Brevet FR2612335A1 — publié le 19880916

La présente invention a pour objet une photodiode, réalisée dans une couche de semiconducteur HgCdTe de type P, dans laquelle est formée, sur une face, une zone dopée de type Nréalisant ainsi une jonction PN, et pour vue de métallisations accès aux zones P et N. De telles photodiodes sont sensibles dans l'infra- rouge proche, et la longueur d'onde sur laquelle est centrée leur maximum de sensibilité dépend de la composi tion du cristal de semiconducteur, composition définie par la fraction molaire x de la formule Hg1-xCdxTe, fraction molaire qui peut varier de 0 à 1. Ces photodiodes sont en particulier utilisées dans les télécommunications par fibres optiques, à des longueurs d'onde de # ,1,30 et 1,55 microns, par exemple. On connait déJà des photodiodes du type défini cidessus, dans lesquelles la couche de HgCdTe est soit massive, soit déposée par épitaxie sur un substrat. Dans les deux cas, ces photodiodes présentent l'in- convénient d'avoir une réponse relativement lente, c'est a-dire qu'elles transmettent mal les composantes élevées du spectre fréquentiel des signaux qui modulent les rayonnements lumineux qu'elles détectent. Actuellement, les fréquences de coupure de ces photodiodes sont de ltor- dre de 500 à 800 MHz. Il est évident que ceci limite le débit des informations qui peuvent être transmises dans les systèmes de télécommunications par fibres optiques. Il est donc primordial de disposer des photodiodes ayant une fréquence de coupure plus élevée.Or, il est connu que la fréquence de coupure d'une photodiode est d'autant plus élevée que le produit RC, de la résistance série R et de la capacité C de son schéma équivalent, est faible. ainsi, un moyen pour augmenter la fréquence de coupure consiste à réduire la valeur de la résistance série R du schéma équivalent. Or, cette résistance R est la résistance série totale de la photodiode, et les deux composantes principales de cette résistance sont, d'une part, la résistance de la couche de semiconducteur HgCdTe de type P, et d'autre part la résistance du contact entre cette couche et la métallisation qui permet d'y accéder. Or, dans les photodiodes connues où la couche de HgCdTe est massive, l'épaisseur de cette couche confère à sa résistance une valeur relativement élevée. Ainsi, et à titre d'exemple, un disque de HgCdTe de type P, de résistivité de lon cm, de diamètre 150 Fm, et d'épaisseur 400 Wm présente une résistance de 350 Dans les photodiodes connues où la couche de HgCdTe de type P est obtenue par épitaxie, l'épaisseur de cette couche peut autre faible, par exemple de l'ordre de 10 ce qui réduit la contribution de l'épaisseur de la couche à quelques dizaines d'ohms. Cependant, du fait que la couche de HgCdTe de type P est déposée par épitaxie sur un substrat non conducteur, la métallisation d'accès à la zone P ne peut être disposée en regard de la jonction PN et doit être faite par les tranches de la couche de HgCdTe de type P. Il en résulte, d'une part, une déformation des lignes de champ préjudiciable au bon fonctionnement de la photodiode, et, d'autre part, une faible surface de contact entre le métal de la métallisation d'accès à la zone P et le semiconducteur.La contribution de la résistance du contact à la résistance totale est donc importante et, malgré la contribution faible de l'épaisseur de la couche de semiconducteur de type P, la résistance série totale reste trop élevée. La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents en procurant une photodiode à résistance série totale faible, donc à réponse rapide. A cet effet, elle a pour objet une photodiode du type défini ci-dessus, caractérisée par le fait que la métallisation d'accèsà à la zone P est en contact avec une couche de semimétal HgTe, disposée sur la face de ladite couche de semiconducteur HgCdTe en regard de la jonction PS. Dans la photodiode de l'invention, la contribution, à la résistance série totale, de la résistance du contact entre la métallisation et le semiconducteur de type P, est réduite, du fait de l'emploi, au lieu du contact classique "métal sur semiconducteur" , d'un contact 1semimétal sur semiconducteur" , qui utilise le semimétal HgTe. Ce matériau a des propriétés électroniques intermédiaires entre celle des métaux et celle des semiconducteurs. Comme c'est un semimétal, le contact est très bon, c'està-dire ohmique, ave# le métal de la métallisation. Comme, par ailleurs, il fait partie de la famille HgCdTe, il s lfr adapte parfaitement du point de vue cristallographique et comme la couche de semimétal HgTe est disposée en regard de la jonction PN, il n'y a pas de déformation des lignes de champ, qui restent perpendiculaires à la jonction PN. La résistance de contact ainsi obtenue entre la métallisation d'accès à la zone P et la zone P elle-même est ainsi de quelques ohms seulement. Avantageusement, ladite couche de semiconducteur HgCdTe est déposée par épitaxie sur la couche de semimétal HgTe, elle-même déposée par épitaxie sur un substrat. Dans une telle photodiode, on bénéficie alors, en même temps, d'une faible contribution de la résistance de contact et d'une faible contribution de la résistance due à l'épaisseur de la couche de HgCdTe de type P. On obtient alors une résistance totale série de l'ordre de quelques dizaines d'ohms. Avantageusement encore, la métallisation d'accès à la zone P et la couche de semiconducteur HgCdTe sont disposées du même côté de la couche de semimétal HgTe, et la métallisation d'accès à la zone P traverse la couche de semiconducteur HgCdTe par un trou métallisé pour venir en contact avec la couche de semimétal HgTe. Dans une telle photodiode, les deux métallisations d'accès aux zones P et N sont disposées dans le mame plan, sur la face extérieure de la couche de semiconducteur HgCdTe. Ceci facilite la fabrication et le montage des fils de connexion et, de plus, permet l'intégration, sur un même substrat actif, par exemple en GaAs, ou en Si, de photodiodes et de circuits électroniques pour réaliser, sur la même "puce" et sans aucune opération de report d'un pavé de semiconducteur sur un autre, à la fois la fonction de détection et celle de traiteont éleztronique ou sional. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation de la photodiode de l'invention, et de leurs procédés de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique d'un premier type de photodiode selon l'invention, - la figure 2 illustre un exemple d'utilisation de la photodiode de la figure 1, et, - la figure 3 représente une vue schématique d'un second type de photodiode selon l'invention. La figure 1 représente une photodiode, pour détecter un rayonnement infrarouge schématisé sous forme de photons incidents 8, et transformer ce rayonnement détecté en un signal électrique apparaissant entre deux métallisations 3 et 4. De façon connue, la photodiode comprend une jonction PN, résultat de la formation, sur la face supérieure, sur la figure 1, d'une couche 1 de semiconducteur HgCdTe de type P, d'une zone 2 de type P. La métallisation 4, disposée également sur la face supérieure de la couche 1 permet, à travers une couche de passivation 9, accès à la zone 2 de type N. La métallisation 3 est disposée également sur la face supérieure de la couche 1 qu'elle traverse, par un trou métallisé 7 pour venir en contact avec une couche 5 de semimétal HgTe disposée sur la face inférieure, sur la figure 1, de la couche 1, et notamment en regard de la jonction PN réalisée sur la face supérieure de la couche 1. Ainsi, on peut dire que la métallisation 3 permet l'accès à la zone P, C'est-à-dire à la couche 1 de HgCdTe de type P, par l'intermédiaire de la couche de semimétal HgTe, la métallisation 3 et la couche 1 étant disposées du même côté de la couche 5. La photodiode de la figure 1 est réalisée par épitaxie à partir d'un substrat 6,sur lequel on fait croitre da- bord la couche 5 de HgTe, d'une épaisseur ici égale à 2 Fm, puis la couche 1 de HgCdTe d'une épaisseur ici égale à 10 m. Le substrat 6 est ici formé principalement d'une couche massive 62 de GaAs sur laquelle a été déposée une couche 61, plus mince, de CdTe. On désigne ce type de substrat par l'expression CdTe-GaAs. Une telle composition représente un cas particulier de la composition plus générale HgCdTe-GaAs. On peut également utiliser des substrats en HgCdTe-A1203 ou en HgCdTe-InSb, ces deux expressions désignant comme précédemment des substrats formés d'une couche massive de Al203 ou de InSb sur laquelle est déposée une couche de HgCdTe. Il est également possible d'utiliser des substrats massifs en GaAs, CdTe, HgTe, CdZnTe, CdSeTe, CdHgTe, ou Si, par exemple. Sur la figure 1, des fils 10 etli connectent les métallisations 3 et 4, respectivement, à des broches du bot- tier, non représenté dans un souci de simplicité, dans lequel est montée la photodiode. Sur la figure 2 est représentée une autre utilisation de la photodiode de la figure 1, qui met en valeur l'in têrêt de la disposition des deux métallisations 3 et 4 sur la face supérieure de la couche 1. Dans ce cas, sur le même cristal massif 62 de GaAs sont disposés c'une part des circuits 12 et 3, de traitement électronique, et, à l'intérieur d'un puits 14, une photodiode identique à celle de la figure 1;Alors on peut donner aux métallisations 3 et 4 des formes telles qu'elles permettent aussi l'accès aux circuits 12 et 13, pour les connecte directement à la photodiode. on intègre ainsi, sur la même puce 62, à la fois les fonctions de détection des photons 8 et de traitement électronique du signal détecté. La figure 3 représente une autre photodiode, obtenue cette fois à partir dtune couche 1 massive de semiconducteur HgCdTe de type P, sur la face inférieure de laquelle on a fait croStre par épitaxie une couche 5' de semimétal HgTe. Une zone 2' de type N a été formée sur la face supérieure, sur la figure, de telle sorte que la couche 5t se trouve en regard de la jonction PN ainsi obtenue. Naturellement, lsépaisseur de la couche massive 1' de semiconducteur HgCdTe de la figure 3, de l'ordre de 100 tm est beaucoup plus grande que l'épaisseur de la couche épitaxiée 1 de semiconducteur HgCdTe de la figure 1, de l'ordre de 10 .L'épaisseur de la couche 5' de semimétal HgTe de la figure 3 est du mEme ordre de grandeur que l'épaisseur de la couche 5 de semimétal HgTe de la figure 1. Sur la figure 3 une métallisation 4', disposée sur la face supérieure, sur la figure 3, de la couche 1', permet, à travers une couche de passivation 9', l'accès à la zone 2t de type N. Un fil 11t de connexion est soudé à la métallisation 42. Sur la face inférieure, sur la figure, de la couche 1, une métallisation 3' est en contact avec toute la surface de la couche 5' de semimétal HgTe. La métallisation 3' est collée, à l'aide d'une couche de colle conductrice 14, à un support 15 en alumine métallisée. Les photodiodes qui viennent hêtre décrites sont réalisées comme cela va maintenant etre expliqué. Une première méthode d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 est épitaxie par dépôt de vapeurs de composés chimiques organométalliques, ou pyrolyse de vapeurs organométalliques (MOCVD = etal Organo Chemical Vapour Deposition"). Ce dépôt s'effectue à l'aide d'un gaz vecteur, ici de l'hydrogène purifié, avec, comme sources de tellure, cadmium et mercure, un flux de diéthyltellure (C2H5)2Te, un flux de diméthylcadmium (CH3)2Cd, et un flux de vapeur de mercure, respectivement. Les éléments se combinent sur le substrat chauffé dans un tube disposé dans un four à 4000C par décomposition pyrolytique, ou cracking, des molécules organiques. Après montée en température et stabilisation, la croissance s'effectue à une vitesse de 4 tt par heure. Dans le cas de la photodiode de la figure 1, on part d'un cristal massif de GaAs, d'épaisseur 500 Fm environ, que l'on soumet d'abord aux flux d'hydrogène, de (CH3)2Cd et de (C2115)2Te, réglés pour déposer, en un quart d'heure environ, la couche "tampon" 61 de CdTe d'épaisseur sensiblement égale à 1 Fm. On arrête ensuite le flux de (CH3)2Cd et on le remplace par le flux de vapeur de mercure, que l'on règle pour déposer une couche de HgTe. La croissance s'effectue pendant une demi-heure, pour obtenir la couche 5 de 2 Hm d'épaisseur. On rétablit alors le flux de (CH3)2Cd en le réglant, ainsi que le flux de (C2H5)2Te et le flux de vapeur de mercure pour déposer la couche 1 de H61 Cd Te, la fraction molaire x ayant la valeur désirée pour le centrage de la réponse de la photodiode sur la longueur d'onde désirée. La croissance s'effectue pendant deux heures trente environ, pour obtenir une couche 1 de 10 Fm d'épaisseur environ. Pour un débit d'hydrogène de 1 #/mn, les flux de (C2H532Te, de (CH3)2Cd et de vapeur de mercure sont de 3 l'ordre de 5 à 70 /mn et leurs valeurs relatives déter- minent la composition obtenue. Un contrôle précis de la température à @ 1 C permet d'obtenir des couches 61 de CdTe, 5 de HgTe et 1 de HgCdTe homogènes et uniformes. Un refroidissement rapide par circulation d'un gaz inerte, en fin de dépôt, assure une conductivité de type P. Une deuxième méthode d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 est l'épitaxie en phase liquide. Dans cette méthode, le cristal massif de GaAs est, après polissage et nettoyage par attaque chimique, disposé dans un creuset en graphite, de type connu, surmonté d'un couvercle, coulissant et pourvu de plusieurs puits sans fond contenant chacun un bain, pouvant ainsi être amené en contact avec le cristal disposé dans le creuset.Le creuset est placé dans un tube ouvert aux deux bouts, pour autre soumis à une circulation d'hydrogène en surpression, et ltensemble est placé dans un four chauffé à environ 500 C. On prévoit ici quatre bains successifs, le premier de tellure pur, le second de CdTe dissout dans du tellure, le troisième de HgTe dissout dans du tellure, et le quatrième de Hgl XCdXTe dissout dans du tellure. Le premier bain permet un décapage, le deuxième la croissance de la couche "tampon" de CdTe, pendant une minute afin d'obtenir une couche de CdTe de 1 ?#m environ, car la croissance a lieu à une vitesse de 1 #m/mn sensiblement.Les troisième et quatrième bains permettent la croissance de la couche 5 de semi-métal HgTe, pendant deux minutes pour obtenir une épaisseur de 2 m environ, puis la croissance de la couche 1 de semiconducteur Hgl XCdxTe, pendant dix minutes pour obtenir une épaisseur de 10 fm environ. En refroidissant de environ 10C par minute pendant la croissance de la couche de Hg, Cd Te, on obtient la conductivité de type P souhaité. D'autres méthodes d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 sont, par exemple, la méthode d'épitaxie par jet moléculaire (EJM) décrite dans la publication de J. FAURIE et ai, publiée p. 1307 de la revue "Applied Physic Letters" 45 (12) du 15 décembre 1984, ou encore la méthode d'épitaxie en phase vapeur EDRI, décrite dans le brevet français NO 2 460 545. Une méthode pour réaliser la photodiode de la figure 3 consiste à partir d'une couche massive de HgCdTe obtenue par exemple par le procédé T#IM (Travelling Heater Method) décrit dans le brevet français n0 2 502 190 ou par le procédé THM modifié décrit dans la demande de brevet français n0 86 00 769. La couche massive est ensuite amincie par polissage mécanique, pour former la couche 1'. La couche 5t est déposée par épitaxie, par une des méthodes ci-dessus. On peut alors former, pour les photodiodes des figures 1 et Xles zones 2 et 2', de type N, en procédant de façon connue, par exemple par la technique planar de diffusion de mercure à travers des couches de passivation, comme l'enseigne le brevet français n0 2 336 804, ou encore par implantation ionique d'indium oudaluminium, comme l'enseigne le brevet français n0 2 488 048. Un anneau de garde, de type connu également, peut être réalisé. Le trou 7 de la photodiode des figures 1 et 2 est réalisé par attaque chimique sélective de la face supé- rieure, sur la figure, prote'rée par une r--ine, sauf damans la zone circulaire où doit se faire l'attaque . Une solution acide et oxydante à base de bichromate de potassium dont la vitesse d'attaque est étalonnée permet dXen- lever le HgCdTe sans retirer le HgTe si la durée est convenablement choisie. tan autre procédé pour réaliser un tel trou est ltusinage ionique, technique utilisant le bombardement de la surface par des ions Argon de faible énergie. Les paramètres de cet usinage sont choisie pour ne pas dommager le reste de la surface.Les métallisations 3 et 4 sont ensuite réalisées simultanément, et de façon connue, après métallisation du trou 7. Avec une fraction molaire, ou composition, x voisine de 0,7, la photodiode réalisée à l'aide d'un cristal de Hg0,3 Cd Te aura un maximum de sensibilité centré sur 0,7 une longueur d'onde de 1,3 tm. En choisissant une valeur différente, on peut déplacer, de façon connue, ce maximum de sensibilité, et, en particulier en amener la valeur jusqu'à 12 Fm pour x voisin de 0,2. On peut également, et selon l'enseignement du brevet français n0 2 501 915 choisir la composition x de façon à ce que les énergies de bande interdite Eg et de bande de spin-orbite soient voisines, ce qui procure un gain en courant, par effet de multiplication. Les principales caractéristiques des photodiodes réalisées avec une couche épitasiée de HgCdTe, fonctionnant à température ambiante, avec une surface sensible circulaire de diamètre 80 ym, adaptée au diamètre des fibres optiques pour télécommunications sont les suivan tes, pour x = 0,7 Tension de polarisation inverse : -10 Volts Courant inverse (V = -10 volts) : Réponse en courant à A = 1,3 um : > 0,7 A/W Capacité totale (V = -10 volts) : 1 pF Résistance série : 35 ohms Résistance inverse : 1000 Mégohms Temps de montée : 200 picosec Fréquence de coupure (-3 dB) : 1600 à 2000 Mégahertz. Comme on le constate, la faible valeur de la résistance série conduit à une fréquence de coupure deux fois plus élevée que pour les photodiodes de l'art antérieur. Revendications 1. Photodiode réalisée dans une couche (1; 1?) de semiconducteur HgCdTe de type P, dans laquelle est formée, sur une face, une zone (2; 2') dopée de type N réalisant ainsi une jonction PN, et pourvue de métallisations (3, 4; 31, 4t) d'accès aux zones P et N, caractériséepar le fait que la métallisation (3; 3t) d'accès à la zone P est en contact avec une couche (5; 5t) de semimétal HgTe, disposée sur la face de ladite couche (1; 1') de semiconducteur HgCdTe en regard de la jonction PN. 2. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle ladite couche (î) de semiconducteur HgCdTe est déposée par épitaxie sur la couche (5) de semimétal HgTe, ellemême déposée par épitaxie sur un substrat (6). 3. Photodiode selon la revendication 2, dans laquelle la métallisation (3) d'accès à la zone P et la couche (1) de semiconducteur HgCdTe sont disposées du même côté de la couche (5) de semimétal HgTe, et la métallisation (3) à'accès à la zone P traverse la couche (1) de semiconducteur HgCdTe par un trou métallisé (7) pour venir en contact avec la couche (5) de semimétal HgTe. 4. Photodiode selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle le matériau du substrat (6) est choisi parmi GaAs, CdTe, HoTe, CdZnTe, CdSeTe, CdHgTe,HgCdTeGaAs (61, 62), HgCdTe-A12O3, HgCdTe-InSb, et Si. 5. Photodiode selon la revendication 1, dans laquelle ladite couche (1Z) de semiconducteur HgCdTe est massive et ladite couche (5') de semimétal HgTe est déposee par épitaxie sur ladite couche (1') de semiconducteur EECdle. 6. Photodiode selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle les dépôts épitaxiques sont obtenus par pyrolyse de vapeurs organométalliques (llOCVD). 7. Photodiode selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle les dépôts épitaxiques sont obtenus en phase liquide. 8. Photodiode selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle les dépits épitaxiques sont obtenus par jet mo léculaire (EJM). 9. Photodiode selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle les dépôts épitaxiques sont obtenus par épitaxie en phase vapeur EDRI. 10. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle la composition de la couche (1; 1l) de semiconducteur HgCdTe étant définie par la formule Hgl Cd Te, la fraction molaire x est comprise entre sensiblement 0,2 et sensiblement 0,7. 11. Photodiode selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'épaisseur de la couche (1) de semiconducteur HgCdTe est au plus égale à 12 pm. 12. Photodiode selon la revendication 3, dans laquelle les métallisations (3 4) d'accès aux zones P et N,respective- ment, sont aussi des métallisations d'accès à des circuits (12, 13) de traitement électronique intégrés dans le substrat, qui se trouvent ainsi connectés directement à la photodiode.