Brevet FR3070540A1 — publié le 20190301

ÉTAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine de la détection proche infrarouge (IR) en photonique sur silicium, une photodiode peut généralement comprendre une partie en silicium et une partie en germanium. La partie en silicium, transparente dans le proche infrarouge, peut servir à guider des photons proche IR jusque dans la partie en germanium. Cette partie en germanium sert généralement à détecter par absorption les photons proche IR. Un principe de cette détection est le suivant : un photon est absorbé dans le germanium. L'absorption de ce photon génère une paire électron-trou. L'électron et le trou peuvent être ensuite collectés via des électrodes. Le courant électrique généré par cet électron et ce trou, appelés porteurs de charges, peut ainsi être exploité pour la détection du photon à l'origine du phénomène. Pour augmenter la sensibilité d'une telle détection, l'électron peut être soumis à un champ électrique important de manière à être fortement accéléré et à ioniser par impact des atomes environnants. Ces atomes ionisés vont à leur tour générer des électrons qui vont également ioniser d'autres atomes, produisant ainsi un phénomène de multiplication des électrons par ionisation, appelé phénomène d'avalanche. Une photodiode à avalanche est avantageusement basée sur ce principe de multiplication de manière à augmenter la sensibilité de détection, et peut ainsi détecter des flux lumineux de très faible intensité. Idéalement, le phénomène de multiplication a lieu dans une partie en silicium de la photodiode à avalanche, générant très peu de bruit de multiplication. La photodiode à avalanche (APD pour l'acronyme anglais « avalanche photodiode ») comprend une zone d'absorption, de préférence en germanium, séparée d'une zone de multiplication, de préférence en silicium. Cette configuration est dite SAM (pour l'acronyme anglais « Separate Absorption and Multiplication regions »). En pratique cependant, le phénomène de multiplication se produit également de manière involontaire en partie dans le germanium. Dans ce cas, un bruit de multiplication important est généré et limite significativement les performances de photodétection de la photodiode à avalanche. Afin de réduire ce bruit de multiplication dans le germanium, une possibilité peut être l'ajout d'une zone ou d'une couche dite zone de charge entre la zone d'absorption et la zone de multiplication, de façon à réduire le champ électrique dans le germanium tout en maintenant un champ électrique exploitable dans le silicium. La part de porteurs multipliés dans le germanium est ainsi réduite. Le bruit de multiplication 2 dans le germanium, appelé également facteur d'excès de bruit, diminue en conséquence. Cette configuration est dite SACM (pour l'acronyme anglais « Separate Absorption, Charge and Multiplication regions »). Le document « Développement de photodiodes à avalanche en Ge sur Si 5 pour la détection faible signal et grande vitesse, Léopold VIROT, thèse de doctorat, Université Paris Sud-Paris XI, 2014 » divulgue une telle photodiode à avalanche en configuration SACM. En pratique, avec les photodiodes à avalanche décrites dans ce document, même en configuration SACM, la multiplication des porteurs dans le germanium reste 10 importante. Pour réduire le facteur d'excès de bruit, une solution consiste à réduire le volume de germanium. Cette réduction de volume se fait cependant au détriment de l'absorption. Cette photodiode présente alors des capacités d'absorption réduites et un seuil de saturation plus bas. Cette solution conduit donc à des photodiodes présentant 15 une gamme de détection en intensité restreinte. Dans le cas d'une collecte latérale des porteurs de charge, c'est-à-dire selon une direction parallèle à une largeur du coeur en germanium, une autre solution consiste à réduire la largeur du coeur en germanium en augmentant la longueur dudit coeur à volume de germanium constant. L'augmentation en longueur entraîne 20 cependant une détérioration de la compacité et de la bande passante de la photodiode. Un objet de la présente invention est de pallier les inconvénients cités plus ci- dessus. En particulier, un objet de la présente invention est de proposer une 25 photodiode à avalanche présentant une compacité et/ou une bande passante améliorées tout en limitant le facteur d'excès de bruit. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. 30 RÉSUMÉ DE L'INVENTION Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l'invention concerne une photodiode à avalanche comprenant une zone d'absorption, une zone de multiplication, une première électrode et une deuxième électrode. 3 De façon avantageuse, la photodiode comprend en outre un guide d'onde formant un circuit fermé apte à guider un flux lumineux sur plusieurs tours dudit circuit. La zone d'absorption s'étend sur au moins une portion dudit circuit fermé courbe. La zone de multiplication, les première et deuxième électrodes s'étendent le 5 long d'une partie au moins dudit circuit fermé courbe. Le flux lumineux peut ainsi se propager au sein du guide d'onde sur plusieurs tours du circuit fermé. Dès lors, les capacités d'absorption de la zone d'absorption de la photodiode sont préservées tandis que le volume de ladite zone d'absorption, de préférence le volume de germanium formant la zone d'absorption, est réduit. 10 La compacité de la photodiode est avantageusement améliorée. En outre, les première et deuxième électrodes présentent une dimension en longueur inférieure à ou sensiblement égale à un périmètre du circuit fermé courbe. Cette dimension en longueur, en particulier la dimension en longueur de l'électrode collectant les électrons, impacte proportionnellement une capacité de la photodiode, 15 ladite capacité étant inversement proportionnelle à la bande passante de la photodiode. Dès lors, il est particulièrement avantageux de diminuer ou limiter la longueur d'électrode de manière à augmenter la bande passante de la photodiode. En particulier, pour une longueur d'électrode fixée, la capacité de la 20 photodiode et donc la bande passante de la photodiode restent avantageusement constantes quel que soit le nombre de tours parcourus par le flux lumineux au sein du guide d'onde. La distance parcourue par le flux lumineux au sein de la zone d'absorption, en particulier la distance nécessaire à l'absorption complète dudit flux lumineux, peut donc 25 être supérieure à la longueur d'électrode nécessaire à la collecte des électrons générés lors de ladite absorption, notamment lorsque le flux lumineux parcoure au moins un tour au sein du guide d'onde. Dans ce cas, la photodiode selon l'invention permet avantageusement d'absorber et de détecter la totalité du flux lumineux sans détériorer la bande passante 30 de ladite photodiode. La photodiode selon l'invention présente donc avantageusement une compacité et une bande passante simultanément améliorées, tout particulièrement lorsque le flux lumineux est amené à parcourir au moins un tour au sein du guide d'onde. 35 4 Des caractéristiques avantageuses mais uniquement optionnelles de la photodiode selon l'invention vont maintenant être énoncées ci-dessous. De préférence, pour qu'un flux lumineux puisse parcourir au moins un tour du guide d'onde, ce dernier peut avantageusement présenter un petit rayon de courbure, 5 par exemple compris entre 5pm et 20pm. Selon une possibilité, la collecte des électrons peut se faire par une électrode positionnée latéralement vis-à-vis des zones d'absorption et de multiplication. La zone d'absorption, la zone de multiplication et l'électrode de collecte peuvent avantageusement s'étendre de manière concentrique sur un plan de base. 10 Les électrons générés dans la zone d'absorption sont alors accélérés selon une direction parallèle au plan de base et orthogonale à une direction de propagation du flux lumineux, dans une largeur de la zone d'absorption, avant d'être multipliés dans la zone de multiplication et collectés par l'électrode de collecte. Dans ce cas, il est particulièrement avantageux de limiter la largeur de la zone 15 d'absorption de manière à réduire le facteur d'excès de bruit de multiplication dans cette zone d'absorption. Selon un mode de réalisation, la largeur de la zone d'absorption peut avantageusement être inférieure à 200nm, de préférence inférieure à 100nm. Dans le germanium par exemple, le phénomène de multiplication par ionisation devient 20 négligeable pour une largeur de germanium inférieure à 100nm. Pour compenser cette réduction de largeur de la zone d'absorption, la photodiode peut être configurée pour guider la propagation du flux lumineux sur une distance plus grande au sein de la zone d'absorption. La propagation du flux lumineux est guidée par le guide d'onde. 25 De préférence, le guide d'onde comprend un coeur et une gaine de manière à confiner le flux lumineux au niveau du coeur du guide d'onde. Pour un guide d'onde par contraste d'indice entre le coeur et la gaine, la largeur de la zone d'absorption peut être sensiblement égale à la largeur du coeur du guide d'onde. Pour une largeur de zone d'absorption réduite cependant, un tel guide d'onde 30 par contraste d'indice ne guide plus la propagation du flux lumineux efficacement. Selon une possibilité préférée et particulièrement avantageuse, le guide d'onde peut dès lors être un guide de type guide en arête. Un tel guide en arête permet de confiner le flux lumineux de manière géométrique. Pour une largeur de zone d'absorption réduite, la propagation du flux lumineux 35 peut donc être avantageusement guidée de manière efficace par un guide en arête. 5 La photodiode selon l'invention peut ainsi permettre de réduire le facteur d'excès de bruit dans la zone d'absorption tout en présentant une compacité et une bande passante améliorées. 5 A contrario, les solutions de l'art antérieur enseignées par le document « Développement de photodiodes à avalanche en Ge sur Si pour la détection faible signal et grande vitesse » thèse de Léopold VIROT mentionné ci-dessus, suggèrent d'augmenter linéairement la longueur de la zone d'absorption et de l'électrode de collecte de la photodiode, au détriment de la compacité et de la bande passante de 10 ladite photodiode. Un deuxième aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d'une photodiode à avalanche selon le premier aspect de l'invention. Le procédé de fabrication comprend notamment les étapes suivantes : 15 - Fournir un substrat de type silicium sur isolant (SOI) comprenant une couche supérieure en silicium (Si), - Lithographie de manière à définir des limites de la zone d'absorption dans un plan xy, - Gravure selon un axe z d'une partie seulement de l'épaisseur de la couche 20 supérieure de manière à former une cavité délimitée par les limites de la zone d'absorption définies par lithographie, - Dépôt de germanium (Ge), de préférence par épitaxie, dans ladite cavité de manière à former la zone d'absorption, - Lithographie de manière à définir des limites du guide d'onde selon un 25 circuit fermé courbe comprenant la zone d'absorption, - Gravure selon un axe z d'une partie de l'épaisseur du silicium entourant lesdites limites du guide d'onde, de manière à former au moins une partie du guide d'onde, de préférence de manière à former au moins une partie d'un guide de type guide en arête, 30 - Formation des électrodes au niveau de zones de contact situées de part et d'autre du guide d'onde. La photodiode selon l'invention pourra avantageusement équiper un photodétecteur infrarouge dans le domaine de la photonique sur silicium. 35 6 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels : 5 - La FIGURE 1 est une vue en perspective d'une coupe d'un guide en anneau selon un mode de réalisation non limitatif de la présente invention ; - La FIGURE 2a illustre une simulation des pertes optiques au sein d'un guide en anneau selon un mode de réalisation de la présente invention ; - La FIGURE 2b illustre une simulation des pertes optiques au sein d'un guide en 10 anneau selon un autre mode de réalisation de la présente invention ; - La FIGURE 3a est une vue de dessus d'une photodiode selon un mode de réalisation de la présente invention dans lequel la zone d'absorption forme un circuit fermé ; - La FIGURE 3b est une vue de dessus d'une photodiode selon un autre mode 15 de réalisation de la présente invention dans lequel la zone d'absorption forme une courbe ouverte ; - La FIGURE 4 est une vue de dessus d'une photodiode selon un autre mode de réalisation de la présente invention, illustrant une forme particulière d'électrodes ; 20 - La FIGURE 5 est une vue de dessus d'une photodiode selon un autre mode de réalisation de la présente invention dans lequel la zone d'absorption et le guide d'onde forment des courbes non circulaires ; - La FIGURE 6a illustre des étapes d'un procédé de fabrication d'une photodiode selon un mode de réalisation de la présente invention ; 25 - La FIGURE 6b illustre des étapes d'un procédé de fabrication d'une photodiode selon un autre mode de réalisation de la présente invention ; Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à 30 faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs et dimensions des différentes couches et portions des photodiodes illustrées ne sont pas représentatives de la réalité. 35 7 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION L'invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement : 5 - Selon un exemple, la première électrode présente un premier pourtour et la deuxième électrode présente un deuxième pourtour et la zone d'absorption, la zone de multiplication, le premier pourtour et le deuxième pourtour s'étendent respectivement selon une courbe a, une courbe m, une courbe el et une courbe e2, lesdites courbes a, m, el et e2 étant parallèles entre elles sur une 10 partie au moins de leurs longueurs respectives. - Selon un exemple, ladite partie le long de laquelle la zone de multiplication, les première et deuxième électrodes s'étendent, correspond en partie au moins à ladite portion le long de laquelle ladite zone d'absorption s'étend. - Selon un exemple, ladite partie le long de laquelle la zone de multiplication, les 15 première et deuxième électrodes s'étendent, est située au moins partiellement en regard de ladite portion le long de laquelle ladite zone d'absorption s'étend. - Selon un exemple, la zone d'absorption forme au moins une portion d'un premier ovale et la zone de multiplication forme au moins une portion d'un deuxième ovale, de sorte que lesdits premier et deuxième ovales soient 20 concentriques ou plus généralement aient leurs barycentres confondus. - Selon un exemple, le guide est courbe. Il est refermé sur lui-même. - Selon un exemple, le guide présente une symétrie autour d'un axe. Selon un autre exemple, le guide ne présente pas de symétrie particulière. - Selon un exemple, les premier et deuxième ovales sont pris parmi : des 25 ellipses, des formes oblongues. - Selon un exemple, les premier et deuxième ovales sont des cercles. - Selon un exemple, les cercles présentent un rayon de courbure compris entre 5pm et 20pm. Une telle gamme de rayons de courbure permet avantageusement de favoriser 30 une propagation du flux lumineux sur plusieurs tours du guide d'onde tout en limitant les pertes radiatives par courbure. Cette gamme permet en outre une bonne compacité de la photodiode. - Selon un exemple, le guide d'onde comprend un coeur et une gaine et la zone d'absorption est située au moins en partie au niveau dudit coeur. 8 Cette disposition optimise un recouvrement entre la zone d'absorption et le flux lumineux, ledit flux lumineux étant confiné au niveau du coeur. - Selon un exemple, le coeur comprend un matériau de guidage, de préférence du silicium, différent d'un matériau de la zone d'absorption. Le matériau de 5 guidage enveloppe entièrement la zone d'absorption. - Selon un exemple, la zone d'absorption présente une hauteur h sensiblement égale à une hauteur h' de la zone de multiplication, la zone d'absorption et la zone de multiplication s'étendant dans un plan de base xy et les hauteurs h et h', étant mesurées selon une direction qui est perpendiculaire audit plan de 10 base xy. Ce mode de réalisation permet de faciliter l'extraction horizontale des charges électriques, parallèlement au plan de base xy, par le champ électrique appliqué. - Selon un exemple, le coeur comprend un matériau de guidage, de préférence du silicium, différent d'un matériau de la zone d'absorption. Le matériau de 15 guidage enveloppe une partie seulement de la zone d'absorption, et la gaine enveloppe une partie complémentaire de la zone d'absorption. - Selon un exemple, le guide d'onde est un guide de type guide en arête (RIB). Le confinement du flux lumineux peut ainsi être purement géométrique, il n'est donc pas nécessaire de configurer la zone d'absorption de manière à confiner 20 le flux lumineux. - Selon un exemple, la zone d'absorption forme une courbe fermée, et la première et la deuxième électrode sont situées de part et d'autre de la zone d'absorption. Ce mode de réalisation permet d'absorber un maximum de flux lumineux au 25 niveau de la zone d'absorption à chaque tour parcouru par le flux lumineux au sein du guide d'onde. - Selon un exemple, la zone d'absorption forme une courbe ouverte de sorte que le guide d'onde présente une portion exempte de zone d'absorption, et la première et la deuxième électrode ne sont pas situées de part et d'autre de 30 ladite portion du guide d'onde exempte de zone d'absorption. Ce mode de réalisation permet d'éviter de générer inutilement des charges au niveau d'une portion du guide d'onde non bordée par une électrode, la collecte des charges au niveau de cette portion étant en effet faible ou nulle. L'efficacité de détection de la photodiode peut ainsi être améliorée. 9 En outre, le flux lumineux n'étant pas absorbé sur cette portion, il peut parcourir une distance ou un nombre de tours plus important au sein de la photodiode. La bande passante de la photodiode peut ainsi être améliorée. - Selon un exemple, la zone d'absorption présente une largeur L REVENDICATIONS1. Photodiode à avalanche (1) comprenant une zone d'absorption (2), une zone de multiplication (3), une première électrode (4) et une deuxième électrode (5), caractérisée en ce que : - la photodiode (1) comprend en outre un guide d'onde (10) formant un circuit c fermé courbe, apte à guider un flux lumineux sur plusieurs tours dudit circuit c, - la zone d'absorption (2) s'étend sur une portion au moins dudit circuit c fermé courbe, et - la zone de multiplication (3), les première (4) et deuxième (5) électrodes s'étendent le long d'une partie au moins dudit circuit c fermé courbe. 2. Photodiode selon la revendication précédente dans laquelle la première électrode (4) présente un premier pourtour et la deuxième électrode (5) présente un deuxième pourtour et dans laquelle la zone d'absorption (2), la zone de multiplication (3), le premier pourtour et le deuxième pourtour s'étendent respectivement selon une courbe a, une courbe m, une courbe el et une courbe e2, lesdites courbes a, m, el et e2 étant parallèles entre elles sur une partie au moins de leurs longueurs respectives. 3. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la zone d'absorption (2) forme au moins une portion d'un premier ovale et la zone de multiplication (3) forme au moins une portion d'un deuxième ovale, de sorte que les barycentres desdits premier et deuxième ovales soient confondus. 4. Photodiode selon la revendication précédente dans laquelle les premier et deuxième ovales sont des cercles. 5. Photodiode selon la revendication précédente dans laquelle les cercles présentent un rayon de courbure compris entre 5pm et 20pm. 6. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le guide d'onde (10) comprend un coeur (11) et une gaine (12) et 26 dans laquelle la zone d'absorption (2) est située au moins en partie au niveau dudit coeur (11). 7. Photodiode selon la revendication précédente, dans laquelle le coeur (11) 5 comprend un matériau de guidage, de préférence du silicium, différent d'un matériau de la zone d'absorption (2) et dans laquelle le matériau de guidage enveloppe entièrement la zone d'absorption (2). 8. Photodiode selon la revendication précédente dans laquelle la zone 10 d'absorption (2) présente une hauteur h sensiblement égale à une hauteur h' de la zone de multiplication (3), la zone d'absorption (2) et la zone de multiplication (3) s'étendant dans un plan de base (xy) et les hauteurs h et h', étant mesurées selon une direction qui est perpendiculaire audit plan de base (xy). 15 9. Photodiode selon la revendication 6, dans laquelle le coeur (11) comprend un matériau de guidage, de préférence du silicium, différent d'un matériau de la zone d'absorption (2) et dans laquelle le matériau de guidage enveloppe une partie seulement de la zone d'absorption (2), et la gaine (12) enveloppe une 20 partie complémentaire de la zone d'absorption (2). 10. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le guide d'onde (10) est un guide de type guide en arête (RIB). 25 11. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la zone d'absorption (2) forme une courbe fermée, et dans laquelle la première et la deuxième électrode sont situées de part et d'autre de la zone d'absorption (2). 30 12. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans laquelle la zone d'absorption (2) forme une courbe ouverte de sorte que le guide d'onde (10) présente une portion exempte de zone d'absorption (2), et dans laquelle la première et la deuxième électrode ne sont pas situées de part et d'autre de ladite portion du guide d'onde (10) exempte de zone d'absorption 35 (2). 27 13. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la zone d'absorption (2) présente une largeur L 14. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans 10 laquelle la zone d'absorption (2) s'étend dans un plan de base (xy) et forme une courbe, de préférence un premier circuit courbe, présentant une longueur et la zone de multiplication (3) forme une courbe, de préférence un deuxième circuit courbe bordant le premier circuit courbe et présentant une longueur 12 tel que 12 k l, les longueurs l et 12 étant mesurées dans ledit plan 15 de base (xy). 15. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la zone d'absorption (2) s'étend dans un plan de base (xy) et forme une courbe présentant une longueur l, et le circuit c fermé courbe présente 20 une longueur 1,, les longueurs l et I, étant mesurées dans ledit plan de base (xy), tel que : Y1. 1c 11 Y2. lc avec yi =0.5 et y2=1 , de préférence y10.7. 25 16. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la première électrode (4) est située à l'intérieur du circuit c fermé courbe et la deuxième électrode (5) est située à l'extérieur du circuit c fermé courbe, en projection dans un plan de base (xy). 30 17. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes, formant une photodiode à avalanche de type latérale, dans laquelle la zone de multiplication (3) et la zone d'absorption (2) sont sensiblement coplanaires dans un plan de base (xy), et les première (4) et deuxième (5) électrodes sont disposées de part et d'autre des dites zones d'absorption (2) et de 35 multiplication (3), au moins en projection dans ledit plan de base (xy). 28 18. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une zone de charge (6) intercalée entre la zone d'absorption (2) et la zone de multiplication (3). 5 19. Photodiode selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 dans laquelle la zone d'absorption (2) est au contact de la zone de multiplication (6). 20. Photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes 10 comprenant en outre un guide d'entrée (20) configuré pour former un couplage évanescent avec le guide d'onde (10) de manière à guider le flux lumineux depuis l'extérieur dudit guide d'onde (10) jusqu'à l'intérieur dudit guide d'onde (10). 15 21. Procédé de réalisation (100) d'une photodiode selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : - Fournir (101) un substrat de type silicium sur isolant (SOI) comprenant une couche supérieure (1002) en silicium (Si), - Lithographie (103) de manière à définir des limites de la zone d'absorption 20 (2) dans un plan (xy), - Gravure (104) selon un axe (z) d'une partie seulement de l'épaisseur de la couche supérieure (1002) de manière à former une cavité (1003) délimitée par les limites de la zone d'absorption (2) définies par lithographie (103), - Dépôt (105) de germanium (Ge), de préférence par épitaxie, dans ladite 25 cavité (1003) de manière à former la zone d'absorption (2), - Lithographie (106) de manière à définir des limites du guide d'onde (10) selon un circuit fermé courbe comprenant la zone d'absorption (2), - Gravure (107) selon un axe (z) d'une partie de l'épaisseur du silicium entourant lesdites limites du guide d'onde (10), de manière à former au 30 moins une partie du guide d'onde (10), de préférence de manière à former au moins une partie d'un guide de type guide en arête, - Formation des électrodes au niveau de zones de contact situées de part et d'autre du guide d'onde (10). 29 22. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre au moins l'étape suivante effectuée après ledit dépôt (105) de germanium (Ge) et avant ladite lithographie (106) de manière à définir des limites du guide d'onde (10) selon un circuit fermé courbe comprenant la zone d'absorption (2): 5 - Dépôt (105b) de silicium (Si), de préférence par épitaxie, sur ladite couche supérieure et sur la zone d'absorption (2). 10