT4uo; 4uenbpsuoz aed jueanod c lue4aodwT uTeB un 4ue e ane; za4epo;oqd un aesodoid e e saunzeI seD aeTled sTA uo-queAui e4uesgad el 0O *aTBaeugp eanos eun 4uelssezqu asnaqUoo no exaldwoD suToW no snld uoIe; uaewtle aun aed aTuano; sa 'slloa ap seuTe;ueD no sauTezTp sanblanb ap eapaoIj ap easJeaauT uoflesiaelod op uoTsuea ea;e 'laed a;4nea -uo%ouo S el ap e6enbeID ap uoTsue; el ap ITP queweane 'etgaluoD uou aqDueleAe&p uoTsue; el ap aqDood se 'gaaal9 aesaea -uT uolges-pelod alaeD ap ITe; np ';ueweuuol;ouo; ep;uTod ael enb Isa gpaoad aeD ap luaTueAuoDuT un '; uepuedaDe SL6LOSZ détection d'une certaine longueur d'onde. Plus particulièrement,la demanderesse a montré que le facteur de mérite, et donc le courant de sortie, attei- gnait son maximum pour une valeur de x voisine mais dif- férente de celle qui correspond à la détection optimale, à temps de réponse court, d'un rayonnement de longueur d'onde de 1,3 jM. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figs. 1 à 7 illustrent les différentes phases du procédé de fabrication du photodétecteur selon l'in- vention; - la fig. 8 représente les courbes de réponse spec- 1.5 trale du détecteur selon l'invention, pour plusieurs va- leurs de la polarisation inverse; - la fig. 9 représente, d'une part, la courbe de la longueur d'onde de coupure et, d'autre part, la valeur du facteur de mérite, fonctions de la fraction molaire du sub- strat du détecteur selon l'invention, et - la fig. 10 représente la courbe du gain en courant du détecteur selon l'invention en fonction de la tension de polarisation inverse, pour la valeur choisie de x. Le détecteur représenté est bien adapté pour une longueur d'onde voisine de 1,3 >tm. Il comporte un substrat constitué d'un alliage de mercure, de cadmium et de tellu- re, Hg1_x Cdx Te, dans lequel la fraction molaire x est comprise entre 0, 4 et 0,9 comme indiqué dans la demande française No 80 16 788. Pour fabriquer le détecteur de l'inventionb on part d'un substrat 1 de type P (cf.fig. 1), formé d'un cristal de Hgjx Cdx Te de très haute pureté, présentant donc une concentration en porteurs P très faible, de l'ordre de - o10 /cm3. Un tel cristal peut être obtenu par exemple, par la méthode décrite dans un article de R. Triboulet, inti- tulé "Cd Te and Cd Te: Hg alloys cristal growth using stoichiometric and off-stoichiometric zone passing techni- ques", paru dans la Revue de Physique Appliquée, de fé- vrier 1977. Sur le substrat 1l on dépose une couche 2 de Cd Te, par exemple par pulvérisation cathodique. Puis on dépose sur la couche 2 une couche de masquage 3 (fig. 2), de préférence en ZnS, SiO ou SiOn. On réalise ensuite au moins une ouverture '10 dans les couches 2 et 3, de façon à mettre à nu une partie de la surface la du substrat 1 (fig. 3). Ensuite, on réalise une jonction planar PN par une première diffusion dans le substrat 1 d'un élément tel que le cadmium ou le mercure ou d'une impureté telle que l'aluminium, l'indium, ou le bore (flèche 5, fig. 4). On obtient ainsi une zone 6 de type N, de dopage d'environ l016 atomes/cm 3, qui forme avec le substrat P une jonction 7. Cependant, dans le but de diminuer la courbure de cette jonction 7 à ses extrémités, et donc de réduire la valeur du champ électriqueet par conséquent le risque de claquage dans ces régions, on peut réaliser dans les mê- mes conditions une diffusion préalabled'in des mêmes élé- ments selon la technique dite à anneau de garde (fig. 5), pour obtenir finalement une zone 8 de type N à plus gran- de courbure. Un autre procédé utilisable pour former la zone N est l'implantation ionique d'atomes possédant, après un recuit approprié, une activité électrique de type N, tels que des atomes d'indium In, d'aluminium Al ou de bore B. On dépose ensuite une couche 4 de même nature que la couche 3 sur toute la surface puis on pratique une ouverture 9 dans la couche 4, fig. 6, par attaque chi- mique, et on remplit cette ouverture avec un métal con- ducteur, tel que Al ou In, afin de réaliser un contact 10 (fig. 7). Le détecteur décrit ci-dessus est utilisé comme détecteur de rayonnement dans l'infra-rouge proche. Le choix de la valeur de la fraction molaire x repo- se sur les considérations suivantes. Pour définir la structure des bandes électroniques, on peut utiliser le modèle à bande de conduction, bande interdite et bande de valence. 2 5 0 1 9 1 5 L'arrivée d'un photon du rayonnement reçu crée, si son énergie est suffisante, une paire électron-trou qui participe/un courant proportionel au flux incident. On comprend bien que lorsque la longueur d'onde x du rayonnement dépasse un certain seuil, l'énergie des photons, proportionnelle à >, n'est plus suffisante pour créer des paires électrons-trous. C'est pourquoi, pour une valeur de x donnée, c'est- à-dire pour une valeur ME donnée de la largeur de la bande interdite, il existe une longueur d'onde de coupure INc' telle que, lorsque le rayonnement a une longueur d'onde À > A c' aucun courant n'est créé dans la jonction, ce qui explique l'aspect des courbes de la fig. 8, qui représentent la réponse S du détecteur, c'est-à- - dire le rapport entre le courant créé et l'intensité lumineuse reçue, en fonction de la longueur d'onde ? du rayonnement reçu, et ce pour trois valeurs de la ten- sion de polarisation V de la jonction, et une valeur de x déterminée. On note que dans l'exemple de la figure 8, le gain en courant est déjà important pour une polarisa- tion inverse faible. La courbe 100 de la fig. 9 représente la longueur d'onde de coupure à cen fonction de x, en e. Ainsi pour recevoir de façon optimale un rayonnemejt de longueur d'onde 1, 3 Dam, la longueur d'onde de coupure/ être supérieure à 1,3 1wn, mais de préférence assez voisi- ne - comme l'indiquent les courbes de réponse spec- trale (fig. 8) Ainsi pour détecter un rayonnement d'une longueur d'onde de 1,3 e&m, qui correspond à un minimum d'atténua- tion dans les fibres optiques, la valeur optimale de x se situerait au voisinage de 0,7, au vu de la courbe 100 de la fig. 9. Cependant l'inconvénient précédemment cité, à savoir le faible courant de sortie du détecteur ne se- rait pas pour autant forcément résolu. Or il existe, dans la structure des bandes électro- niques du semi-conducteur envisagé, une autre bande, dite bande de Spin-orbite. On a trouvé que la différence d'énergie AE' entre la bande de Spin-orbite et la bande de valence était sus- ceptible, suivant sa valeur, de jouer un rôle en ce qui concerne les générations-recombinaisons d'électrons- trous créés par les photons. Plus particulièrement, pour une lar- ge gamme de valeurs de x, E ' est 5 à 10 fois plus grand que AE et, dans ce cas, la bande de Spin-orbite n'a que peu d'influence sur les générations-recombinaisons des électrons-trous. Cependant pour certaines valeurs de x, entre environ 0,6 et 0,8, la valeur deDE' est assez proche de celle de AE, toutes deux ayant pour ordre de grandeur 0,9 eV. On conçoit que les propriétés de création et de recombinaison des paires électron-trou vont être alors sensiblement différentes de celles correspondant au modèle qui ne tient pas compte de la bande de Spin-orbite. Le phénomène est le suivant. Lorsque la bande de Spin-orbite n'a pas d'influence, ou peu d'influence sur le phénomène photoélectrique, il se crée, par le rayonne- ment reçu, un courant d'électrons et un courant de trous, sensiblement égaux, c'est-à-dire des coefficients d'ioni- sation cxet P de valeurs sensiblement égales. Cependant lorsque x se situe dans une plage s'éten- dant de 0,6 à 0,8 environ, l'influence de la bande de Spin-orbite est réelle et l'on obtient des coefficients d'ionisation a et P très différents. En effet, le rapport est proportionnel au terme F = (1 _ d-) 2, appelé fac- teur de mérite, illustré par la courbe 101 de la fig. 9, qui représente la valeur du facteur de mérite F en fonc- tion de la composition du substrat, c'est-à-dire de x. On constate que cette valeur passe par un maximum pour une valeur de x sensiblement égale à 0,67 et qu'elle est su- périeure à 10 lorsque x est compris entre 0,55 et 0,85. Les valeurs de a et fi sont alors très différentes, le gain en courant en fonction de la tension de polarisa- tion est mieux contrôlé et le rapport signal/bruit est plus élevé. Il faut donc choisir d'une part une valeur de x telle que le facteur de mérite et par conséquent le courant de sortie soient importants,et d'autre part une valeur de x optimisant la réception d'un rayonnement de longueur d'on- de 1,3 um, valeur optimale pour une transmission par fi- bre optique. Les deux valeursde x les plus satisfaisantes, l'une pour le courant, l'autre pour la longueur d'onde, s@st différentes. La présente invention concerne donc un détecteur capa- ble à la fois de détecter un rayonnement de longueur d'onde de 1,3/Àm et de fournir un courant de sortie impor- tant, c'est-à-dire ayant un gain en courant important, sans pour autant devoir appliquer une tension de polarisa- tion inverse importante. Cette caractéristique se retruve d'ailleurs sur la courbe de la fig. 10, représentant le gain G défini plus haut, fonction de la tension de polari- sation inverse V, pour la valeur de x choisie. On consta- te que ce gain commence à augmenter pour une tension d'en- viron -4 ou -5 volts, pour atteindre une valeur de 30, plus que satisfaisante, pour une valeur de V de l'ordre de -10 volts, considérée comme faible. Pour x = 0,67, qui correspond donc à un gain maximal, la longueur d'onde de coupure Xc est égale à 1,43 e m, longueur qui convient parfaitement pour la réception d'un rayonnement de longueur d'onde de 1,3,m. Les caractéristiques du photodétecteur sont avanta- geusement les suivantes: - Surface sensible: 1 x 10-4 cm - Tension de polarisation inverse V: 10 volts - Gain en courant G: 30 - Courant de saturation: - Réponse en courant ( X = 1,3 1m): > 0,5 A/w. - Température de fonctionnement: 300 K 2,501915 Revendications 1.- Photodétecteur ayant sa sensibilité maximale entre 0,8 et 2 Dm, comprenant un substrat de type P en Hg1_xCdxTe, x étant choisi à l'intérieur d'une plage s'é- tendant de 0,4 à 0,9, et une zone dopée de type N formée sur le substrat, la jonction résultante étant du type P-N, caractérisé par le fait que x est choisi en fonction du gain en courant désiré. 2.- Photodétecteur selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que x est également choisi en fonc- tion de la réponse spectrale désirée. 3.- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que x a une valeur sensi- blement égale à 0,67. 4.- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le substrat a une concen- tration en porteurs P inférieure à 1015/cm3. 5.- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la zone N est formée par au moins une diffusion thermique de cadmium, ou de mercu- re, ou d'aluminium, ou d'indium, ou de bore. 6.- Photodétecteur selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que la zone N est formée par deux dif- fusions thermiques. 7.- Photodétecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la zone N est formée par implantation ionique d'indium, d'aluminium ou de bore. 8.- Photodétecteur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait qu'il est polarisé avec une tension de -10 volts.