Brevet FR2562716A1 — publié le 19851011

2C56 716 Cette invention concerne un photo-détecteur à avalanche présen- tant un champ électrique réduit à la périphérie de la jonction P-N, afin de diminuer le courant de fuite et la probabilité de ruptures de limite. Les systèmes de communication optique qui opèrent dans un domaine de longueurs d'onde compris entre 1100 et 1700 nanomètres (nm) sont potentielle- ment d'une grande importance, étant donné que la dispersion et les pertes dans une fibre optique sont typiquement très faibles dans cette gamme de longueurs d'onde. Des dispositifs à hétérojonction comprenant des alliages binaires III-V et des solutions solides de ces alliages se sont révélés particulièrement utiles pour ces applications, étant donné que leur intervalle de bande électronique se situe dans ce domaine de longueurs d'onde et que des hétérojonctions à structures réticulaires appariées peuvent être obtenues par des variations de composition. En particulier des alliages ternaires et quaternaires de In, Ga, As et P, sur un substrat InP constituent des matériaux appropriés pour réaliser à la fois des émetteurs de lumière et des photo-détecteurs. Parmi les problèmes qui ont affecté les performances des photo- détecteurs à avalanche utilisant de tels matériaux, figurent ceux relatifs: aux courants d'effet de tunnel dans le corps, qui se produisent pour des champs élec- triques de l'ordre de 1,5.105 V/cm dans les composés ternaires et quaternaires utilisés pour réaliser la région absorbant la lumière; à la rupture de limite et à la multiplication des courants de fuite de surface à la périphérie de la jonction. L'effet tunnel a été diminué en disposant la jonction P-N avec son champ électrique élevé, dans un matériau à large intervalle de bande, séparé de la région absorbant la lumière, dans le matériau à intervalle de bande étroit. Cette structure de photo-détecteur à avalanche est connue sous le terme de "SAM" (Photo-détecteur à multiplication et absorption séparées). Les ruptures de limite et les courants de surface ont été réduits en utilisant une structure mesa dans laquelle la largeur du détecteur diminue lorsqu'on augmente la distance à partir du substrat. Cependant, il est préférable de réduire encore la distribution du champ électrique à la périphérie de jonction pour limiter encore davantage le champ de surface et le courant de fuite à cette périphérie de jonction. En conséquence, cette invention concerne un photo-détecteur à ava- lanche qui comprend: un substrat semi-conducteur ayant des première et seconde surfaces principales; une région absorbante recouvrant la première surface prin- cipale, une première région recouvrant ladite région absorbante; une seconde région recouvrant la première région; un premier contact électrique recouvrant ladite seconde région et un second contact électrique avec le substrat, le substrat, la région absorbante et ladite première région ayant un type de con- 2 25 67 16 ductivité et la seconde région ayant le type de conductivité opposé, ce photo- détecteur à avalanche étant caractérisé en ce que ladite région absorbante possède une région de surface comprenant une zone plane et une zone environ- nante non plane, en ce que ladite première région recouvre ladite zone plane et en ce que ladite seconde région recouvre ladite zone non plane. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressor- tiront de la description faite ci-après, en référence au dessin annexé qui en illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur le dessin: - la Figure 1 est une vue en coupe d'un photo-détecteur selon l'invention et, - la Figure 2 est une illustration graphique des champs électriques le long des lignes A-A et B-B de la Figure 1. Le photo-détecteur 10, illustré par la Figure 1, comporte un substrat 12 ayant une première et seconde surfaces principales 14 et 16, respectivement et une région absorbante 18 recouvrant la première surface princi- pale 14. Une région de séparation 20 recouvre la région absorbante 18. Une sur- face 22 comporte une zone de surface plane 22a de la région de séparation 20, entourée par une zone de surface non plane 22b de la région absorbante 18. Une première région 24 recouvre la zone plane 22a et elle- possède une zone de surface plane 25. Une seconde région 26 recouvre la première région 24 et la zone de sur- face non plane 22b. Un premier contact électrique 28 est prévu sur la seconde région 26 et un second contact électrique 30 recouvre la seconde surface princi- pale 16. La combinaison des surfaces plane et non plane de la seconde région 26 avec une paroi latérale 32 de la région absorbante 18 constitue une structure à double mesa. Le substrat-12, la région absorbante 18, la région de séparation et la première région 24 présentent le même type de conductivité et la seconde région 26 possède le type de conductivité opposé, produisant une jonction P-N à l'interface de la seconde région 26 avec la première région et à l'interface de la seconde région 26 et de la région absorbante 18 ou de la région de sépa- ration 20, sur la zone non plane 22b. De préférence, les matériaux constituant toutes ces régions sont choisis de manière que leurs pas réticulaires s'adaptent à ceux du substrat dans une limite de l'ordre de 0,5 %. Le substrat 12 est constitué d'un matériau semi-conducteur, tel que InP de type N, dopé avec du soufre jusqu'à une concentration d'environ 5.10 18/cm3, il présente une épaisseur suffisante pour supporter la structure, cette épaisseur étant typiquement comprise entre 0,03 et 0,04 cm. La première 2 56 2 7 1 6 surface principale est typiquement traitée à l'acide de Caro avec une solution à 1 % de brome dans du méthanol pour éliminer la pollution de surface et éviter tout endommagement, avant la formation des différentes régions. La région absorbante 18 est composée d'un matériau semi-conducteur qui absorbe la lumière aux longueurs d'onde considérées dans un domaine de 1100 à 1700 pm. Parmi les matériaux appropriés, on peut citer le In 0, 53Ga 0,47As qui absorbe la lumière pour des longueurs d'onde inférieures à 1650 nm et le InxGalx As P1y qui absorbe la lumière pour des longueurs d'onde inférieures à une lon- gueur d'onde maximale déterminée par le choix de x et y comme décrit, par exemple, par OLSEN et autres, dans la publication "the Journal of Electronic Materials" 9, 977 (1980). Cette région est de préférence légèrement conductrice de type et elle est constituée typiquement d'un matériau non dopé, contenant moins de 1.10 15donneurs/cm3 environ. De préférence, la concentration de modificateurs de conductivité en excès dans cette région est inférieure d'un facteur d'au moins à la concentration de modificateurs de conductivité en excès dans la première région 24. Ce niveau de dopage est tel que, pour les tensions typiquement appli- quées au photo-détecteur, le champ électrique est inférieur à la valeur de seuil donnant naissance à l'effet tunnel. Cette région présente une épaisseur comprise entre 5 et 15 pm et, de préférence, comprise entre environ 8 et 12 pm. La région de séparation 20 est composée d'un matériau semi-conducteur, typiquement de l'InaGalaAsbPl-b, ayant une énergie d'intervalle de bande fixe ou graduée comprise entre celles de la région absorbante 18 et de la première région 24 et son épaisseur est typiquement d'environ 0,5 pm. Typiquement, la con- centration des modificateurs de conductivité dans cette région est la même que dans la région absorbante 18. Cette région est présente, afin d'éviter une lente réponse du détecteur associé à l'accumulation de porteurs de chargesà proximité de la discontinuité de bande de valence à l'hétérojonction, cependant elle peut être supprimée. La première région 24 est constituée-d'un matériau semi-conducteur, tel que InP de type N. ayant une épaisseur et une concentration en modificateurs de conductivité suffisante pour produire une multiplication en avalanche de por- teurs photogénérés dans la couche absorbant la lumière 18, lorsqu'une polarisation inverse d'amplitude suffisante est appliquée au photodétecteur. De préférence, cette région présente une concentration superficielle de modificateurs de con- ductivité en excès Nlxl, o N1 est la concentration en excès, en volume, et x1 l'épaisseur de la première région, comprise entre 2,5 et 4.10 12/cm2 environ. L'épaisseur de cette couche est comprise entre 0,5 et 2,5 pm. La concentration correspondante en volume des modificateurs est comprise entre environ 0,7 et 4 25 6 27 16 7.1016/cm3 et elle est de préférence comprise entre 2 et 5.1016/cm3. La seconde région 26 est composée d'un matériau semi-conducteur à conductivité élevée, tel que de l'InP de type P, contenant un excès de 1018 accepteurs de zinc/cm3 et elle possède une épaisseur comprise entre 1 et 2pm. De préférence, le substrat 18 et les première et seconde régions 24 et 26 transmettent la lumière à la longueur d'onde devant être détectée. Le premier contact électrique 28 est constitué d'un alliage or-zinc, déposé par évaporation sous vide, lorsque la seconde région 26 est de type P et sa configuration est typiquement telle que la lumière pénètre dans le détecteur au travers de la portion de la seconde région située au- dessus de la première région 24. Le second contact électrique 30 est composé d'un alliage or-étain, déposé par évaporation sous vide, lorsque le substrat 12 est de type N. Lors du fonctionnement de ce photo-détecteur, on applique une ten- sion de polarisation inverse entre les contacts électriques. La largeur d'épuise- ment de la première région 24 augmente avec l'accroissement de la tension, et elle atteint une valeur comprise entre 3,75 et 6.105 V/cm environ, lorsque la première région 24 vient d'être totalement épuisée. Une augmentation ultérieure de la ten- sion appliquée provoque une extension de la région d'épuisement dans la région d'absorption 18. En supposant que la jonction P-N est abrupte et en incluant la région de séparation 20 avec la région absorbante, le champ électrique interne est donné par la relation q q E = 6 (Nlxl+N0w) dans laquelle q est la charge électronique, & est la constante diélectrique, NO0 est la concentration de modificateurs de conductivité en excès et w est la lar- geur de la région d'épuisement dans la région absorbante 18. Le premier terme représente le champ nécessaire pour épuiser la première région 24 et le second terme représente le champ à la surface 22a. Cette distribution du champ est illus- trée par la-courbe en traits pleins sur la Figure 2 o les chiffres portés en abscisse correspondent aux différentes surfaces de la Figure 1. Le champ électrique nécessaire pour l'avalanche est fonction de la concentration en modificateurs de conductivité dans la première région 24 et il est typiquement compris entre 4,5 et 6.105 V/cm. Le champ électrique dans la ré- gion absorbante 18 n'augmente pas au-delà d'environ 1,0.10 V/cm avant que le champ électrique Em pour une rupture d'avalanche se produise dans la première région 24. A la jonction P-N entre la seconde région 26 et la région absor- bante 18, le champ électrique s'étend dans la région absorbante 18 à partir de la jonction. Le champ électrique maximal E reste très inférieur à Em, étant donn que la r-gion absorbante 18 est bien plus lgrement dope. Cette distri- donné que la région absorbante 18 est bien plus légèrement dopée. Cette distri- 2 2 5 6 2 716 bution de champ électrique est illustré par la courbe en traits interrompus sur la Figure 2. La nécessité de limiter le champ à la périphérie impose certaines restrictions en ce qui concerne la tension de fonctionnement du dispositif et, par conséquent, la concentration en impuretés et l'épaisseur correspondante de la première région 24. Dans une jonction abrupte, la relation entre le champ électrique maximal Ep, la tension et la concentration en impuretés est donnée par E2 = 2qNV p 6 dans laquelle V est la tension de polarisation inverse appliquée. Etant donné que E peut ne pas dépasser le seuil de 1,5.105 V/cm pour l'effet tunnel, le p 16 produit (N-V) ne doit pas dépasser 7,5.10 V/cm3 environ. Par conséquent, si par exemple, NO est 1.10 15/cm3, la tension totale peut ne pas dépasser environ volts. La tension d'avalanche est déterminée par intégration du champ élec- trique sur toute la largeur de la région d'épuisement qui est la zone située sous la courbe en traits pleins sur la Figure 2. Les couches semi-conductrices qui forment les régions peuvent être déposées séquentiellement sur la surface du substrat en utilisant des techniques d'épitaxie en phase liquide ou, de préférence, en phase vapeur, comme décrit notamment dans le brevet américain OLSEN et autres N 4 116 733. Une couche absor- bante de type i et des couches de séparation et une première couche semi- conductrice d'InP de type N sont déposées séquentiellement sur une pastille substrat d'InP de type N par épitaxie en phase vapeur. Des portions de la sur- face de la première couche sont recouvertes d'un masque résistant à l'attaque chimique et la partie environnante de la première couche et la couche de sépa- ration et une petite partie de la couche absorbant la lumière sont enlevées par attaque chimique à l'aide d'une solution à 1 % de brome dans du méthanol. Le masque est enlevé en laissant une surface qui comprend des portions planes de la première couche entourées par des portions non planes qui comprennent les cstés de la première couche et la surface de la couche absorbante dégagée par le pro- cédé d'attaque chimique. Une seconde couche semi-conductrice en InP de type P est déposée par épitaxie en phase vapeur sur les surfaces plane et non plane. La seconde couche et le substrat sont ensuite métallisés, afin de fournir les contacts au détecteur. Les parois latérales des détecteurs individuels sont en- suite pourvues d'un contour déterminé, à l'aide de techniqueSde masquage clas- siques et par attaque chimique dans une solution de brome-méthanol, pour former la paroi latérale 32. Les détecteurs sont ensuite séparés en utilisant des techniques usuelles. En variante, la seconde région 26 peut être formée par diffusion ou implantation d'ions, d'une concentration en excès de modificateurs de con- ductivité dans la surface plane de la première couche 24 et dans les portions non planes environnantes des surfaces de la couche absorbante et de la première couche. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 7 2 562 7 16 REVENDICATIONS 1 - Photo-détecteur à avalanche qui comprend: un substrat semi- conducteur ayant des première et seconde surfaces principales; une région absorbante recouvrant la première surface principale, une première région re- couvrant ladite région absorbante; une seconde région recouvrant la première région; un premier contact électrique recouvrant ladite seconde région et un second contact électrique avec le substrat, le substrat, la région absorbante et ladite première région ayant un type de conductivité et la seconde région ayant le type de conductivité opposé, ce photo-détecteur à avalanche étant carac- térisé en ce que ladite région absorbante (18) possède une région de surface comprenant une zone plane (22a) et une zone environnante non plane (22b), en ce que ladite première région (24) recouvre ladite zone plane et en ce que ladite seconde région (26) recouvre ladite zone non plane (22b). 2 - Photo-détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration superficielle des modificateurs de conductivité dans la première région (24) est comprise entre 2,5 et 4.1012/cm2. 3 - Photo-détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la première région (24) est comprise entre environ 0,5 et 2,5 om. 4 - Photo-détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une région de séparation (20) entre la région absorbante (18) et la première région (24). - Photo-détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première région (24) est composée de InP de type N, en ce que la seconde région (26) est composée de InP de type P et en ce que la région absorbante (18) est de conductivité de type et elle est constituée d'un matériau choisi dans le groupe qui comprend les alliages In 0,57Ga 0,43As et InxGalxAsyP1_y. 6 - Photo-détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une région de séparation (20) entre la région absorbante (18) et la première région (24). 7 - Photo-détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la région absorbante possède une épaisseur supérieure à 3 mm.