Brevet FR2939967A1 — publié le 20100618

Détecteur infrarouge à réponse spectrale étendue dans le visible Le domaine de l'invention est celui des détecteurs infrarouge et plus particulièrement celui des matrices de détecteurs infrarouge à multipuits quantiques, conçus notamment pour être exploités dans des systèmes optroniques. L'invention concerne plus précisément des photodétecteurs de type diodes PIN dans le domaine � SWIR � (Short Wavelength Infrared Detector), typiquement, il s'agit de longueurs d'onde inférieures à environ 2,5 pm. On définit classiquement les différents domaines de détection infrarouge comme suit : les détecteurs du domaine SWIR, ceux du domaine � MWIR � (Middle Wavelength Infrared Dectector) dans la gamme 3-5 pm et ceux du domaine � LWIR � (Long Wavelength Infrared Detector) dans la gamme de longueurs d'onde 8-12 pm. Il existe actuellement des détecteurs infrarouge constitués de photodiodes PIN destinées à la détection infrarouge de type � SWIR � pouvant être réalisées à partir d'une couche active non dopée en In1,GaXAs contactée par deux couches dopées respectivement n et p, en InP. Plus particulièrement, il a déjà été proposé des diodes PIN avec des matériaux de type HgCdTe ou In.47Ga.53 As comme couche active dans ce domaine de longueurs d'onde, pour lesquels la largeur de bande interdite définit de manière intrinsèque, la longueur d'onde de coupure haute Àc (cutoff). Ces détecteurs n'ont pas de longueur d'onde de coupure basse (cut-on) et doivent donc détecter tout le spectre électromagnétique en deçà de Àc, et en particulier le rayonnement visible. L'invention concerne l'extension en longueur d'onde du domaine de détection spectrale de ces détecteurs, qui est généralement limité par le gap de la couche active (Àcut_off) et par l'absorption du substrat et/ou de la couche fenêtre résiduelle (Àcut_on). De manière générale, les détecteurs infrarouge de type diode PIN sont des détecteurs matriciels hybridés sur un circuit de lecture silicium multiplexés qui nécessitent une illumination par la face arrière, à travers la couche de contact inférieur. La couche de contact inférieur (couche généralement semi-conductrice dopée n) est une couche dite fenêtre pour le rayonnement SWIR à détecter mais absorbe le rayonnement visible, diminuant ainsi la part du flux incident qui peut être absorbée dans la couche utile de la diode (zone non dopée). En général, les différents matériaux utilisés sont des semiconducteurs à gap direct, avec des coefficients d'absorption très supérieurs à 104cm-1 dans cette partie du spectre. Typiquement pour une diode PIN à base de InP, à une longueur d'onde de fonctionnement À = 0,6 pm, la valeur du coefficient d'absorption est de 6.7 104cm-'. Ceci limite considérablement le rayonnement incident dans la zone active. En effet, l'épaisseur de cette couche doit être suffisante pour assurer un contact homogène (typiquement cette épaisseur doit être au moins supérieure à environ 300 nm), ce qui conduit déjà à une extinction de 86%. La figure la illustre un schéma de diode PIN très général, la figure lb illustrant une diode PIN selon l'art connu en GalnAs/InP. De manière générale, une zone active 13 en matériau semiconducteur non dopé est insérée entre une couche 12 en matériau semiconducteur dopé n et une couche 14 en matériau semiconducteur dopé p, l'ensemble étant intégré entre une électrode inférieure 11 et une électrode supérieure 15. Un exemple de structure est illustré en figure 1 b. Une électrode en face arrière 21 supporte un substrat 221 en InP dopé N+ recouvert d'une couche 222 en InP dopé N+. La couche active de détection 23 est en InGaAs. La couche active est recouverte d'une couche 24 en InGaAs (Zn) dopé p+. Un contact 25 en Ti/Au est réalisé au dessus de cette couche dopée p+. Des exemples de dimensions sont représentés sur cette figure lb. Une solution actuellement retenue pour réaliser ce type de détecteurs infrarouge consiste d'une part à éliminer le substrat et d'autre part surtout à limiter une partie de l'épaisseur de la couche de contact. En raison de la fonction électrique de cette couche de contact, il n'est pas possible de la réduire suffisamment, car il faut assurer un contact homogène. Pour une valeur "raisonnable" de l'ordre de 200 nm, le facteur d'extinction est déjà de 74% dans un matériau tel que InP à 0.6pm. En pratique, l'efficacité quantique d'une photodiode GalnAs/InP optimisée est de 85% dans le SWIR et seulement de 30% à 0.6pm et devient proche de 0 à 450 nm. A ce titre, la figure 2 illustre la réponse spectrale d'un exemple d'un détecteur de type Goodrich. La courbe 2a est relative à la réponse d'un détecteur étendu dans le domaine du visible, la courbe 2b est relative à la réponse du détecteur standard dans le domaine du SWIR. Pour limiter de manière notable le phénomène d'absorption de la couche de contact inférieur dans le domaine visible, source de diminution de performance du détecteur en raison de la diminution de la part de flux incident pouvant être absorbée par la couche sensible, il est proposé dans la présente invention de réaliser un contact électrique en matériau à gap indirect, remplaçant ainsi avantageusement le contact inférieur électrique en matériau à gap direct actuellement utilisé dans les détecteurs infrarouge du domaine � SWIR �. Dans la famille des matériaux semiconducteurs, la notion de gap direct et de gap indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique du matériau semiconducteur concerné, donnant le diagramme de l'énergie E en fonction du vecteur d'onde k. Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Ces extrema représentent, dans un matériau semiconducteur des domaines énergétiques où la densité de porteurs de type p pour la bande de valence et de porteurs de type n pour la bande de conduction, sont importants. On parle de semiconducteur à gap direct, pour un semiconducteur dont le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situent à une valeur voisine du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k). On parle de matériau semiconducteur à gap indirect, pour un semiconducteur dont le maximum de bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situent à des valeurs distinctes du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k). Il est à noter que la plupart des matériaux issus des colonnes III et V du tableau périodique des éléments chimiques sont des matériaux à gap direct, alors que le silicium appartenant à la colonne IV du tableau périodique des éléments chimiques est à gap indirect. Plus précisément la présente invention a pour objet un détecteur infrarouge à base de matériaux semiconducteurs, de type SWIR sensible à des longueurs d'onde inférieures à environ 2.5 microns comportant un empilement de couches semiconductrices à base de matériaux III-V constituant une photodiode de type PIN, ledit empilement comprenant au moins : - un contact électrique dit inférieur ; - une couche de détection sensible auxdites longueurs d'ondes ; caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une couche ~o de matériau III-V à gap indirect dopée n qui présente un paramètre de maille compatible avec celui du substrat constitué d'un matériau III-V de type InP (ou GaAs) ou d'un matériau de type IV de type silicium (ou Ge). Selon une variante de l'invention, la couche de détection est en GaInAs. 15 Selon une variante de l'invention, le contact dit inférieur comporte un alliage à base de (Al,As,Sb). Selon une variante de l'invention, le contact dit inférieur comporte un alliage de AlAs 0,563 Sb 0,437. Selon une variante de l'invention, le contact dit inférieur comporte au 20 moins une alternance de couches de type (AI,Ga)AsSb/(AI,Ga)InAs ou plus précisément AIxGai_xAstSb1_t I (Al Gai_y)1_ZInZAs. Selon une variante de l'invention, l'alternance de couches constituant le contact dit inférieur comporte au moins une dizaine de paires de couches de type (Al,Ga)AsSb (AIxGai_xAstSbi_t)et de type (AIGa)InAs ((AlyGa1_y)1_ZInZAs). 25 Selon une variante de l'invention, le détecteur infrarouge comporte en outre une couche d'adaptation de bande de conduction entre le contact dit inférieur et la couche sensible. Selon une variante de l'invention, la couche d'adaptation comporte un ensemble de couches élémentaires d'adaptation comprenant une 30 alternance de couches de type (AI,Ga)AsSb/(AI,Ga)InAs. Selon une variante de l'invention, la couche de détection est en GaAs (X L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge de type SWIR selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : la réalisation à la surface d'un substrat de type InP, d'un contact électrique dit inférieur comprenant au moins une couche à gap indirect ; - la réalisation d'une couche de détection à la surface du contact électrique dit inférieur ; la réalisation d'une couche en matériau semiconducteur dopé p et ~o d'un contact électrique dit supérieur ; le retrait dudit substrat de l'empilement préalablement réalisé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce 15 aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures la et lb illustrent un schéma général de diode PIN et celui d'une diode en GaInAs/lnP selon l'art connu ; la figure 2 illustre la réponse spectrale d'un détecteur de type Goodrich de l'art connu correspondant à la structure illustrée en 20 figure lb; la figure 3 illustre l'évolution de l'absorption en fonction de la longueur d'onde pour différents type de matériaux semiconducteurs InP, GaAs, AI03Gao.7As (à gap direct) et Si, AIAs, Al 0.7Ga 0.3As (gap indirect) ; 25 la figure 4 illustre le gap d'énergie en fonction du paramètre de maille pour différents alliages de matériaux semiconducteurs susceptibles d'être utilisés dans un détecteur infrarouge de l'invention ; la figure 5 illustre un schéma d'un super-réseau AIAsSb/lnGaAs 30 constituant un contact électrique inférieur en accord de maille avec un substrat InP selon l'invention ; la figure 6 illustre un schéma de bandes d'une diode SWIR selon invention ; - la figure 7 illustre un exemple de plan focal de détection selon 35 l'invention. De manière générale, le détecteur infrarouge de la présente invention comprend un contact électrique dit inférieur servant de fenêtre au rayonnement à détecter. Ce contact comprend des couches constituées de matériau à gap indirect, soit en totalité soit partiellement en vue de réduire leur coefficient d'absorption dans le visible. En effet l'efficacité des transitions optiques dans un semiconducteur à gap indirect est moins forte que dans le cas des semiconducteurs à gap direct, si on reste en deçà du spectre UV. A titre d'exemple pour des matériaux semiconducteurs tels que InP ou GaAs, à gap direct, le coefficient d'absorption est respectivement de 6.7 104cm-' et 4.7 104cm"' à 0.6pm, alors que ce coefficient est égal à 4103cm-1 pour le silicium, matériau semiconducteur à gap indirect. La figure 3 illustre l'évolution de l'absorption en fonction de la longueur d'onde pour différents matériaux semiconducteurs InP, GaAs, AI.3Ga77As à gap direct (courbes pleines 3a, 3b, 3c) et Si, AIAs, AI 0.7Ga 0,3As à gap indirect (courbes pointillées 3d, 3e, 3f). Exemple de réalisation d'un détecteur IR fonctionnant dans le domaine � SWIR �. Le détecteur infrarouge est réalisé à partir d'un substrat en InP comportant au moins le contact dit inférieur, la couche sensible au rayonnement à détecter et une couche de matériau semiconducteur dopée p et un contact dit supérieur. Le substrat est retiré dans un second temps, pour laisser à nu le contact dit inférieur destiné à servir de fenêtre optique. Dans la colonne des matériaux III-V, certains matériaux possèdent un gap indirect et sont accordés en maille avec un substrat de type InP, afin de garantir un matériau non contraint et/ou avec une densité de défauts compatible de la fabrication de matrices de détecteurs multi-éléments (comportant typiquement au moins 100 000 pixels). Parmi ces matériaux, on trouve notamment le matériau AIAs0.563Sb0.437: pour des raisons métallurgiques, il est plus facile de faire croître un "pseudo-alliage" (AI,Ga)AsSb/(AI,Ga)InAs que le matériau AIAsSb massif ; pour adapter les bandes de conduction de la couche contact et de la couche active, il est possible également d'utiliser une couche graduelle de "pseudo-alliage" (Al,Ga)AsSb/(AI,Ga)InAs, qui assure la même fonction que celle d'une couche d'adaptation standard en GaInAsP. La figure 4 illustre l'évolution de l'énergie du gap entre bande de 10 valence et bande de conduction en fonction du paramètre de maille pour différents matériaux semiconducteurs III-V. Selon une variante de l'invention, il est proposé de réaliser ainsi des pseudo-alliages en utilisant des super-réseaux constitués de couches AlAsSb et GaInAs accordés en maille sur le substrat InP, en faisant varier la 15 proportion relative des deux matériaux pour reproduire le profil de bande standard. Ces super-réseaux sont à gap direct ou indirect selon leur composition. Le résultat est une couche contact dont une partie seulement 20 demeure à gap direct, ce qui conduit à en diminuer le coefficient global d'absorption. La figure 5 illustre un schéma d'un super-réseau AIAsSb/InGaAs en accord de maille sur InP utilisé dans cet exemple de détecteur selon l'invention. 25 Sur un substrat 50 en InP, on réalise une couche intermédiaire 51 dite d'adaptation en GaInAsP. A la surface de cette couche on réalise la structure dite super-réseau SL comportant une alternance de paires 521 et 522 de couches en (Al,Ga)AsSb et en (Al,Ga)InAs, la structure comportant typiquement une vingtaine de paires SL de couches, l'épaisseur totale de la 30 structure dite super-réseau étant de 330 nm. A la surface de cette structure est réalisée la couche active 53 en GaInAs, puis la couche contact supérieur 54 en InP dopée p+. Afin d'obtenir un pseudo-alliage possédant un gap indirect, la couche d'adaptation de GaInAsP peut être remplacée par de I'(AI,Ga)lnAs. Les épaisseurs des puits et des barrières sont à ajuster afin d'obtenir un pseudo-alliage et non l'empilement de deux matériaux. Pour adapter les bandes de conduction de la couche contact et de la couche active, les compositions des couches peuvent être modifiées de 5 période en période. La figure 6 illustre un schéma de bande de conduction BC et de bande de valence BV, d'un exemple de détecteur de type SWIR comportant respectivement un substrat 60 en InP dopé n, une structure de super-réseaux à base de AIGaInAsSb dopé n, 621/622, d'une couche active non 10 dopée 63 de GalnAs et d'une couche supérieure 64 InP dopée p. Il suffit, après la croissance et la fabrication d'une matrice et après l'assemblage d'un plan focal (le plan focal étant défini de manière connue par l'ensemble hybride constitué par une matrice de pixels et un multiplexeur ou circuit de lecture silicium) d'éliminer le substrat d'InP pour obtenir un plan 15 focal SWIR, dont l'efficacité quantique est préservée jusque dans le domaine des longueurs d'onde visible (soit jusqu'à environ 0.4 pm). La figure 7 donne un exemple de réalisation d'un tel assemblage hybride constituant un plan focal de détection. De manière connue, un substrat 70 de type InP supporte les pixels 20 actifs 73 identiques à ceux décrits en figure 5, via des contacts non représentés et sont solidarisés à une matrice de lecture 78 par l'intermédiaire de billes d'Indium 77; et 77i . Le contact de type N est repéré par la référence 71, et peut avantageusement être connecté à une bille d'indium via un élément métallique 72. 25 Exemple de détecteur infrarouge fonctionnant dans le domaine NIR (longueur d'onde de coupure 7L.c.-- 0.9pm) Le détecteur infrarouge comporte une couche sensible en InP ou en 3o GaAs. Dans le cas d'un détecteur sur substrat InP, le contact dit inférieur est avantageusement réalisé avec un matériau à gap indirect du type (AlGaln)(AsSb) décrit plus haut dans l'invention. Dans le cas d'un détecteur sur substrat GaAs, le contact dit inférieur 35 est avantageusement réalisé avec un matériau à gap indirect de type AIXGa1_XAs, avec x compris entre 0,42 et 1. Pour des fractions molaires inférieures, l'alliage est un matériau à gap direct présentant une trop forte absorption.5 REVENDICATIONS1. Détecteur infrarouge à base de matériaux semiconducteurs, de type SWIR sensible à des longueurs d'onde inférieures à environ 2.5 microns comportant un empilement de couches semiconductrices à base de matériaux III-V constituant une photodiode de type PIN, ledit empilement comprenant au moins : - un contact électrique dit inférieur ; - une couche de détection sensible auxdites longueurs d'ondes ; caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une couche de matériau III-V à gap indirect dopée n qui présente un paramètre de maille compatible avec celui du substrat constitué d'un matériau III-V de type InP (ou GaAs) ou d'un matériau de type IV de type silicium (ou Germanium). 2. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de détection est en GaInAs. 3. Détecteur infrarouge selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que le contact dit inférieur comporte un alliage à base de (Al,As,Sb). 4. Détecteur infrarouge selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte un alliage de AlAs 0,563 Sb 0,437. 25 5. Détecteur infrarouge selon la revendication 3, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une alternance de couches de type (AI,Ga)AsSb/(AIGa)InAs. 6. Détecteur infrarouge selon la revendication 5, caractérisé en ce 30 que l'alternance de couches comporte au moins une dizaine de paires de couches de type (Al,Ga)AsSb et de type (AlGa)InAs. 7. Détecteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche d'adaptation de bande 35 de conduction entre le contact dit inférieur et la couche sensible. 8. Détecteur infrarouge selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d'adaptation comporte un ensemble de couches élémentaires d'adaptation comprenant une alternance de couches de type (AI,Ga)AsSb/(AI,Ga)InAs. 9. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de détection est en GaAs. 10. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de détection est en InP. 11. Détecteur infrarouge selon la revendication 9, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une couche d'alliage 15 Al )(Ga 1_x As avec x compris entre 0,42 et 1. 12. Détecteur infrarouge selon la revendication 10, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte un alliage à base de (AI,As,Sb). 20 13. Détecteur infrarouge selon la revendication 10, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte un alliage de AlAs 0,563 Sb 0,437. 14. Détecteur infrarouge selon la revendication 10, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une alternance de couches de 25 type (AI,Ga)AsSb/(AIGa)InAs. 15. Détecteur infrarouge selon la revendication 10, caractérisé en ce que le contact dit inférieur comporte au moins une dizaine de paires de couches de type (Al,Ga)AsSb et de type (AIGa)InAs. 30 16. Procédé de fabrication d'un détecteur infrarouge de type SWIR selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : la réalisation à la surface d'un substrat de type InP, d'un contact électrique dit inférieur comprenant au moins une couche à gap indirect ; la réalisation d'une couche de détection à la surface du contact électrique dit inférieur ; la réalisation d'une couche supérieure dopée p en. matériau ~o semiconducteur III-V et d'un contact dit supérieur ; le retrait dudit substrat de l'empilement préalablement réalisé.