Brevet FR2515877A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un photodétecteur en matière semiconductrice qui est réalisé sous la forme d'une structure monolithique comprenant des volumes partiels ayant des propriétés d'absorption mutuellement différentes, ainsi qu'au moins une jonction P-N, une diode Schottky ou une structure MOS. Dans la fabrication de photodétecteur's, par exem- ple sous la forme de jonctions semiconductrices, il est bien connu d'adapter les bandes interdites des matières présentes, de manière à obtenir une réponse spectrale désirée Une pos- sibilité supplémentaire, qu'on utilise souvent pour les dé- tecteurs photoconducteurs, consiste à doper la matière avec des niveaux d'impuretés appropriés, grace à quoi des proces- sus d'excition optique par l'intermédiaire de ces niveaux donnent la réponse désirée Une autre technique connue consis- te-à fabriquer des -structures de photodiode dites démultiple- xées, au moyen de jonctions P-N situées l'une après l'autre dans le chemin de la lumière et constituées par des matières ayant des bandes interdites différentes (voir par exemple Applied Physics Letters 34, 401, 1979) Ainsi, dans les compo- sants de ce dernier type, les premières couches, se trouvant dans le chemin du faisceau lumineux, constituent un filtre optique et contribuent à déterminer également la réponse pour la jonction "intérieure", génératrice de courant, du composant. Les composants de ce dernier type présentent un pro- blème qui réside dans ce qu'on appelle la diaphonie entre dif- férentes voies, c'est-à-dire qu'il est nécessaire de réduire la sensibilité du composant dans des plages de longueur d'onde qui ne sont pas proches de la longueur d'onde correspondant au maximum de sensibilité. L'invention vise à apporter une solution aux problè- mes mentionnés ci-dessus La photodiode conforme à l'invention est caractérisée en ce que, entre un volume/couche/fenêtre absorbant et la jonction de génération de courant/tension, la diode Schottky ou la structure MOS, se trouve un volume/couche ou, selon une variante, une surface frontière constituant une barrière pour la diffusion de porteurs de charge minoritaires. Ainsi, en disposant une matière semiconductrice ayant une plus grande bande interdite entre la matière qui constitue le fii- tre et la matière active, dans laquelle la photo-génération de porteurs de charge a lieu, on peut réduire considérable- ment la sensibilité du composant aux longueurs d'onde plus courtes que la longueur d'onde désirée Ceci est d'une grande importance aussi bien pour les composants dits démultiplexés que dans les cas dans lesquels on dcit détecter un signal fai- ble dans une première plage de longueur d'onde, en présence d'un signal très fort dans une autre plage de longueur d'onde. Les transducteurs à optique de fibres, et en particulier ceux qui sont basés sur des effets de photoluminescence entrent dans un tel domaine d'utilisation. Selon un aspect de l'invention, un système à fibres optiques destiné à mesurer des grandeurs physiques telles qu'une température, une pression, une position, un courant, une tension, un champ magnétique, un champ électrique, une force, un déplacement, etc, est placé en contact optique avec le détecteur. Selon un autre aspect de l'invention, le photodétec- teur est monté dans le chemin de la lumière qui provient d'un système de mesure à fibres optiques et un premier volume par- tiel est placé de façon à absorber la lumière parasite, pro- venant par exemple de réflexions dans le système à fibres op- tiques, tandis que la jonction de génération de courant/ten- sion est placée dans le chemin de la lumière après le premier volume partiel, afin de détecter la lumière dans la plage de longueur d'onde utilisée pour la mesure particulière Selon un autre aspect de l'invention, le photodétecteur est monté dans le chemin de la lumière qui provient d'un système de me- sure à fibres optiques; les volumes partiels sont placés de façon à absorber sélectivement différentes parties du spectre lumineux provenant du système de mesure à fibres optiques; les jonctions de génération de courant/tension sont placées de façon à mesurer l'intensité de la lumière dans les parties du spectre lumineux qui sont transmises par les volumes absor- bants partiels se trouvant en avant dans le chemin de'la lu- mière; et les signaux du détecteur qui sont ainsi obtenus peuvent 9 tre appliqués à des circuits électroniques ayant des fonctions consistant à calculer un quotient ou une différen- ce, ou à effectuer une amplification variable ou une somma- tion. 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 montre un type de composant de l'art antérieur auquel l'invention est applicable; La figure 2 montre le modèle de bandes d'énergie relatif au composant de la figure 1; La figure 3 représente un composant conforme à l'in- vention; et la figure 4 représente un modèle de bandes d'énergie pour le composant de la figure 4. La figure 1 montre ainsi l'art antérieur, avec un type de composant auquel on peut appliquer l'invention la référence 10 désigne une couche de "fenêtre" et consiste en Aly Ga 1 Y As, et les références 11 et 12 désignent les couchés "actives", toutes deux consistant en Ga As, c'est-àdire les couches dans lesquelles la photo-génération de porteurs de charge produit un courant La couche 51 consiste en un subs- trat en Ga As et le courant peut être prélevé en I. La figure 2 montre le modèle de bandes d'énergie relatif au composant de la figure 1 La région 20, consistant en Aly Ga 1 Y As, correspond à la couche 10 sur la figure 1; la région 21, consistant en Ga As, correspond à la couche 11 sur la figure 1, et la région 22, consistant en Ga As, correspond à la couche 12 sur la figure 1 Les porteurs de charge qui sont générés de façon optique dans la couche de fenêtre diffusent jusqu'au point x=O et ensuite plus loin dans la couche en Ga As, 11, jusqu'à la jonction P-N, ce qui fait que certains des por- teurs de charge générés dans la couche de fengtre donnent nais- sance à un photocourant De cette manière, la possibilité d'utiliser cette couche de fenêtre en tant que couche de filtre est donc réduite Les couches 20, ? 1 et 22 constituent conjoin- tement les couches épitaxiales. la solution proposée par l'invention est représentée sur la figure 3, et le modèle de bandes d'énergie correspondant est représenté sur la figure 4 En plaçant respectivement une couche 30 5 et une couche 40 5, consistant en Alx Gal x As, ayant une plus grande bande interdite, entre les couches de fenêtre et les couches actives, on empêche très efficacement la diffusion de porteurs de charge minoritaires à partir de la couche de fenêtreo Les propriétés de filtrage de la couche de fenêtre peuvent ainsi 4 tre utilisées efficacement Le cal- cul pour Al Ga As montre qu'une atténuation de la sensibilité de 105-1 o 010 est possible dans certaines plages de longueur d'onde La couche 30 de la figure 3 consiste en Aly Ga 1 Y As et la couche 5 consiste en un substrat en Ga As, tandis que _es couches 31 et 32 consistent en Ga As Le courant est prélevé en I Les couches épitaxiales 40, 40 5, 41 et 42 apparaissent clairement sur la figure 4 o Le composant conforme à la description précédente peut être fabriqué de très nombreuses manières différentes, avec une structure monolithique, en utilisant l'épitaxie en phase liquide ou gazeuse, l'épitaxie par jet moléculaire, le dépôt chimique en phase vapeur modifié, ou une autre techni- que classique On peut également réaliser une structure uti- lisant la technique des couches minces On peut également utiliser diverses combinaisons de matières différentes et di- vers profils de dopage -Le photodétecteur est ainsi réalisé sous forme d'une structure monolithique et il comprend des volumes partiels ayant des propriétés d'absorption mutuelle- ment différentes, et au moins une jonction P-N, une diode Schottky, ou une structure MOS. Bien qu'une couche 30 5 ayant une bande interdite plus large que celle de la couche 31 constitue la structure la plus interessante pour empêcher la diffusion de porteurs de charge minoritaires à partir de la couche de fengtre vers les couches actives, on peut également réaliser d'autres ma- nières une barrière pour une telle diffusion, par exemple en formant les couches 30 et 31 en une matière ayant un dopage différent ou une affinité électronique différente. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Photodétecteur en matière semiconductrice, réali- sé sous la forme d'une structure monolithique comprenant au moins deux volumes partiels ayant des propriétés d'absorption de la lumière mutuellement différentes, et au moins une jonc- tion P-N, une diode Schottky ou une structure KIOS, caractéri- sé èn ce que, entre un volume/couche/fenêtre d'absorption et la jonction de génération de courant/tension, la diode Schottky ou la structure MOS, se trouve un volume/couche ou, selon une variante, une surface frontière, constituant une barrière pour la diffusion de porteurs de charge minoritaires (barrière de diffusion) 2 Photodétecteur selon la revendication 1,caracté- risé en ce que la barrière de diffusion consiste en une ma- tière ayant une bande interdite plus grande que la bande in- terdite du volume/couche/fenètre absorbant. 3 Photodétecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la barrière de diffusion consiste en une ma- tière ayant un dopage différent et/ou une affinité électroni- que'différente, par rapport au volume/couche/fen Stre absorbant. 4 Photodétecteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les matières utilisées comprennent des semiconducteurs ternaires ou quaternaires. Photodétecteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un système à fibres op- tiques destiné à mesurer des grandeurs physiques telles qu'une température, une pression, une position, un courant, une ten- sion, un champ magnétique, un champ électrique, une force, un déplacement, etc, est disposé en contact optique avec le dé- tecteur. 6 Photodétecteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il est monté dans le chemin de la lumière qui arrive d'un système de mesure à optique de fibres, de façon que le premier volume partiel soit placé de manière à absorber la lumière parasite provenant par exemple de réflexions dans le système à optique de fibres, tandis que la jonction de gé- nération de courant/tension est placée dans le chemin de la lumière après le premier volume partiel, afin de détecter la lumière dans une plage de longueur d'onde utilisée pour la mesure particulière. 7 o Photodétecteur selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'il est monté dans le chemin de la lumière qui provient d'un système de mesure à optique de fibres, de façon que les volumes partiels soient placés de manière à absorber sélectivement différentes parties du spectre de la lumière provenant du système de mesure à optique de fibres, en ce que Ies jonctions de génération de courant/tension sont placées de façon à mesurer l'intensité de la lumière dans les parties du spectre de la lumière qui sont transmi- ses par les volumes partiels absorbants situés en avant sur le chemin de la lumière, et en ce que les signaux de détec- teur ainsi obtenus peuvent etre appliqués à des circuits électroniques ayant des fonctions consistant à calculer un quotient ou une différence, ou à effectuer une amplification variable ou une sommation. (six pages) Par procuration de Société dite: ASEA AKTIEBOLAG Le Mandataire: CABINET FLECHNER