Brevet FR2800201A1 — publié le 20010427

DETECTEUR PHOTOVOLTAIQUE L'invention concerne un détecteur photovoltaïque et notamment un détecteur du type à structure p-i-n fonctionnant plus particulièrement dans bande de longueurs d'ondes 1,5-1,2 Nm. Un ensemble de couches semiconductrices est choisi judicieusement pour réaliser un détecteur de rayonnement electromagnétique présentant une bonne détectivité. La photodiode est une structure p-ï-n dans laquelle la zone i (non intentionnellement dopée) est la zone active (c'est-à-dire celle qui absorbe les photons à detecter. L'invention concerne un perfectionnement à ce type de photodétecteur en vue d'accroître le rapport signal/bruit. Le principe de l'invention consiste à choisir comme zone n et p des semiconducteurs de grand présentant les propriétés suivantes - pour le contact de type n : l'hétérostructure i-n présente une forte discontinuité en bande de valence (on a donc diminution des courants de diffusion de trous et donc diminution du bruit), mais ne présente pas de barrière pour les électrodes en bande de conduction (on n'a donc pas de résistance série et donc pas de perte de signal). - pour le contact de type p : l'hétérostructure p-i présente une forte discontinuité en bande de conduction (on a donc diminution des courants de diffusion d'électrons et donc diminution du bruit) mais ne présente pas de barrière pour les trous en bande de valence (on n'a donc pas de résistance série et donc pas de perte de signal). Ce type de structure est particulièrement bien adapté pour réaliser photodétecteurs pour des longueurs d'onde situées entre 1.5 et 12 microns à des températures assez élevées (au-dessus de 150 K). L'invention concerne donc un détecteur photovoltaïque comportant # un empilement d'au moins trois couches avec une couche non intentionnellement dopée ou faiblement dopée comprise entre une couche dopée p et une couche dopée n ; # des électrodes de connexion réalisées sur les couches dopées petn; # un dispositif de détection de courant connecté aux électrodes de connexion ; caractérisé en ce que # la couche dopée P présente une barrière dans la bande de conduction et n'en présente ou n'en présente quasiment pas dans la bande de valence ; # la couche dopée n présente une barrière dans la bande de valence et n'en présente pas ou n'en présente quasiment pas dans la bande de conduction. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et faite à titre d'exemple ainsi que dans les figures annexées qui représentent - figures 1 a et lb, un exemple réalisation d'un photodétecteur selon l'invention ; - figures 2a et 2b, un exemple de réalisation détaillé selon l'invention ; - figures 3, 4 et 5, des variantes réalisation selon l'invention ; - figure 6, une courbe de mesures dispositif selon l'invention. En se reportant aux figures 1 a et lb, on donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation selon l'invention. La figure 1 a représente un photodétecteur comprenant une couche 1 dopée p ; couche 2 non intentionnellement dopée ou faiblement dopée ; couche 3 dopée n ; deux électrodes 4 et 5 en contact des couches 1 et 3 ; appareil de détection connecté aux électrodes 4 et 5. La zone i (c'est-à-dire non intentionnellement dopée, ou alors plus généralement faiblement dopée par rapport aux zones et p) est la zone détectrice (ou zone active). Cela signifie que c'est la zone de plus faible gap dans toute la structure qui absorbe les photons à détecter. Un photon incident et absorbé dans cette zone créé une paire électron-trou. L'électron et le trou sont séparés et entraînés vers les zones n et p respectivement, créant un photocourant, ou signal. Toute barrière de potentiel dans la structure qui peut empêcher les porteurs d'atteindre les contacts est une source de diminution du signal, et est donc à éviter. Au sein du détecteur, des fluctuations vont apparaître dans ce signal, formant ce que l'on appelle le bruit. Une source essentielle de bruit, notamment haute température, provient du courant dit de diffusion . Ce courant provient de la diffusion de porteurs minoritaires vers un contacts (diffusion de trous de la zone active vers la barrière de type n ou diffusion d'électrons vers la barrière de type p). Cette diffusion sera d'autant plus efficace que la barrière de potentiel pour accéder au contact est faible. L'invention prévoit dans les couches 1 et 3, des discontinuités de bande de conduction et de bande de valence. Avec les couches utilisées selon l'invention, on a simultanément une diminution du bruit (par une suppression des courants de diffusion dans les deux contacts) sans concéder perte de signal. On utilise donc les hétérostructures avec les propriétés suivantes Comme cela est représenté en figure lb, pour le contact de type n, l'hétérostructure i-n présente une forte discontinuité en bande de valence (on a donc diminution des courants de diffusion de trous et donc diminution du bruit), mais ne présente pas de barrière pour les électrons en bande de conduction (on n'a donc pas de résistance série et donc pas de perte de signal). Pour le contact de type p, l'hétérostructure p-i présente une forte discontinuité en bande de conduction (on a donc diminution des courants de diffusion d'électrons et donc diminution du bruit), mais ne présente pas de barrière pour les trous en bande de valence (on n'a donc pas de résistance série et donc pas de perte de signal). La structure détectrice p-i-n de la figure 1 b montre une représentation schématique du trajet d'une paire électron-trou photocréée. Les figures 2a et 2b représentent des exemples de matériaux convenant pour cette invention. II s'agit de couches de contacts n ou p, convenant pour une couche active 2 en InAsSb. Pour la couche 1 de type p, on utilise par exemple un alliage AIGaSb. L'interface AIGaSbIInAsSb est connue pour être de type Il, c'est-à- dire que la bande de conduction d'AIGaSb et située plus haut (dans l'échelle de l'énergie des porteurs) que la bande de conduction d'InAsSb, de sorte que l'énergie la plus basse pour les électrodes en bande de conduction est dans InAsSb. En revanche, la bande de valence d'InAsSb est plus basse que celle d'AIGaSb, de telle sorte que les états fondamentaux pour les trous en bande de valence se situent dans AIGaSb. L'interface p-i entre AIGaSb et InAsSb réalise donc exactement ce que l'on cherche pour l'invention, comme cela est démontré sur la figure 2a. On a une très grande barrière en bande de conduction pour empêcher le courant de diffusion d'électrons, et aucune barrière en bande de valence pour laisser passer les trous porteurs de signal. La conception de la structure de bande de la figure 2 a été effectuée à l'aide d'un programme résolvant l'équation de Poisson dans l'hétérostructure, en considérant les discontinuités de bande interdite données dans la littérature. Le pourcentage d'AI dans la barrière d'AIGaSb peut être quelconque, on peut même prendre GaSb qui a l'avantage de la simplicité. On préférera tout de même des alliages ternaires contenant de l'Aluminium en raison de la hauteur de barriere plus grande. Plus précisément, la figure 2a représenté la jonction p-i correspondant aux couches 1 et 2 des figures 1 a et lb. Cette jonction comporte une hétérojonction entre AIGaSb (dopé p à la hauteur de 10'8 CM-3) et InAsSb non dopé. Dans cet exemple, la composition de Sb dans InAsSb est de 9 % et la composition d'Al dans AIGaSb est de 50 %. On remarque la barrière très importante pour les électrons dans la bande de conduction (blocage des électrons diffusant vers le contact p), et l'absence de barrière pour les trous en bande de valence. Les trous sont donc libres pour aller d'InAsSb (c'est-à-dire du matériau détecteur) vers le contact p AIGaSb. Par contre, les électrodes sont bloquées par la barrière de la bande de conduction. La figure 2b représente la jonction i-n correspondant aux couches 2 et 3 des figures 1 a et lb. couche 3 dopée n est en alliage AI InAsSb dopé n. La figure 2b montre de manière analogue un contact de type n avec un fort dopage dans AlInAsSb. La conséquence de ce fort dopage est l'alignement des deux bandes de conduction (dans la zone i InAsSb et dans la zone n AlInAsSb). II peut rester une très faible barrière en bande de conduction et son épaisseur est très faible quand le dopage dans la zone n est suffisant (de l'ordre de 10'8 CM-3 ou plus), de sorte qu'elle ne constitue pas une barriere pour les électrons, qui passent aisément par effet tunnel. Cette interface i-n entre AlInAsSb et InAsSb réalise donc exactement ce que l'on cherche pour l'invention. Comme cela est apparent la figure 2b, on a une barrière en bande de valence pour empêcher le courant de diffusion de trous, et pas barrière en bande de conduction pour laisser passer les électrons porteurs de signal de la zone active InAsSb vers le contact n en InAlAsSb. De manière plus détaillée, la jonction i-n peut etre réalisée par une hétérojonction entre InAlAsSb (dopé n à la hauteur de 10'$ cm-3) et InAsSb non dopé. Dans cet exemple, la composition de Sb dans InAsSb est de 9 %. On constate la barrière très importante pour les trous dans la bande de valence (blocage des trous diffusant vers le contact n) et la très faible barrière (d'importance négligeable) pour les électrons en bande de conduction. Ils sont donc libres pour aller d'InAsSb (c'est-à-dire du matériau détecteur) vers le contact InAlAsSb. Les exemples de réalisation des figures 2a et permettent donc de réaliser le photodétecteur des figures 1 a-1 b. Dans ce photodétecteur des figures 1 a-1 b, on observe un écoulement des électrons de la couche 2 (zone i) vers la couche 3 (zone n) et de trous de la couche 2 (zone i) vers la couche 1 (zone p). La figure 3 représente un autre mode de réalisation de la jonction i-n. Elle comporte une hétérojonction entre AIGaSb (dopé n à la hauteur de 10'8 CM-3 ) et InAsSb non dopé. Dans cet exemple, la composition de Sb dans InAsSb est de 9 % et la composition d'Al dans AIGaSb est de 50 %. On constate la barrière très importante pour les trous dans la bande de valence (blocage des trous diffusant vers le contact n), et la très faible barrière (d'importance négligeable) pour les électrons en bande de conduction. Ils sont donc libres pour aller d'InAsSb (c'est-à-dire du matériau détecteur) vers le contact AIGaSb dopé n. Notons qu'ici l'alliage graduel évoluant continûment entre InAsSb et AIGaSb a été placé entre les deux, afin d'adoucir l'interface, et notamment de supprimer complètement la faible barrière dans la bande de conduction. Cette composition graduelle peut être obtenue de la manière suivante : En 50 nm d'épaisseur, la concentration d'In passe de 100 % à 0 %, celle de AI et de Ga, de 0 à 50 %, celle de Sb de 9 à 100 % et celle d'As de 91 à 0 %. Selon une autre variante non représentée sur les figures, on peut prévoir un superréseau AISb/InAs dopé n. Un superréseau AISbIInAs est une succession de couches minces d'AISb et d'InAs (de quelques nanomètres). Dans ce genre de structure multicouche, on observe la création bandes d'énergie permises en bande de conduction et en bande de valence, dont la valeur dépend des épaisseurs des couches constituant le superréseau. Pour l'application nous intéresse ici (contact de type n), on peut alors assimiler le superréseau à un matériau artificiel avec une bande interdite nouvelle qui lui est propre. L'association avec la couche détectrice InAsSb mène donc à une hétérojonction avec une forte discontinuité en bande de valence, de manière analogue au schéma de la figure 3. C'est encore le fort dopage n dans le superreseau de contact qui déporte la totalité de la discontinuité de bande dans la bande de valence et qui efface la barrière dans bande de conduction. On a donc là encore l'effet recherché, suivant le schéma général de la figure 1 b. Exemple expérimental Une photodiode selon l'invention a été réalisée expérimentalement avec un empilement de couches suivantes (voir figure 6) Composition Do a e E aisseur Substrat Gasb Buffer GaSb :Be, dopé 10'8cm-3 500 nm AIGaSb, 42 % d'AI, dopé p 113 nm (entre GaSb et AIGaSb, transition 2.10'ecm-3 (Exemple 1) graduelle) AlInAsSb :Si, 15 % d'AI, 9 % d'Sb (non 20 nm do é InAsSb, 9 % d'Sb, non dopé 0 500 nm (zone active AlInAssb :Si, 15 % d'AI, 9 % d'Sb, dopé n 10 18 cm-3 - 20 nm (exemple 2 Les valeurs des résistances sous tension nulle de ce dispositif ont été mesurées. Nous avons ainsi mesuré des résistances à tension nulle (ROA) de l'ordre de 30 n.cm'2 à 250 K. La figure 6 représente des résultats de ces mesures de résistance en fonction de la température. REVENDICATIONS 1. Détecteur photovoltaïque comportant # un empilement d'au moins trois couches avec une couche (2) non intentionnellement dopée ou faiblement dopée comprise entre une couche (1) dopée p et une couche (3) dopée n ; # des électrodes de connexion (4, 5) réalisées sur les couches (1, 3) dopées p et n ; # un dispositif de détection de courant (6) connecté aux électrodes de connexion (4, 5) ; caractérise en ce que # la couche (2) dopée p présente une barrière dans la bande de conduction et n'en présente pas ou n'en présente quasiment pas dans la bande de valence ; la couche (3) dopée n présente une barrière dans la bande de valence et n'en présente pas ou n'en présente quasiment pas dans la bande de conduction. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (2) non intentionnellement dopée est en InAsSb, la couche (1) dopée p est en AIGaSb et la couche (3) dopée n est en InAlAsSb. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau à composition variant graduellement l'interface entre la couche de matériau non intentionnellement dopée et la couche de matériau dopée n. 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (3) dopée n comporte, à son interface avec la couche (2) non intentionnellement dopée, un empilement de couches dopées n formant superréseau. 5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'empilement de couches comporte une alternance de couches en AISb et de couches InAS.