Brevet FR2855654A1 — publié le 20041203

DETECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES AVEC SURFACE DE COUPLAGE OPTIQUE COMPRENANT DES MOTIFS LAMELLAIRES Le domaine de l'invention est celui des détecteurs d'ondes électromagnétiques en matériau semiconducteur et notamment à structure à multipuits quantiques, particulièrement adaptés au domaine infrarouge. Les progrès rapides de la croissance par épitaxie sur substrat de 5 type GaAs ont permis le développement d'une nouvelle classe de détecteurs d'ondes électromagnétiques utilisant l'absorption d'un rayonnement autour d'une longueur d'onde lambda, correspondant à la transition d'électrons entre différents niveaux d'énergie au sein d'une même bande ou entre bande de valence et bande de conduction. Le schéma de la figure 1 illustre ce type 10 de transition. L'évolution récente des performances de ce type de composants est liée en particulier à la réalisation relativement facile de multicouches de semiconducteurs à hétérojonctions dans le système standard de l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), c'est-à-dire le système GaAs/Ga(l1_x)AAI xAs. En 15 ajustant les paramètres de croissance, l'épaisseur des puits quantiques et le pourcentage x en Aluminium dans les barrières imposant le potentiel de confinement, on peut choisir de centrer une bande étroite (environ 1 micron) de détection sur une longueur d'onde donnée. Ce type de structure présente l'intérêt de fournir de très bonnes 20 sensibilités en raison de la discrétisation des niveaux d'énergie au sein des bandes de conduction des matériaux photoconducteurs utilisés. Dans le contexte des transitions intersousbandes, pour que ce type de transition soit possible il est nécessaire que le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente ait une composante le long de la direction 25 de croissance des couches, soit selon la direction D indiquée en figure 1, direction perpendiculaire au plan des couches. La conséquence de cet effet physique est qu'un détecteur présente pas ou peu d'absorption dans le cas d'une illumination à incidence normale. Il a déjà été proposé d'utiliser des moyens de couplage de type 30 réseau de diffraction (cf Goossen et Lyon, APL 47(1985), p1257-1259) pour générer ladite composante perpendiculaire en créant des rayonnements diffractés. Notamment des réseaux lamellaires (1D) ou échelettes, qui ne permettent que de coupler une seule polarisation de la lumière. Mais aussi des réseaux croisés de diffraction sont connus pour coupler les différentes composantes de champ électrique d'un rayonnement incident comme illustré en figure 2. Le réseau matriciel Rij permet de diffractrer le rayonnement incident aussi bien selon la direction Dx que selon la direction Dy. 5 L'inconvénient majeur de ce type de structure matricielle réside dans la profondeur pr pour des motifs de diffraction qui sont généralement réalisés au sein d'une couche d'encapsulation CE, ce qui protège la structure à multipuits quantiques MPQ comme illustré en figure 3. Pour résoudre ce problème la présente invention propose d'utiliser 10 des motifs lamellaires avec une architecture de motifs permettant néanmoins de diffracter un rayonnement incident dans les différentes directions d'un plan parallèle au plan de la structure à multipuits quantiques. Plus précisément la présente invention a pour objet un détecteur comprenant une structure à multipuits quantiques fonctionnant sur des 15 transitions interbandes ou intersousbandes par absorption d'un rayonnement autour d'une longueur d'onde lambda et comprenant des moyens de couplage optique dudit rayonnement, caractérisé en ce que: Les moyens de couplage comprennent un ensemble de premiers motifs lamellaires diffractifs, distribués selon au moins une première direction 20 et un ensemble de seconds motifs lamellaires diffractifs distribués selon au moins une seconde direction, lesdites première et seconde directions étant perpendiculaires entre elles et situées dans un plan parallèle au plan de la structure à multipuits quantiques. De manière générale, I'invention a pour objet de renforcer le 25 champ électromagnétique sous forme de modes optiques au niveau de la couche active et peut donc être appliquée aux transitions intersousbandes ou aux transitions interbandes. Avantageusement le détecteur peut comprendre des premiers motifs ayant des surfaces de dimensions équivalentes aux dimensions des 30 surfaces des seconds motifs lamellaires. Selon une variante de l'invention les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires sont distribués de manière à former des carrés ou des rectangles concentriques. Selon une seconde variante de l'invention les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires sont distribués autour d'un centre de symétrie avec une répartition en quatre quadrants. Selon une troisième variante de l'invention, les premiers motifs et 5 les seconds motifs sont distribués de manière radiale selon des premières et des secondes directions perpendiculaires entre elles. Avantageusement le détecteur selon l'invention peut comprendre un empilement de couches réalisé à la surface d'un substrat, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches 10 externes, les motifs lamellaires étant gravés au sein d'une couche externe. Selon une variante de l'invention, I'empilement des couches est un empilement de couches de type GaAs, GaAIAs dopées, le substrat étant de type GaAS non dopé. Selon une variante de l'invention, la structure à multipuits 15 quantiques est composée d'une alternance de couches de GaAs dopé et de couches de GaAIAs dopé, les couches externes étant des couches de contact ohmique à base de GaAs plus fortement dopé que celles constitutives de la structure à multipuits quantiques. Selon une variante de l'invention, le détecteur comprend un 20 substrat transparent à la longueur d'onde du rayonnement incident et une couche réflectrice à ladite longueur d'onde, ladite couche réflectrice étant à la surface des motifs lamellaires, de manière à faire fonctionner le détecteur en réflexion. Avantageusement la profondeur de gravure peut être de l'ordre de 25 lambda/ 4 au lieu de lambda/2, selon la théorie des réseaux connue par l'homme de l'art et décrite notamment dans " Electromagnetic Theory of Gratings " de R. Petit qui montre que la profondeur de gravure doit être double dans le cas d'un réseau croisé (2D) par rapport à un simple réseau lamellaire (1 D). Du point de vue industriel, diminuer l'épaisseur des couches 30 à graver permettra de réduire les temps et les coûts de fabrication mais augmentera également les rendements de production. L'invention a aussi pour objet un détecteur matriciel caractérisé en ce qu'il comprend une matrice d'éléments unitaires détecteurs, chaque élément unitaire détecteur comportant un empilement de couches, ledit 35 empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les premiers motifs et les seconds motifs lamellaires étant gravés au sein d'une couche externe, lesdits éléments unitaires détecteurs étant réalisés à la surface d'un substrat commun. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 5 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: * La figure 1 illustre une structure à multipuits quantiques selon l'art connu. * La figure 2 illustre un détecteur à multipuits quantiques 10 possédant des moyens de couplage optique de type réseau matriciel de diffraction, selon l'art antérieur. * La figure 3 illustre une vue en coupe d'un détecteur à multipuits quantiques dans lequel le réseau matriciel de diffraction est réalisé au sein d'une couche d'encapsulation, 15 selon l'art antérieur. * La figure 4 illustre une structure de couplage optique dans laquelle les motifs lamellaires sont distribués de manière concentrique, utilisée dans une première variante de détecteur selon l'invention. * La figure 5 illustre une vue en coupe du détecteur illustré en figure 4. * La figure 6 illustre une structure de couplage optique dans laquelle les motifs lamellaires sont distribués selon quatre quadrants, utilisée dans une seconde variante de détecteur 25 selon l'invention. * La figure 7 illustre une vue en coupe du détecteur illustré en figure 6. * La figure 8 illustre une structure de couplage optique dans laquelle les motifs lamellaires sont distribués de manière 30 radiale * La figure 9 illustre un exemple de détecteur matriciel selon l'invention. De manière générale, le détecteur selon l'invention comprend des motifs lamellaires selon deux directions orthogonales entre elles et situées 35 dans un plan parallèle au plan des couches constitutives de la structure à multipuits quantiques. Pour des raisons de symétrie, il est préférable que la première surface totale correspondant à l'ensemble des surfaces des premiers motifs lamellaires selon une première direction soit égale à la seconde surface totale correspondant à l'ensemble des surfaces des seconds motifs lamellaires. Selon une première variante de l'invention, les motifs lamellaires sont répartis de manière concentrique comme illustré en figure 4, les traits noirs représentant les motifs gravés. Ainsi les premiers motifs lamellaires Mpi sont disposés selon une 10 première direction Dx avec un pas de réseau P dépendant de la longueur d'onde lambda et de l'indice moyen n de la structure à multipuits quantiques (P = Lambda / n), et les seconds motifs lamellaires Msj sont disposés selon une seconde direction Dy, perpendiculaire à la direction Dx, avec le même pas de réseau P. Selon celle variante de l'invention il existe des paires de 15 premiers motifs et de seconds motifs de dimensions égales qui forment des carrés concentriques. Plus précisément comme représenté sur la figure 4, le motif Mpl a les mêmes dimensions que le motif Ms1. Selon cette configuration, on a une série de premiers motifs lamellaires de dimensions variables et une série de seconds motifs lamellaires également de 20 dimensions variables, la surface totale des premiers motifs étant égale à la surface de l'ensemble des seconds motifs lamellaires. Pour la réalisation de cette architecture de couplage, le détecteur selon l'invention peut être de manière classique réalisée à la surface d'un substrat en matériau semiconducteur S. Un assemblage de couches 25 constituant un contact ohmique dit inférieur Ci en matériau semiconducteur fortement dopé est déposée à la surface du substrat. Ce contact ohmique supporte l'ensemble des couches semiconductrices constitutives de la structure à multipuits quantiques MPQ, celle-ci est en contact avec un assemblage de couches constituant un contact ohmique dit supérieur Cs, la 30 détection étant assurée entre les deux contacts ohmiques. Avantageusement les motifs lamellaires peuvent être gravés dans la couche de contact ohmique comme illustré en figure 5 qui représente une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à la direction Dy, des seconds motifs lamellaires Msj. Selon une seconde variante de l'invention, les motifs lamellaires 35 peuvent être répartis comme illustré en figure 6 de manière à conserver des propriétés équivalentes en terme de couplage optique selon l'ensemble des directions comprises dans un plan parallèle au plan de la structure à multipuits quantiques et obtenir des surfaces de diffraction équivalentes pour les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires, les 5 premiers motifs et les seconds motifs sont disposés selon quatre quadrants et autour d'un centre de symétrie O. De même que dans la première variante de l'invention, le détecteur selon cette seconde variante peut être réalisé à la surface d'un substrat semiconducteur, par empilement de couches semiconductrices pour 10 former l'ensemble des couches de contact et l'ensemble des couches constitutives de la structure à multipuits quantiques. Les motifs lamellaires peuvent être réalisés au sein de la couche de contact dite supérieur Cs. La figure 7 illustre une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à la direction Dy. Selon une troisième variante de l'invention, les motifs lamellaires peuvent être répartis comme illustré en Figure 8 de façon radiale. Dans cette configuration, les premiers motifs sont disposés le long de premières directions Dix, Di+lx, et les seconds motifs sont disposés le long de secondes directions Diy, Di+ly, les directions Dix, Di+lx et Diy, Di+ly étant 20 perpendiculaires entre elles. La description ci-dessus a montré des configurations de couplage optique pour un détecteur élémentaire qui peuvent être avantageusement appliquées dans le cadre d'un détecteur matriciel comportant des éléments unitaires, chacun de ces éléments unitaires comportant en surface des 25 moyens de couplage optique comprenant des motifs lamellaires de diffraction selon les directions Dx et Dy. La figure 9 illustre un exemple de détecteur matriciel selon l'invention dans lequel l'ensemble des élémentaires unitaires sont réalisés à la surface d'un substrat commun avec une couche de contact ohmique 30 également commune. Pour réaliser cette architecture, on procède de la manière suivante: - Sur un substrat transparent aux longueurs d'onde auxquelles est sensible le détecteur, on réalise une première couche de 35 contact ohmique Ci également transparente. - Sur cette couche de contact ohmique, on réalise un empilement de couches constitutives de la structure à multipuits quantiques. - On procède au dépôt de la seconde couche de contact ohmique Cs. - On grave les motifs lamellaire au sein de la couche Cs. - On procède à la définition des éléments unitaires de détection en gravant l'ensemble des couches jusqu' à la surface de la couche de contact inférieur Ci. 10 - Sur le détecteur matriciel ainsi obtenu, on peut avantageusement procéder au dépôt d'une couche d'encapsulation. Exemple de réalisation Nous allons décrire un exemple de détecteur selon l'invention, fonctionnant dans le domaine infrarouge et plus particulièrement adapté aux domaines 8-12 microns: Sur un substrat en GaAs intrinsèquement non dopé , on réalise le dépôt de la couche de contact ohmique inférieur en GaAs dopé Si avec un 20 taux de dopage de 5. 10 18 cm -3 et une épaisseur typiquement de 2 microns. La structure à multipuits quantiques est réalisée par l'empilement de 50 puits composé d'une couche de GaAs dopée Si avec une concentration en porteurs de charge de 5. 10 18 cm -3 d'épaisseur 5 nm, insérée entre deux couches barrières constituées de Ga 0,75 AI 0,25 As 25 d'épaisseur 50 nm. La couche de contact supérieur est identique à la couche de contact inférieur et présente également une épaisseur de 2 microns; Les motifs lamellaires sont réalisés au sein de cette couche de contact supérieur. Pour obtenir les effets diffractants recherchés à une longueur d'onde de fonctionnement de 9 microns, les profondeurs de gravure sont de 0.7 micron et le pas des motifs est de 2,7 microns ( I'indice moyen de la structure étant de 3,3 microns à 9 microns). Le taux de remplissage de la surface de la couche de contact supérieur est typiquement de l'ordre de 50%. REVENDICATIONS 1. Détecteur comprenant une structure à multipuits quantiques fonctionnant sur des transitions interbandes ou intersousbandes par absorption d'un rayonnement à une longueur d'onde lambda et comprenant des moyens de couplage optique dudit rayonnement, caractérisé en ce que: 5 les moyens de couplage comprennent un ensemble de premiers motifs lamellaires diffractifs (Mpi), distribués selon au moins une première direction (Dx) et un ensemble de seconds motifs lamellaires diffractifs (Msj) distribués selon au moins une seconde direction (Dy), lesdites première et seconde directions étant perpendiculaires entre elles et situées dans un plan 10 parallèle au plan de la structure à multipuits quantiques. 2. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires ont des surfaces de dimensions similaires 3. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires sont distribués de manière à former des rectangles ou des carrés concentriques. 20 4. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que les premiers motifs lamellaires et les seconds motifs lamellaires sont distribués autour d'un centre de symétrie (O) selon une répartition en quatre quadrants. 5. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de couches réalisé à la surface d'un substrat, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les motifs 30 lamellaires étant gravés au sein d'une couche externe. 6. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 5, caractérisé en ce que la profondeur de gravure des motifs lamellaires est de l'ordre de lambda /4. 7. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'empilement des couches est un empilement de couches de type GaAs, GaAIAs dopées, le substrat étant de type GaAS non dopé. 8. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure à multipuits quantiques est composée d'une alternance de couches de GaAs dopé et de couches de GaAIAs dopé, les couches externes étant des couches de contact ohmique à base de GaAs plus fortement dopé que celles constitutives de la structure à multipuits 15 quantiques. 9. Détecteur d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat transparent à la longueur d'onde du rayonnement incident et une couche 20 réflectrice à ladite longueur d'onde, ladite couche réflectrice étant à la surface des motifs lamellaires, de manière à faire fonctionner le détecteur en réflexion. 10. Détecteur matriciel caractérisé en ce qu'il comprend une 25 matrice d'éléments unitaires détecteurs selon l'une des revendications précédentes, chaque élément unitaire détecteur comportant un empilement de couches, ledit empilement comprenant la structure à multipuits quantiques et des couches externes, les motifs lamellaires étant gravés au sein d'une couche externe, lesdits éléments unitaires détecteurs étant réalisés à la 30 surface d'un substrat commun.