Brevet FR2516707A1 — publié le 19830520

La présente invention concerne les détecteurs photo-électriques ou photodétecteurs et, plus particulièrement, ceux qui conviennent à l'exploitation dans des systèmes à fibres optiques Dans de tels systèmes, la détection des signaux optiques repose généralement sur l'emploi de diodes photo-électriques à avalanche ou photodiodes et d'une combinaison en série d'une diode PIN et d'un transistor à effet de champ (combinaison PIN-FET, selon la terminologie anglo-saxonne), dans laquelle la sortie de la diode PIN alimente la grille du transistor. Une des limitations de la combinaison PIN-FET provient de considérations de bruit Le bruit est proportionnel au carré de la somme de la capacité de la diode et de celle de la grillé du transistor à effet de champ, divisé par la conductance mutuelle Le bruit est par conséquent réduit lorsque l'on peut arriver à réduire l'une ou les deux capacités La présente invention est ainsi relative à une modification-de la combinaison PIN-FET selon laquelle les deux composants cessent d Vtre des unités distinctes séparées, mais sont combinés d'une manière permettant d'obtenir une capacité plus faible. Selon l'une de ses caractéristiques, la présente invention a pour objet un photodétecteur à transistor-à effet de champ à jonction dans lequel les-contacts de source et de drain sont disposés sur une couche semiconductrice, de part et d'autre d'une nervure de matériau semi-conducteur en saillie par rapport à ladite couche et portant le contact de grille, cette nervure comprenant un matériau à indice de réfraction inférieur et bande: interdite plus large recouvrant un matériau absorbant optique à indice de réfraction plus élevé et à bande interdite plus faible se trouvant à ou immédiatement en-dessous de la racine de la nervure, de manière que la structure de la nervure forme un guide d'onde optique, des moyens étant prévus pour injecter le signal d'entrée du photodétecteur dans ledit guide d'onde qui est adapté pour guider la lumière de ce signal et pour l'absorber dans ledit matériau absorbant optique, ce matériau délimitant un coté de la jonction du transistor à effet de champ. Les autres objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de manière plus détaillée dans la description qui va suivre, faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, une vue en perspective d'un premier photodétecteur conforme à l'invention la figure 2, une vue en perspective d'un second photodétecteur conforme à l'invention. Les photodétecteurs des figures 1 et 2 sont conçus pour un fonctionnement à une fréquence de la bande 1,3 à 1,6 microns et emploient un matériau quaternaire (In, Ga) (As, P) pour absorber le signal d'entrée optique La structure des deux dispositifs est pour l'essentiel celle d'un transistor à effet de champ à jonction La grille du transistor est définie dans ou immédiatement au-dessous d'une nervure formée en matériau semi- conducteur afin de fournir une structure de guide d'onde Le signal optique d'entrée est guidé par cette structure et, tout en étant guidé, il est absorbé Cela permet l'emploi d'un contact de grille relativement mince apportant une capacité de grille relativement faible et une conductance mutuelle relativement élevée. Le photodétecteur de la figure 1 est obtenu à partir-d'un substrat semiisolant 1 en phosphure d'indium Ce substrat est couvert d'une couche 2 obtenue par croissance épitaxiale d'un matériau de type N à réseau adapté (In, Ga) (As, P) sur laquelle sont formés les contacts de source et de drain 3 et 4, généralement en étain-or Entre ces contacts, une nervure 5 de 1 à 1,5 micron de largeur et 20 à 50 microns de longueur, est obtenue par croissance épitaxiale de phosphure d'indium de type P Cette nervure est pourvue d'une métallisation, de préférence en or-zinc, formant le contact de grille 6. Des connexions soudées directes 7 et 8 sont faites avec les surfaces de contact de source et de drain, mais le contact de grille 6 est trop étroit pour qu'une connexion directe puisse y être faite De ce fait, ce contact est étendu jusqu'à une plate-forme 9, suffisamment grande et solide pour une soudure 10 Afin que cette plate-forme 9 n'apporte-aucune capacité de grille indésirable, elle ne doit être formée sur aucune partie qui ne serait pas isolée de la région de grille La plate-forme est de préférence formée sur une partie du substrat semi-isolant 1 exposée'par attaque chimique formant une dépression à travers les couches recouvrant le substrat Une couche de masquage électriquement isolante 11, par exemple en- silice, est déposée sur le bord de cette dépression pour empêcher que le contact de-grille ne court-circuite la jonction PN, là o elle est exposée, au bord de la dépression Cependant, le masque isolant peut être omis si la plate-forme 9 est prévue sur une partie de la couche de type N isolée de la région de grille par un sillon étroit obtenu par une attaque chimique suffisamment profonde pour exposer au fond le substrat semiisolant Le contact est disposé avant l'attaque formant le sillon qui est ensuite effectuée avec un produit attaquant latéralement sous le contact et produisant de ce fait un contact en pont enjambant le sillon. Le phosphore d'indium de la nervure a un indice de réfraction plus faible que celui du matériau quaternaire de la couche sous-jacente dont la composition est telle qu'elle ait la bande interdite appropriée-pout l'absorption de la lumière ayant la longueur d'onde pour laquelle le détecteur est conçu Ainsi, la nervure se présente comme un guide d'onde pour le signal optique d'entrée injecté à l'endroit indiqué de manière générale en 12 La lumière guidée est progressivement absorbée par la couche d'absorp- tion, tandis qu'elle se propage vers l'autre extrémité de la nervure La longueur de la nervure est un compromis entre deux exigences contradictoires: une nervure aussi courte que possible, pour minimiser lacapacité, et aussi longue que possible, pour maximiser l'absorption et par conséquent l'effi- cacité de la détection. L'obtention d'une bonne efficacité avec la structure du disposi- tif décrit demande de réaliser une bonne adaptation entre la distribution optique dans le faisceau d'entrée et celle des modes se propageant dans la structure de la nervure La sortie d'une fibre optique classique peut devoir être couplée au photodétecteur par l'intermédiaire d'une sorte de "transformateur", sous la forme d'une longueur de guide-d'onde, afin d'amé- liorer l'efficacité du couplage Cet élément peut revêtir la forme d'un segment de fibre optique de forme appropriée dont la section varie d'une extrémité à l'autre Il peut encore être formé dans une partie intégrante du matériau semi-conducteur à partir duquel le photodétecteur lui-même est construit On trouvera un tel arrangement dans le photodétecteur de la figure 2. La construction du photodétecteur de la figure 2 comprend des composants agencés de la même façon que ceux du photodétecteur de la figure 1, à l'exception d'une bande additionnelle 20 en matériau quaternaire à réseau adapté entre le phosphure d'indium de la nervure et le matériau quaternaire de la couche dans laquelle sont formés le drain et la source On notera que les composants qui se retrouvent dans les deux photodétecteurs sont identifiés par les mêmes références numériques dans les deux figures. La composition de la bande 20 est choisie parmi celles qui possèdent une bande interdite plus étroite et un indice de réfraction plus élevé que celle du matériau quaternaire de la couche 2, de sorte que, dans ce cas, c'est la bande 20 qui absorbe la lumière d'entrée, plutôt que la couche 2 La bande peut être de type de conductivité N ou P. La nervure 5 et la bande 20 se terminent à l'alignement des côtés avant des contacts de source et de drain 3 et 4 En avant de celles-ci, des portions de'la couche 2 sont éliminées pour définir une seconde nervure 21 qui constitue aussi un guide d'onde, mai S n'a pas une section constante, pour agir-en "transformateur"; Le signal d'entrée optique est injecté dans la structure à l'endroit indiqué généralement en 22, à partir duquel il est guidé jusqu'en dessous de la nervure 5 Là, il est couplé à la structure de la nervure 5 et progressivement absorbé par le matériau de la bande 20. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Photodétecteur à transistor à effet de champ à jonction caractérisé par le fait que les contacts de source et de drain ( 3 et 4) sont disposés sur une couche ( 2) en matériau semi-conducteur, de part et d'autre d'une nervure ( 5) en matériau semi-conducteur en saillie au-dessus de cette couche et portant le contact de-grille ( 6), cette nervure ( 5) comprenant un matériau à indice de réfraction inférieur et à bande interdite plus large recouvrant un matériau absorbant optique à indice de réfraction plus élevé et à bande interdite plus faible se trouvant à ou immédiatement en-dessous de la racine de la nervure, de manière que la structure de la nervure forme un guide d'onde optique, des moyens étant prévus pour injecter le signal d'entrée du photodétecteur dans ledit guide d'onde qui est adapté pour guider la lumière de ce signal et pour l'absorber dans ledit matériau absorbant optique, lequel délimite un c 8 té de la jonction du transistor à effet de champ. 2 Photodétecteur tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ledit matériau absorbant optique à bande interdite plus faible est constitué par le matériau de ladite couche ( 2) en matériau semi-conducteur sur laquelle sont disposés les contacts de source et de drain ( 3 et 4). 3 Photodétecteur tel que défini en 1, caractérisé par le fait que ledit matériau absorbant optique à bande interdite plus faible est constitué par une bande ( 20) de matériau contiguë de ladite couche ( 2) en matériau semi-conducteur sur laquelle sont disposés les contacts de source et de drain ( 3 et 4). 4 Photodétecteur tel que défini en 3, caractérisé par le fait que ladite bande ( 20) et ladite couche ( 2) sont de types de conductivité opposés. Photodétecteur tel que défini en 3, caractéiisé par le fait que ladite bande ( 20) et ladite couche ( 2) sont du même type de conductivité. 6 Photodétecteur tel que défini en 4 ou en 5, caractérisé par le fait que ladite nervure ( 5) de structure formant un guide d'onde optique est optiquement couplée à une autre nervure ( 21) formant guide d'onde faisant partie intégrante du matériau de ladite couche ( 2), tout comme ledit transistor à effet de champ à jonction. 7 Photodétecteur tel que défini dans l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que la-connexion au contact de la grille ( 6) du transistor à effet de champ à jonction est réalisée par le moyen d'une plate-forme ( 9) capacitivement découplée de ladite couche ( 2) pour limiter sa contribution à la capacité de grille.