Brevet FR2535112A1 — publié le 19840427

DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR OPTOELECTRONIQUE DE TYPE PHOTOTRANSISTOR La présente invention concerne un dispositif semiconducteur optoélec- tronique, de type transistor à effet de champ, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences doté d'une unique grille de commande telle que ce transistor se comporte comme un transistor bigrille, commandé d'une part par un signal de polarisation électrique appliqué sur la grille, et d'autre part par win faisceau lumineux qui traverse la métallisation de grille La sensibilité oies dispositifs semiconducteurs à la lumière est un phénomène bien connu, et exploité entre autres dans les photodétecteurs, notamment les photodiodes et les phototransistors. Selon le type de structure, la lumière agit de différentes façons, par exemple soit en effarant une mémoire programmable en circuits intégrés, soit en traversant une ou plusieurs couches transparentes pour atteindre une zone d'avalanche, soit encore er, favorisant l'ionisation dans une couche sous champ électrique. Mais, dans tous les cas, la lumière est recueillie sur le dispositif semi conducteur sur une surface relativement importante, et la ou les métal lisation sont déplacées de façon à laisser en surface du semiconducteur une fer.ê tre pour Capter la lumière. Par exemple; dans une photodiode, les électrodes sont déposées sur deux faces du cristal que la lumière frappe sur une troisième face, on bien encore une électrode est déposée en forme de raquette autour de la fenêtre. Ce deplacement des électrodes, ou leur éloignement relatif, ne pose r rie problèmes tent que les fréquences de travail ne sont pas trop élevées, par exemple. Mais il ne permet pas de travailler en très hautes fréquences, supérieures a: 1 GHz. C'es ainsi que le temps -de réponse d'un phototransistor bipolaire est de 5 microsecondes, ce qui correspond à une ban passante inférieure à 200 KHz. Cette lenteur relative est due en partie au fait que les métallisations d'électrodes sont éloignées les unes les autres de façon à laisser au moins une, généralement deux, fenêtres optiques entre les électrodes.Cet allongement de la distance émetteur-collecteur ou source-drain -^,;traîile un plus long temps de transit des porteurs de charge, donc un abaissement de la fréquence maxirriale. Par ailleurs, il n'est pas possible de diminuer la largeur de la fenetre optique sans dégrader les caractéristiques optoélectroniques du dispo sitif : aux fréquences considérées, supérieures à 1 GHz, il est courant que la grille d'un transistor à effet de champ ait 1 micron de longueur, et soit séparée de la source et du drain par deux intervalles de 1 micron. Les deux intervalles de I micron représentent les deux fenêtres par lesquelles passe la lumière pour atteindre la couche active du transistor à effet de champ et il n'est pas possible de les réduire encore. L'invention apporte une solution à ce double problème de bon rendement optoélectronique - qui suppose une fenetre large - et de fréquences de travail élevées - qui suppose des dimenslons réduites - en proposant de réaliser, sur un transistor à effet de champ, une grille dont la métallisation est assez fine en épaisseur pour être transparente à la lumière. Cette grille est d'épaisseur renforcée sur son pourtour de façon à diminuer sa résistance électrique. Ainsi, le transistor selon l'invention possède une seule métallisation de grille, mais agit comme un transistor bigrille: la zone de commande est modulée par la polarisation électrique appliquée sur la grille et par la lumière qui traverse la grille. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif semiconducteur optoélectronique, de type phototransistor, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, comportant, supporté par un substrat en matériau semiconducteur, au moins une couche active et, sur la surface libre de cette couche active, deux métallisations d'électrodes d'accès extérieur et une métallisation d'électrode de commande, caractérisé en ce que l'électrode de commande comporte une métallisation Schottky suffisamment fine pour être transparente à la lumière qui excite le phototransistor, celle-ci traversant l'électrode de commande et agissant sous la métallisation dans une zone de fort champ électrique. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation, laquelle s'appuie sur les figures annexes qui représentent: - figure 1 : vue en coupe d'un phototransistor bipolaire selon l'art connu - figure 2 : vue en coupe d'un phototransistor à effet de champ selon l'art connu - figure 3 : vue en coupe d'un phototransistor à effet de champ selon l'invention - figure 4 : vue de trois quart de la grille d'un transistor à effet de champ selon l'invention. La figure 1 représente un phototransistor bipolaire selon l'art connu. Très schématiquement celui-ci est constitué d'un substrat 1 dans lequel sont implantées ou diffusées des couches de base 2 et d'émetteur 3. Ce transistor peut entre par exemple de type NPN, et la métallisation de collecteur 4 est prise sur la face arrière du substrat 1, la métallisation de base 5 est prise sur le côté de la couche 2, et la métallisation d'émetteur 6 est prise sur le dessus de la couche 3, laquelle est elle-même diffusée ou implantée sur le bord de la couche de base 2. Ce transistor ne diffère d'un transistor bipolaire conventionnel que par le fait qu'il a une jonction basesollecteur suffisam ment large pour collecter la lumière, sur une surface relativement importante, la fenêtre, désignée sur la figure 1 par la lettre F.Un tel transistor pourrait également être de type PNP, et les positions d'émetteurs et de collecteurs pourraient être inversées. Ce type de dispositif est particulièrement utilisé comme opto-isolateur, parce qu'il offre un rapport de transfert de courant élevé, de l'ordre de 50 % ou plus, comparé avec une photodiode typique dont le transfert dé courant est de l'ordre de 0,2 96. Cependant, la largeur de la fenêtre F, par laquelle pénètre la lumière symbolisée par l'énergie des photons h v, dégrade les performances d'un tel phototransistor aux hautes fréquences. Ceci vient en opposition avec le fait qusaux fréquences les plus élevées les récepteurs sensibles comportent tous avant détection un ou plusieurs étages amplificateuis. Mais le bruit introduit par un amplificateur bien conçu est ii,ferieur de plusieurs ordres de grandeurs à celui qui serait apporté par un détecteur Rravaillant à ribles niveaux. Ceci justifie donc l'utilisation de phototransistors qui constituent à la fois un détecteur et un amplificateur. A l'inverse des amplificateurs, les détecteurs optiques voient en règle généråle leu s performances croître lorsque la fréquence augmente. Aux fréquences optiques, les récepteurs seront donc dans la quasi totalité des cas des détecteurs directs, l'amplification étant limitée au spectre vidéo. Il y a donc dans le cas des phototransistors bipolaires opposition entre le fait que les performances se dégradent aux hautes fréquences en raison de l'éloignement entre base et émetteur, et par ailleurs le fait que les performances croissent avec la fréquence, ce qui suppose qu'une certaine quantitié de lumière minimale parvient aux phototransistors. En effet, la dégradation des performances due à la largeur de fenêtre peut être combattue par la diminution de la largeur de fenêtre, mais dans ce cas là, il ne parvient plus suffisamment de lumière pour que le phototransistor ait encore un bon rendement et une action efficace. La figure 2 représente un phototransistor de type à effet de champ selon l'art connu. La caractéristique de la plupart des transistors à effet de champ est que les métallisations de source, de drain et de grille se trouvent sur une même surface du cristal semiconducteur. Ce transistor à effet de champ est constitué par un substrat 1 sur lequel est déposée une couche active 7, qui reçoit à sa surface libre les métallisations de source 8 de drain 9 et de grille 10. Sous l'effet d'une polarisation appliquée sur la grille, se développe une zone de déplétion 11, qui pince le courant sourcedrain entre la zone de déplétion et le substrat 1. Cette zone de déplétion déborde légèrement de la métallisation de grille 10. Lorsqu'un transistor à effet de champ est utilisé en phototransistor, la lumière h v ne peut pénétrer dans la couche active du phototransistor que par les fenêtres de largeur f qui se trouvent situées entre la métallisation de source 8 et celle de grille 10 d'une part, et entre la métallisation de drain 9 et celle de grille 10 d'autre part. La lumière agit donc sur la couche active dans des zones désignées 12 et 13 qui se trouvent situées respectivement entre la métallisation de source 8 et la zone déplétée et entre la métallisation de drain 9 et la zone déplétée. C'est l'action dans la zone déplétée 11 qui est la plus importante, et qui est favorisée davantage par la grille transparente. Surtout puisque l'effet photovoltaique de la lumière sur la zone déplétée est plus intéressant à haute fréquence que l'effet photoconducteur sur la couche active.Il y a deux inconvénients au fonctionnement d'un phototransistor selon l'art connu (figure 7). Premièrement, et surtout si le transistor travaille aux hautes fréquences, les métallisations sont très rapprochées entre elles, la largeur f des fenêtres est de l'ordre de 1 micron, et la quantitié de lumière reçue par le phototransistor est très faible. Deuxièmement, les fenêtres se situant de part et d'autre de la métallisation de grille 10, la lumière agit dans la couche active en dehors de la zone de déplétion, c'est-à-dire en dehors de la zone sous champ élevé, et l'action de la lumière est moins efficace que dans une région où règne un champ électrique élevé. L'inconvénient d'utiliser un transistor à effet de champ en hyperfréquences vient donc du fait que l'accès de la lumière au canal est très limité par la grille elle-même qui bloque effectivement toute la lumière, ou au moins la majeure partie de la lumière qui tombe sur la face supérieure d'un tel transistor hyperfréquences.A titre d'exemple, si l'on envisage le couplage d'une fibre optique avec un phototransistor hyperfréquences, le lia mètre d'une fibre optique est fréquemment supérieur à 50 microns, tandis que la largeur des deux fenêtres f qui peuvent recevoir sur le phototransistor i:: lumière issue de la fibre optique n'est que d'un micron chacune L'invention propose de réaliser un transistor à effet de champ hyperfréquence, dans lequel un certain éloignement entre source et drain est concédé, mais dans lequel la lumière peut passer à travers la grille rendue transparente. Concéder un certain éloignement entre les métallisations de source et de drain ne présente pas d'inconvénients graves pour les application envisagées, car la grille ne sert dans bien des cas qu'à polariser le canal. La figure 3 représente un phototransistor à effet de champ selon l'iriveotion. phototransistor est constitué par un substrat I qui supporte une couche active 7, sur laquelle ont été déposées deux métallisations de de 3 . de irain 9. A tire d'exemple, le substrat peut etre en arséniure de gallium semi-isolant, et la couche active en arséniure de galliums dopée de type n à environ 1017 lectrons par entimètre cube Oependant, il est 'rnpf::rtant de signaler que l'invention porte essentiellement sur la grille d'un phototransistor, et que par conséquent, le phototransistor lui-même peut être aussi bien en silicium ou en matériau de la famille III.V par exemple. Le substrat peut être semi-isolant ou dopé, la couche active peut ne comporter qu'une seule couche d'arséniure de gallium ou une pluralité de sous-couches, tampon pour lisser la surface du substrat, deux couches actives à proprement parler, deux couches superficielles. Le transistor à effet de champ objet du perfectionnement de l'invention peut être de type TEGFET ou MESFET, bien que cependant l'invention concerne plus particulièrement les transistors de type MESFET, c'est-à-dire métal-Schottky, ou TEGFET c'està-dire un transistor à gaz d'électrons. La métallisation de grille 14 d'un phototransistor selon l'invention, est déposée entre les métallisations de source 8 et de drain 9, mais elle est plus longue qu'une métallisation de grille classique, et est composée d'une métallisation 141 assez fine pour être transparente à la lumière. A titre d'exemple, la métallisation 141 de grille a une épaisseur de 100 environ sur une largeur de fenêtre F de l'ordre de 3 à 5 microns - chiffre qu'il faut rapprocher de la largeur d'une grille hyperfréquence qui est de l'ordre de 1 micron -. Pour une épaisseur de 100 A d'or qui sera préférentiellement utilisé pour réaliser cette métallisation, le coefficient de réflexion de la lumière qui vient frapper la grille est inférieur à 10 %.La résistance d'une couche mince étant assez élevée, la métallisation de grille 14 comporte sur son pourtour une seconde métallisation 142 plus épaisse, qui sert à abaisser la résistance de la grille, sans pour autant obturer le passage de la lumière, et permettre éventuellement de réaliser ailleurs un plot pour la soudure d'un fil de prise de contact ou l'adhérence d'une métallisation d'un conducteur électrique. Lorsque la lumière traverse la métallisation 141 de la grille, elle agit, dans le cas de l'invention, dans la zone de déplétion 11 qui se trouve sous la grille 14, c'est-àaire dans une zone à champ fort, et le rendement quantique de la lumière est supérieur à celui obtenu avec un transistor à effet de champ classique tel que représenté en figure 2, dans lequel la lumière agit en dehors de la zone à fort champ électrique. L'or a été cité plus haut, au sujet du coefficient de réfléxion sur la métallisation 141 de la grille. Pour être plus exact, l'or est un des métaux qui sont capables de donner un contact Schottky, c'est-à-dire que peuvent également être déposées d'autres couches de métaux assurant un contact de type Schottky : titane, platine ou or. Cependant, si l'invention s'applique de préférence à un transistor de type Schottky, elle est également applicable aux transistors dans lesquels la couche active 7 est elle-même composée de plusieurs couches, dont certaines sont transparentes à la lumière, cette structure à couches transparentes étant par ailleurs bien connue et appliquée par exemple dans les photodiodes à avalanche. La figure 4 représente la métallisation de grille 14 agrandie et vue de trois quart dans l'espace. Cette métallisation se présente comme un fond de boite, constitué par une couche 141 assez mince pour être transparente à la lumière, et un cadre 142 assez épais pour ne pas être trop résistif et supporter des prises de contact électrique, sur des plots qui sont réalisés ailleurs. La réalisation d'une telle grille 14 transparente se fait facilement par des moyens connus de l'homme de l'art. Une première métallisation Schottky, par exemple titane, platine, ou or est faite sur une épaisseur "e" de l'ordre de 100 à 200 . Cette métallisation est ensuite gravée de façon à ne conserver que la surface 141 qui sera seule conservée pour réaliser l'élec- trode. Puis, la partie centrale de la métallisation transparente 141 est masquée et usle deuxième métallisation d'or pur est faite sur le pourtour de la rnétallisation l4l, sur une épaisseur "E" de l'ordre de 1à5 microns par exemple.Les moyens mis en oeuvre peuvent être le masquage optique, électronique ou les rayons X, avec des résines positives ou négatives, qui font que seule la partie intéressante de l'électrode est déposée sur la couche active Z du transistor ou qu'au contraire une métallisation est étendue sur toute la surlaçe du transistor puis ensuite gravée pour n'en maintenir que la partie intéressante. Un transistor à effet de champ à grille transparente selon l'invention est particulièrement ineressant car, t3ien que doté d'une grille unique 14, il digit coml-n!e un transistor bigrille. Un premier effet est appliqué sur la grille métallique 14 par une tension électrique, de polarisation ou de commande, et un second effet est appliqué à travers la grille transparente 14 par la lumière. Les deux effets électriques et optiques peuvent s'ajouter, se soustraire, ou se moduler, et le transistor objet de l'invention peut remplir les fonctions d'amplificateur, d'oscillateur, ou de mélangeur O c'est un com mineur électrooptique. Bien que l'objet principal de l'invention concerne essentiellement une grille d'épaisseur assez faible pour être transparente à la lumière, l'invention a été décrite en s'appuyant sur le cas d'un transistor à effet de champ dont la couche active est simple et qui a un contact de type Schottky. Cependant, il est évident que la structure du transistor lui-même peut être beaucoup plus complexe. De la même façon, la surface du transistor sur laquelle sont déposées les électrodes de source, de drain, de grille n'est pas obligatoirement plane comme cela a été représenté sur les dessins. Ainsi, l'invention a un caractère général qui ne saurait être limité par la description d'un exemple, mais qui est précisé par les revendications suivantes. REVENDICATIONS '. Dispositif semiconducteur optoélectronique, de type phototransistor, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, comportant, supporté par un substrat (1) en matériau semiconducteur, au moins une couche active (7) et, sur la surface libre de cette couche active (7), deux métallisations d'électrodes d'accès extérieur (8 et 9) et une métallisation d'électrode de commande (14), caractérisé en ce que l'électrode de commande (14) comporte une métallisation (141) suffisamment fine (100-200 ) pour cotre transparente à la lumière qui excite le phototransistor, celle traversant l'électrode de commande (14) et agissant sous la métallisation dans une zone de fort champ électrique (11). 2. Dispositif optoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor est un transistor à effet de champ de type MESFET métal-Schottky), les électrodes d'accès extérieur sont les électrodes de source (84 et drain (9), l'électrode de commande est l'électrode de grille (14), la zone de fort champ électrique est la zone déplétée (11) sous la grille, qui est à contact Schottky qgi, Pt, Au). 3. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor est un transistor à effet de champ de rype TEGFET (à gaz d'électrons). 4. Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue de diminuer la résistance électrique de l'électrode de commande (14), la metallisation transparente (141) est entourée par une métallisation épaisse l42), on contact électrique avec elle. 5 Dispositif optoélectronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'unique électrode de commande (14) remplit une double fonction: commande électrique par la tension de polarisation appliquée sur la métallisation épaisse (142) et commande optique par le faisceau lumineux traversant la métallisation transparente (141), 6. Dispositif optoélectronique selon la revendication 52 caractérisé en ce que qu'il constitue un combineur de signaux électriques et de signaux optiques.