Brevet FR2618257A1 — publié le 19890120

i 26 18257 La présente invention concerne un photodétecteur à avalanche présentant un champ électrique réduit à la périphé- rie de la jonction PN et une réponse rapide sans nécessaire- ment incorporer une couche quaternaire. Les systèmes de communication optique qui fonctionnent dans la gamme des longueurs d'onde comprises entre environ 1100 et 1700 nanomètres (nm) présentent un potentiel de grande importance car la dispersion et les pertes dans une fibre optique sont généralement très faibles dans cette gamme de longueur d'onde. Les dispositifs à hétérojonction incorpo- rant des alliages binaires III-V et des solutions solides de ces alliages se sont avérées particulièrement utiles pour cette application car leurs intervalles de bande électroni- ques se produisent dans cette gamme de longueur d'onde et on peut obtenir des hétérojonctions adaptées sur le plan réticulaire en faisant varier leur composition. En particu- lier, les alliages ternaires et quaternaires de InGaAsP sur un substrat en InP se sont avérés des matériaux utiles tant pour les émetteurs que pour les détecteurs de la lumière. Cependant, on doit comprendre que les alliages quaternaires sont généralement plus difficiles à faire croître à cause de l'équilibre des quatre éléments afin de fournir les hétéro- jonctions adaptées sur le plan réticulaire. Les problèmes affectant les performances des photodé- -2- 261825? tecteurs à avalanche qui utilisent ces matériaux comprennent les courants de pénétration dans le corps par effet tunnel se produisant à des champs électriques supérieurs à environ 1,5 x 10 V/cm dans les composés ternaires et quaternaires utilisés pour la région d'absorption de la lumière, la rupture périphérique, et la multiplication des courants de fuite en surface au droit de la périphérie de la jonction. On a réduit la pénétration par effet tunnel en plaçant la jonction PN avec son champ électrique élevé dans un matériau à large intervalle de bande, séparé de la région d'absorption de la lumière dans le matériau à intervalle de bande plus étroit. On a réduit la rupture périphérique et les courants de fuite en surface en procédant au profilage de la surface des parois latérales du détecteur. Cependant, la réduction du champ électrique à la surface peut être faible, se traduisant par le fait que le courant de fuite en surface peut encore subir une multiplication. Pour réduire la multiplication du courant de fuite en surface et pour améliorer la multiplica- tion dans une région active distante de l'hétérojonction formée entre la région active et une région d'absorption de la lumière, la demande de brevet canadien ayant pour numéro 511819 prévoit un photodétecteur ayant une région d'absorp- tion de la lumière, une région active recouvrant la région d'absorption de la lumière et une région de sommet d'un type de conductivité opposé à celui des deux autres régions recouvrant la région active. Une zone centrale avec implanta- tion de silicium est située dans la région active d'un photodétecteur à avalanche. La zone centrale a une concentra- tion en modificateurs d'un premier type de conductivité plus grande que le reste de la région active. Cette demande de brevet canadien enseigne plus spécifiquement que la zone centrale est située spatialement en étant séparée des régions de sommet et d'absorption à l'intérieur de la zone active. L'utilisation de la zone centrale avec implantation de - 3 - silicium s'est traduite dans ce photodétecteur par l'obten- tion d'une multiplication de la région active avec des champs électriques de l'ordre de 4 à 5 x 105 V/cm, alors qu'il y a en même temps maintien du champ électrique à l'hétérojonction au-dessous de la zone centrale implantée à une valeur comprise entre 1,5 et 2 x 105 V/cm de sorte qu'aucune pénétration importante par effet tunnel ne se produit dans la région d'absorption. La demande de brevet canadien n 511 819 décrit en outre une couche quaternaire intermédiaire entre la région active et la région d'absorption pour éviter les temps de réponse longs des détecteurs. On doit comprendre qu'une couche quaternaire de InGaAsP est plus difficile à soumettre à une croissance que les autres couches car les quantités des quatre éléments doivent être équilibrées dans des proportions sélectives pour obtenir une hétérojonction adaptée sur le plan réticulaire entre la région active, généralement en InP, et la région d'absorption généralement en InGaAs. Il serait souhaitable de conserver des temps de réponse compatibles avec ceux obtenus en utilisant une couche quaternaire intermédiaire entre la région active et la couche d'absorption de la lumière mais sans nécessairement devoir utiliser la couche quaternaire. Selon un aspect de la présente invention, on prévoit un photodétecteur à avalanche comprenant un corps semi- conducteur. Le corps comporte une région d'absorption de la lumière constituée d'une couche d'absorption de la lumière ayant un premier type de conductivité et d'une région active de ce premier type de conductivité recouvrant la région d'absorption de la lumière et formant une hétérojonction à une interface entre la région active et la région d'absorp- tion de la lumière. Le corps semi-conducteur comprend une région de sommet d'un second type de conductivité qui recouvre la région active formant une jonction PN à une interface entre la région du sommet et la région active. Une 26 18257 - - 4 -- zone centrale est située au-dessous de la région du sommet, en en étant espacée, 'dans la région active et s'étend à travers l'héterojonction pour entrer dans la région d'absorp- tion de la lumière. La zone centrale a une concentration en modificateurs du premier type de conductivité supérieure à celle de la région active, et une étendue latérale inférieure à celle de la région du sommet. Le corps semi-conducteur comporte en outre des contacts électriques. La fabrication d'un photodétecteur ayant la descrip- tion précédente avec une zone centrale située dans la région active s'étendant à travers l'hétérojonction jusque dans la région d'absorption s'est traduite par un photodétecteur ayant des temps de réponse d'une valeur aussi faible que 250 picosecondes sans utilisation d'une couche quaternaire inter- médiaire de croissance difficile. Alors que la manière dans laquelle la zone centrale s'étendant à travers l'hétérojonc- tion pour réduire le temps de réponse n'est pas clairement comprise, on pense que le principe de fonctionnement est différent de la manière dans laquelle une couche quaternaire intermédiaire fonctionne pour réduire le temps de réponse. Ainsi, il est du domaine de la présente invention de conférer les caractéristiques d'une zone centrale passant par l'hété- rojonction d'une région d'absorption comprenant une couche quaternaire intermédiaire. Il est envisagé que ces deux caractéristiques, lorsqu'elles sont combinées, puissent se traduire par l'obtention de temps de réponse plus rapides. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figures 1 et 2, des vues en coupe de deux modes de réalisation du photodétecteur à avalanche de la présente invention. Figures 3 et 4, des vues en coupe d'un corps semi- conducteur à différentes étapes de la fabrication du photodé- tecteur à avalanche de la présente invention. Figure 5, un graphique de la distribution du champ électrique le long des lignes A-A et B-B de la figure 1, figure 6, la distribution des impuretés des photodé- tecteurs des figures 1 et 2 et figures 7a et 7b, des vues semblables à celle de la figure 1 et comportant en outre une couche quaternaire entre la région active et la région d'absorption de la lumière. Dans les figures, on utilise les mêmes références pour désigner des éléments correspondants. En figures 1 et 2, le photodétecteur 10 comprend un corps en matériau semi-conducteur 12, un substrat 14 ayant des première et seconde surfaces principales 16 et 18, respectivement, et une couche tampon 20 ayant une surface 22, qui recouvre la première surface importante 16. Une couche 24 d'absorption de la lumière, ayant une surface 26, recouvre la surface 22 de la couche 20. La couche d'absorption de la lumière absorbe la lumière à la longueur d'onde présentant de l'intérêt. Une couche active 28 recouvre la surface 26 de la couche 24. La région active 28 comporte une surface 30. Une zone centrale 32 est située dans la région active 28 et s'étend jusque dans la région d'absorption 24. La zone centrale 32 comporte une première interface 33 s'étendant jusque dans la région d'absorption 24 et une seconde interface 35 située à l'intérieur de la région active 28 en étant espacée d'une certaine distance d'une régi6n de sommet 38. La région 38 s'étend sur une certaine distance à l'intérieur de la région active 28 à partir de la surface 30. La région 38 a une étendue latérale plus grande, dans la direction du plan de la surface 30, que la zone centrale 32. Une jonction PN, 40, est formée à l'interface entre la région active 28 et la région 38 du sommet. Une couche de passivation 42 recouvre la surface 30 et comporte une ouverture 44 s'étendant à travers elle au- dessus de la région 38. Un premier contact électrique 46 recouvre une portion de la surface 30 exposée dans l'ouverture 44 de manière à fournir un contact électrique avec la région 38 du sommet et -6- un second contact électrique 48 recouvre la seconde surface principale 18. Les premier et second contacts électriques 46 et 48, respectivement, constituent un moyen pour fournir un contact électrique avec le corps 12 à semi-conducteur. La lumière tombant sur le photodétecteur à avalanche 10 entre typiquement dans le corps 12 en passant par la partie 50 de la surface 30 exposée dans l'ouverture 44. En figure 2, le photodétecteur présente une paroi latérale profilée 52. Le substrat 14 et les régions tampon, d'absorption et active 20, 24 et 28, respectivement, sont du même type de conductivité et la région 36 du sommet est du type de conductivité opposé. Les matériaux constituant le tampon, les régions d'absorption, active et du sommet sont de préférence choisis de façon que leurs constantes réticulaires soient adaptées à celle du substrat à plus ou moins environ 0,2 pourcent. Le substrat 14 est généralement constitué d'un maté- riau semi-conducteur tel que InP du type N dopé avec du soufre à une concentration d'environ 5 x 1018/cn, a une épaisseur suffisante pour supporter le reste de la structure. Le substrat 14 a une épaisseur comprise généralement entre environ 0,03 et 0,04 cm à l'origine et une épaisseur au stade final comprise entre environ 0,01 et 0,015 cm avant la formation de puces. Les surfaces principales 16 et 18 sont généralement traitées à l'acide de Caro ou à une solution d'un pourcent de brome dans le méthanol afin d'éliminer les contaminations et endommagements en surface avant le dépôt des couches. La région tampon 20 est généralement constituée du même composé, n'est pas dopée et a une épaisseur comprise en général entre environ 4 et 6 micromètres. La région d'absorption 24 est généralement constituée d'un matériau qui absorbe la lumière à la longueur d'onde présentant de l'intérêt, à savoir dans la gamme comprise entre environ 1100 et 1700 nm. Les matériaux appropriés comprennent In0 53 Ga 0,47As qui est absorbant à des longueurs d'onde inférieures -7- à environ 1650 nm et InxGa _xAsyPl1y qui absorbe la lumière à des longueurs d'onde inférieures à une longueur d'onde maximum déterminée par le choix de x et y comme cela est décrit, par exemple, par Olsen et al dans The Journal of Electronic Materials 9, 977 (1980). Cette couche est de préférence légèrement conductrice, du type v et généralement déposée sous forme de matériau non dopé contenant moins d'environ 3 x 1015 donneurs/c/cn et de préférence entre environ 1 et 2 x 1015 donneurs/c'. La région d'absorption 24 a une épaisseur de préférence supérieure à environ 2 Pm et a une épaisseur de l'ordre de 6 Bm pour assurer l'absorption complète de la lumière incidente. La région active 28 est généralement constituée d'un matériau semi-conducteur tel que InP ayant une concentration en modificateurs de conductivité en excès supérieure à environ 3 x 1015 cd et de préférence comprise entre environ 0,5 et 215/cn. L'épaisseur: de -la région active 28 entre la jonction PN 40 et l'hétérojonction 26 est généralement comprise entre environ 0,5 et 1,5 Pm. La zone centrale 32 a généralement une conductivité du type N et contient une concentration zonale en excès de modificateursde conductivité supérieure à la concentration du fond. Cette zone centrale est généralement dopée de silicium qui est enfoui dans la région active 28 de sorte que son centre de concentration est soit contigu à la jonction PN 40 soit espacé de celle-ci et s'étend à travers l'hétérojonction 26 jusque dans la région d'absorption 24. L'étendue latérale de la zone centrale 32 est inférieure à celle de la région 38 du sommet. La région 38 est généralement composée d'un matériau semi- conducteur transmettant la lumière, tel que InP du type P, contenant un excès d'environ 1018 accepteurs/c? ayant une épaisseur comprise entre environ 3 et 3,5 P m. Le premier contact électrique 46 est généralement constitué d'un alliage or/zinc déposé par évaporation sous vide si la région du sommet est du type P et de préférence configurée de façon que la lumière entre dans le détecteur par la partie de la région du sommet se trouvant au-dessus de la zone centrale 32. Le - 8 - 2618257 second contact électrique 48 est généralement constitué d'un alliage d'or/étain déposé par évaporation sous vide si le substrat 14 a une conductivité du type N. La couche de passivation 42 est généralement constituée d'un matériau tel que SiO2, un verre au borophosphosilicate ou Si3N4 déposé en utilisant les techniques d'évaporation, de dépôt par vapeur chimique, ou de dépôt assisté par plasma. Les différentes régions du corps 12 en semi-conducteur peuvent être formées séquentiellement sur une surface du substrat en utilisant les techniques à phase liquide ou, de préférence, les techniques d'épitaxie à phase vapeur telles que celles décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 116 733 ou dans l'article GaInAsP Alloy Semiconductors, T. P. Pearsall, Editor, John Wiley & Sons (New York 1982), pages 11-41. Comme représenté en figure 3, on obtient la photodiode en formant séquentiellement la couche tampon 20, la couche 24 d'absorption de la lumière et une première partie 60 de la couche active 28 dont l'épaisseur est généralement comprise entre 0,1 et 0,3 'm. Des modificateurs de conductivité sont alors enfouis dans une surface 62 de la première partie 60, de préférence par implantation ionique, dans une partie centrale 64 jusqu'à une profondeur d'environ 0,1 lm. Comme représenté en figure 4, une seconde partie 68:de la couche active 28 est alors formée sur la surface 62 à une épaisseur comprise entre 3 et 6 im. Des modificateurs de conductivité du type opposé sont alors enfouis, typiquement par des techniques de diffusion, dans une surface 70 de la seconde partie 68 de manière à former la région 38 du sommet au- dessus de la partie centrale 66. La concentration des modificateurs de conductivité en excès dans la portion centrale 66 se déplace dans la seconde partie 68 et la région d'absorption 24 pendant les étapes ultérieures du traitement à haute température. Pour former le photoconducteur 10 de la figure 2, la -9 - région 38 du sommet est généralement déposée sur la surface de la région active 52 et les parois latérales profilées 52 sont alors formées en faisant appel aux techniques classiques de photolithographie et de gravure. Dans le fonctionnement du photodétecteur de la pré- sente invention, une tension de polarisation inverse est appliquée entre les contacts électriques. La région à épuisement située le long de la ligne A-A de la figure 1 augmente avec la tension, le champ électrique atteignant une valeur comprise entre environ 2 et 4 x 105 V/cm lorsque la région active 28 contiguë à la jonction PN 40 est totalement épuisée. Une nouvelle augmentation de la tension appliquée se traduit par l'extension de la région d'épuisement jusque dans la région d'absorption 24 o le champ électrique augmente et un champ électrique EM suffisant pour provoquer une rupture par avalanche est atteint à la jonction PN 40. Si l'on suppose une jonction PN brutale, le champ électrique de pointe EM le long de la ligne A-A de la figure 1, lorsque la région d'épuisement s'étend jusque dans la région d'absorp- tion 24 est: EM Q (NAx + No + Nt wc) o q est la charge électronique, c la constante diélectrique, NA la concentration en volume des modificateurs de conduc- tivité dans la région active 28, x l'épaisseur de la région active entre la jonction PN 40 et la surface 26 de la région d'absorption 24, NO est la concentration en modificateurs de conductivité en surface noyée dans la zone centrale 32, Nt est la concentration en volume des modificateurs de conduc- tivité et wc est l'épaisseur de la région d'épuisement dans la région d'absorption 24. No est généralement compris entre environ 1,5 et 3 x 1012/cI et de préférence entre 2 et 2,5 x 1012/cm1. Les deux premiers termes représentent le champ électrique nécessaire pour épuiser la région active 28 comportant la zone centrale 32. Par exemple, si le champ - 10O.- électrique pour la multiplication par avalanche est approxi- mativement 4,5 x 105 V/cm, le champ pour épuiser la région active 28 est alors compris de préférence entre environ 2,5 et 3,0 x 105 V/cm. Cette distribution du champ électrique est illustrée par la courbe en trait plein, ayant pour référence A, en figure 5 o les nombres en abscisse correspondent aux repères des surfaces du photodétecteur 10 en figure 1. La présence de la région centrale implantée 32 recouvrant la région d'absorption 24 provoque une augmentation du champ électrique dans unerégion étroite de la couche d'absorption immédiatement contiguë à l'hétérojonction 26. La zone périphérique contiguë à la zone centrale 32 sera aussi totalement épuisée avec l'application de la tension de polarisation inverse. Cependant, comme la zone centrale 32 n'est pas présente, le champ électrique maximum EM le long des lignes B-B de la figure 1 sera inférieur à celui exercé le long de la ligne AA et également inférieur au champ nécessaire pour la multiplication par avalanche. Le champ électrique de pointe E dans la zone périphérique p lorsque la région d'épuisement s'étend jusque dans la région d'absorption 24 est: E = q (NAX + N wp) P E A t p o wp est l'épaisseur de la région d'épuisement dans la région d'absorption 24 au droit de la périphérie. Cette distribution du champ électrique est illustrée par la courbe en tirets, référencée B-B en figure 5. La figure 6 représente la distribution des impuretés pour le photorécepteur. A partie de cette figure, il apparaitra que l'implantation de silicium formant la zone centrale 32 est diffusée à travers l'hérétojonction 26 car l'interface inférieure 33 de la zone centrale 32 est représentée comme s'étendant à travers l'hétérojonction 26. En figure 6, on a représenté une distance "d" entre le centre de la zone centrale implantée 27 et l'hétérojonction 26. Cette distance d est de préférence comprise entre environ 0 - 11 - et 0,2 pm. L'implant en silicium en 27 a une pointe quasi Gaussienne avec un écart standard d'environ 0,2 pm. Bien que cela ne soit pas complètement compris, on pense que l'implant en silicium 32 s'étendant à partir de la région active 28 à travers l'hétérojonction, et le champ plus élevé résultant au droit de l'hétérojonction, peuvent être responsables de la réponse rapide qu'on observe. Cela est différent de l'effet d'une couche quaternaire intermé- diaire 25 (voir figures 7a et 7b) en InGaAsP placée entre la région active 28 et la couche d'absorption 22. On sait que la couche quaternaire minimise la réponse lente se produisant par suite de la discontinuité dans la bande de valence à l'hétérojonction. La couche quaternaire 25 constituerait une partie de la région globale d'absorption et la zone centrale 32 s'étendrait à travers la première hétérojonction jusque dans la couche quaternaire, et pour des couches quaternaires très fines, également jusque dans la couche d'absorption 24. On pense que la combinaison de la zone centrale 22 et de la couche quaternaire 25 pourrait déboucher sur des temps de réponse plus rapides. En figure 7a, la zone centrale 32 s'étend à travers l'hétérojonction jusque dans la couche quaternaire 25. En figure 7b, la couche quaternaire est relativement fine et la zone centrale 32 s'étend à travers la couche quaternaire 25 jusque dans la couche d'absorption 24. 261l8257 - 12 - REVENDICATIONS 1. Photodétecteur à avalanche (10) comprenant un corps à semi-conducteur (12), caractérisé en ce que le corps comporte: une région d'absorption de la lumière (24) constituée d'une première couche d'absorption de la lumière d'un premier type de conductivité; une région active (28) du premier type de conductivité recouvrant la région d'absorption de la lumière et formant une hétérojonction à une interface entre la région active et la région d'absorption de la lumière; une région de sommet (38) d'un second type de conductivité recouvrant la région active formant une jonction PN à une interface entre la région du sommet et la région active; une zone centrale (32) espacée du dessous de la région du sommet dans la région active et s'étendant à travers l'hétérojonction jusque dans la région d'absorption de la lumière, la zone centrale ayant une concentration en modifi- cateurs du premier type de conductivité supérieure à celle de la région active, et la zone centrale ayant une étendue latérale inférieure à celle de la région du sommet; et des contacts électriques (46, 48) pour le corps à semi-conducteur. 2. Photodétecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la concentration en surface des modificateurs de conductivité dans la zone centrale est comprise entre environ 1,5 et 3 x 1012/cri. 3. Photodétecteur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la concentration en surface des modificateurs de conductivité dans la zone centrale est comprise entre environ 2,0 et 2,5 x 1012/cW. 4. Photodétecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la zone centrale est implantée à une distance de 0 à 0,2Pm de l'héterojonction et s'étend à travers celle- ci. - 13 - 5. Photodétecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la région d'absorption de la lumière comprend en outre une couche quaternaire (25) du premier type de conductivité placée entre la cbuche d'absorption de la lumière et la région active. 6. Photodétecteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la zone centrale s'étend jusque dans la couche quaternaire. 7. Photodétecteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la zone centrale s'étend à travers la couche quaternaire jusque dans la couche d'absorption. 8. Photodétecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un substrat (14), la région d'absorption recouvrant une surface du substrat. 9. Photodétecteur selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre une couche tampon (20) recouvrant la surface du substrat et en ce que la région d'absorption recouvre une surface de la couche tampon. 10. Photodétecteur selon la revendication 8, caracté- risé en ce que le substrat est constitué de InP du type N, la couche d'absorption est formée d'un matériau du type Y choisi dans le groupe constitué des alliages de In0,57Ga0,43As et InxGa xAsyP1ly, la région active est constituée de InP de type y et la région du sommet est constituée de InP du type P.