Brevet FR2518817A1 — publié le 19830624

PHOTODIODE A ZONES D'ABSORPTION ET D'AVALANCHE SEPAREES L'invention concerne une photodiode à zones d'absorption et d'avalan- che séparées, opérant dans le domaine 1,2 1,6 micron, réalisée en utilisant des matériaux des familles III-V, et possédant un gain par avalanche élevé, bien que le facteur de bruit soit faible. L'invention concerne plus précisément la structure des couches semiconductrices qui constituent une photodiode à avalanche: l'optimisation de cette structure, par des modifications géométriques des couches ou des prises de contact par exemple, fait partie des connaissances de l'art et certains perfectionnements aux photodiodes à avalanche sont déjà connus, par exemple des demandes de brevets en France N O 75 15 437, 77 19 616 et 77.31 274 de la société demanderesse. L'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'une photodiode représentant deux hétérojonctions In P/Ga In As, mais d'autres matériaux tels que Ga As Sb, Ga Al As Sb, Ga Sb entrent dans le domaine d'application de l'invention, pourvu qu'ils soient adaptés entré eux en mailles cristallines. Une photodiode à avalanche est un dispositif semiconducteur qui ajoute à l'effet photodétecteur un effet amplificateur dû à l'avalanche Ce type de dispositif est très utilisé dans le domaine des télécommunications sur fibres optiques. Une photodiode à zones d'absorption et d'avalanche séparées, com- prend, parmi d'autres, une couche d'absorption des photons dans laquelle les photons incidents créent des paires électrons-trous Sous l'effet d'une polarisation inverse, dans une couche ayant une concentration de dopage et une épaisseur telles qu'elle soit au moins partiellement en charge d'espace, ou que la longueur de diffusion des porteurs soit grande, un courant se produit par échange des électrons et des trous Le potentiel de polarisation appliqué étant supposé suffisant, les électrons s'écoulent vers la première région formant une première hétérojonction avec la couche d'absorption, tandis que les trous s'écoulent dans un sens opposé, vers une deuxième région formant une deuxième hétérojonction avec la couche d'absorption, deuxième région dans laquelle ils déclenchent le phénomène d'avalanche dû à un fort champ électrique. 18817 L'intérêt d'initier l'avalanche par les trous dans le cas des matériaux III-V, et In P plus particulièrement est que le bruit apporté par l'amplifica- tion est plus faible que dans le cas o elle est initiée par des électrons. Il est maintenant bien établi que pour réaliser *des photodiodes à avalanche à base de composés III-V, dans le domaine spectral de 1,2 1,6 micromètre, il faut utiliser des hétérostructures telles que la zone de fort champ électrique, de l'ordre de 105 V/cm, dans laquelle se produit l'avalan- che soit située dans un matériau à grande bande interdite, l'absorption de lumière se faisant dans une zone adjacente à petite bande interdite. la Par ailleurs, la mesure des coefficients d'ionisation des porteurs de charge dans le matériau semiconducteur montre que ceux-ci sont d'autant plus dissymétriques, pour les électrons et les trous, que le champ électrique décroît Mais, comme le bruit dû à l'amplification par avalanche est d'autant plus grand que le rapport de ce coefficient d'ionisation se rapproché de 1 l'unité, les structures connues ont leur gain utile limité à des valeurs faibles, de l'ordre de 10 Par conséquent, pour pouvoir augmenter le gain d'une photodiode à avalanche, il est nécessaire dopérer avec un champ électrique moins élevé de façon à ce que les coefficients d'ionisation soient davantage dissymétriques, tout en conservant un bruit dû à l'amplification peu élevé. C'est l'objet de l'invention que de réaliser une photodiode à zone d'absorption et d'avalanche séparées possédant un gain par avalanche élevé et simultané- ment un faible facteur de bruit. Selon linvention, on obtient un gain appréciable avec un champ faible en augmentant la longueur sur laquelle ce champ s'exerce, c'est-à-dire en remplaçant la région d'avalanche des structures connues, région d'avalanche peu épaisse mais sous fort champ électrique, par une région d'avalanche plus longue et sous faible champ électrique Ainsi, statistiquement le gain obtenu par avalanche est le même Ceci est obtenu en intercalant une couche à grande bandé interdite et faiblement dopée entre la couche d'abaissement du champ électrique et la couche fenêtre ou couche de prise de contact par métallisation sur le corps de la diode, afin que la zone d'avalanche s'étende sur une distance suffisante pour obtenir un gain élevé sous champ électrique faible. 18817 De façon plus précise, l'invention concerne une photodiode à zones d'absorption et d'avalanche séparées, comprenant, sur un substrat porteur d'une première métallisation de prise de contact électrique, une hétéro- structure formée par une première couche d'absorption de la lumière, en matériau à faible bande interdite, et par une deuxième couche, en matériau à grande bande interdite, l'ensemble du substrat et des deux couches de l'hétérostructure étant d'un premier type de conductivité, cette diode comprenant de plus une couche, d'un second type de conductivité, et porteuse d'une seconde métallisation de prise de contact électrique, ladite diode étant caractérisée en ce que le phénomène d'avalanche est confiné dans une couche d'avalanche, à faible bande interdite, et du premier type de conductivité, formant jonction avec la couche du second type de conducti- vité, cette couche d'avalanche étant séparée de la première couche d'absorption de la lumière, à faible bande interdite, par la deuxième couche de Phétérostructure, à grande bande interdite, et étant d'épaisseur telle que le produit "concentration de dopage x épaisseur soit inférieur à 1,3 1012 at.cm, tandis que la couche à grande bande interdite, a une épaisseur telle que le produit "concentration de dopage x épaisseur" est sensiblement égal à 2,5 1012 at cm-2. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple de réalisation, cette description s'appuyant sur les figures jointes en annexe qui représentent: figure 1: structure et profil du champ électrique pour une photo- diode à avalanche selon l'art connu; figure 2: structure et profil du champ électrique pour une photo- diode à avalanche selon linvention. La figure 1 représente la structure d'une photodiode à zones d'absorp- tion et d'avalanche séparées selon l'art connu La géométrie d'une telle photodiode s'y prêtant, on a superposé à la représentation de la structure par couches de semiconducteurs la représentation du diagramme ou du profil du champ électrique, sur le dessin de la structure. Dans le but de simplifier les explications, cette diode à avalanche selon l'art connu est choisie en In P/Ga In As, dont les différentes couches sont de type N et p. Une telle photodiode à avalanche est composée d'un substrat n+ en In P repéré 1: dans la réalité, cette couche 1 est composée du substrat lui-même et d'une couche tampon ou -buffer de même matériau et de même type de conductivité, la couche tampon étant destinée à lisser la surface relative- ment rugueuse du substrat Sur le substrat 1 est déposée une couche 2 de Ga In As de type de conductivité n, que l'on appellera vy parce que c'est une zone N peu dopée Avec la zone d'absorption des photons, une couche 3 d'In P de type N forme une hétérojonction, de grande bande interdite, alors que la couche d'absorption est à faible bande interdite Enfin, une couche de contact 4 en In P de type de conductivité p+ assure la prise de contact avec la métallisation d'électrode Une telle diode est complétée par deux métallisa- tions d'électrodes 5 du côté du substrat et 6 du côté de la fenêtre par laquelle pénètre la lumière détectée par cette diode à avalanche Les métallisations de prise de contact, tout comme la représentation des différentes couches composant la structure d'une telle photodiode, sont très schématisées. La région superficielle du côté de la prise de contact 6 constitue une fenêtre pouvant jouer le rôle de filtre limitant vers les courtes longueurs d'onde le spectre de la lumière reçue par le dispositif utilisé en photo- détecteur Elle constitue en même temps, du fait de son dopage élevé, une région de prise de contact et sa localisation permet de limiter la région d'absorption du dispositif à l'aire strictement utile, par exemple l'aire très petite correspondante à la section d'une fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques Lorsqu'un photon v pénètre dans la photodiode par -la fenêtre constituée dans la métallisation 6, il traverse les couches superfi- cielles 3 et 4 et est détecté et absorbé dans la couche d'absorption 2 dans laquelle il crée une paire électron-trou Sous l'action d'un champ électrique, exercé par la polarisation inverse qui est appliquée aux bornes de la diode, les électrons et les trous se séparent, les électrons étant dirigés vers le substrat 1 tandis que les trous sont dirigés vers la couche 3 et la région superficielle. L'axe horizontal du dessin représentant les distances ou les épaisseurs de couches, on a porté en axe vertical le champ électrique E, en valeur absolue, développé par la polarisation Ce champ est de peu d'importance dans le substrat, mais dans la couche d'absorption 2, il atteint une valeur de l'ordre de 105 V/cm au maximum, au-delà de laquelle il y aurait risque de claquage de la diode par effet tunnel Puis, dans la couche 3 à grande bande interdite, il y a élévation du champ, jusqu'à un maximum dans lequel se produit l'avalanche, tandis que dans la couche 4 de prise de contact le champ retombe brutalement au-delà de la jonction entre les couches 3 et 4, à une valeur très faible Sur le diagramme de champ superposé au diagramme de structure dans la figure 1, la zone de détection et d'absorption des photons est représentée par la zone 7, tandis que la zone d'avalanche est représentée en 8: la zone d'avalanche a une épaisseur de l'ordre de 100 A. La variation brutale de champ dans la couche 3 peut être considérée selon le cas comme une élévation du champ selon qu'il s'agit des trous qui se dirigent de la zone 2 vers la zone 3 ou comme un abaissement du champ si l'on considère le trajet des photons: toujours est-il que ce champ varie fortement en fonction de la distance x et que par conséquent comme cela a été dit, il se produit statistiquement un bruit élevé dû à une amplification brutale par avalanche, ce bruit étant d'autant plus grand que le rapport des coefficients d'ionisation approche de l'unité, c'est-àdire que le champ électrique est élevé. Selon l'invention, le bruit est diminué tout en conservant un gain dû à l'avalanche élevé, la zone d'avalanche s'étendant sur une distance suffisante pour obtenir un gain sous champ électrique faible C'est ce que représente la figure 2 qui donne le schéma de structure dune diode à avalanche selon l'invention. La figure 2 est à rapprocher de la figure 1 en ce sens qu'elle donne selon l'axe des x les différentes couches semiconductrices qui composent une photodiode à avalanche et, superposée selon l'axe des y, la courbe du champ électrique E en valeur absolue dans ces mêmes couches. De façon à être comparable à l'exemple cité de l'art connu, l'exemple d'application de l'invention décrite utilise le composé 111-V Gax Ini x As, qui permet de couvrir le domaine spectral de 1 à 1,7 micromètre lorsqu'il est adapté en maille cristalline à un substrat In P Mais, comme il a été dit, d'autres matériaux sont utilisables qui entrent dans le domaine de l'inven- tion. lbe substrat 1 en In P de type de conductivité n+ est composé d'une couche de substrat à proprement parler et d'une couche tampon destinée à lisser la surface du substrat: sur ce substrat l est déposée par épitaxie en phase vapeur, une couche 2, qui est la couche d'absorption, en Ga Inî As correspondant à la composition x = 0,47, et de dopage N opérations qui seront décrites ultérieurement, elle va jusqu'à la métallisa- tion 6 de prise de contact Cette couche 10 est, comme la couche 2, repérée par le signe V, qui indique qu'elle est peu dopée. La jonction électrique pn nécessaire pour faire une diode de ce type, est formée par implantation ou diffusion dans la couche d'Inp 10 d'un dopant de type p à travers un masque d'oxyde, et jusqu'à une profondeur telle que l'on ait la condition N 2 x 2 type N 2 la couche l l de type p+ représentée sur la figure 2. Les contacts ohmiques sont ensuite réalisés par des moyens connus de métallisation avec une géométrie permettant la transmission de la lumière sur au moins Pune des faces: sur la figure représentée, le contact ohmique 5 sur la couche n+ qui est le substrat n'est pas transparent à la lumière et c'est le contact ohmique 6 sur la couche p+ Il qui présente une fenêtre, pour le passage d'une fibre optique par exemple. Si Pon considère maintenant le diagramme de champ électrique qui est rapporté et superposé sur cette structure de diode, la zone de détection est, comme dans la diode de l'art connu, la zone 7 dans la couche d'absorption 2. Cette zone de détection correspond à un champ électrique maximum de 105 Volts/cm La zone d'avalanche est repérée 12 et elle correspond à un minimum de 4,5 X 10 Volts/cm Cette zone d'avalanche s'étend à travers la couche d'avalanche In P 10, couche dans laquelle le champ varie peu, mais varie sur une distance suffisante pour que le produit de l'amplification par unité de distance multiplié par l'épaisseur de la couche donne un gain important. La structure décrite est du type nv nv p: toutefois, si les matériaux utilisés pour réaliser une photodiode à avalanche sont tels que le coefficient d'ionisation des électrons est supérieur à celui des trous, il suffit alors de réaliser une structure de type p 7 r pir N pour obtenir une photodiode à avalanche jouissant des mêmes caractéristiques de gain élevé et de faible bruit en excès à l'amplification Cependant, comme un faible bruit en excès est obtenu pour des coefficients d'ionisation très différents, il est préférable d'injecter dans la zone d'avalanche le porteur de plus fort coefficient d'ionisation, c'est pourquoi le cas le plus général est le cas d'une diode nvnvp. Enfin, l'invention a été exposée en précisant, dans le seul but de simplifier les explications, que les matériaux sont In P et Ga In As: il a été dit précédemment que d'autres matériaux tels que Ga AI Sb, Ga AI As Sb, Ga Sb par 210 exemple conviennent parfaitement. En outre, la structure de la diode a été exposée dans son schéma le plus général, qui correspond à celui de couches de matériaux semiconduc- teurs Rien n'empêche de perfectionner cette diode en donnant aux diffé- rentes couches énoncées des formes qui permettent d'optimiser la diode selon l'invention, qui est précisée par les revendications ci-après. 251881 '7 REVENDICATIONS 1 Photodiode à zones d'absorption et d'avalanche séparées, compre- nant, sur un substrat ( 1) porteur d'une première métallisation ( 5) de prise de contact électrique, une hétérostructure formée par une première couche ( 2) d'absorption de la lumière, en matériau à faible bande interdite, et par une deuxième couche ( 9), en matériau à grande bande interdite, l'ensemble du substrat ( 1) et des deux couches ( 2, 9) de l'hétérostructure étant d'un premier type de conductivité, cette diode comprenant de plus une couche ( 11), d'un second type de conductivité, et porteuse d'une seconde métallisa- tion ( 6) de prise de contact électrique, ladite diode étant caractérisée en ce que le phénomène d'avalanche est confiné dans une couche d'avalanche ( 10), à faible bande interdite, et du premier type de conductivité, formant jonction avec la couche ( 11) du second type de conductivité, cette couche d'avalanche ( 10) étant séparée de la première couche ( 2) d'absorption de la lumière, à faible bande interdite, par la deuxième couche ( 9) de l'hétéro- structure, à grande bande interdite, et étant d'épaisseur (X 2) telle que le produit "concentration de dopage x épaisseur X 2 " soit inférieur à 1, 3 1012 at.cm 2, tandis que la couche ( 9) à grande bande interdite, a une épaisseur (X 1) telle que le produit "concentration de dopage x épaisseur X 1 " est sensiblement égal à 2,5 1012 at cm 2. 2 Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa structure est de type n+ v N v p+: substrat ( 1) n+, couche d'absorption ( 2)v, couche à grande bande interdite ( 9) n, couche d'avalanche ( 10) v, couche de jonction ( 11) p+, l'avalanche étant déclenchée par des trous. 3 Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa structure est de type p+ r p Ir n+: substrat ( 1) p+, couche d'absorption ( 2) couche à grande bande interdite ( 9) p, couche d'avalanche ( 10) ir, couche de jonction ( 11) n+, l'avalanche étant déclenchée par des électrons. 4 Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau du substrat ( 1) et des couches à grande bande interdite ( 9) d'avalanche ( 10) et de jonction ( 11) étant In P, l'hétérostructure est formée par une couche à faible bande interdite ( 2) en Gax Inl x As, avec x = 0, 47. 251881; Photodiode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau du substrat ( 1) et des couches à grande bande interdite ( 9) d'avalanche ( 10) et de jonction ( 11) étant Ga Sb, l'hétérostructure est formée par une couche à faible bande interdite ( 2) en matériau adapté en paramètre de maille cristalline parmi Ga AI Sb ou Ga Al As Sb.