Brevet FR3089063A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : PHOTODIODE SAM À MULTIPLICATION D'UN SEUL TYPE DE PORTEURS DANS UNE RÉGION À MUL- TICOUCHE PÉRIODIQUE [pool ] Lc projet à l'origine de cette demande de brevet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation de l'Union Européenne Horizon 2020, au titre de la convention de subvention n 776390. [0002] DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les photodiodes à avalanche, et plus particulièrement les photodiodes à zones d'absorption et de multiplication séparées (dites SAM-APD pour « Sep rate Absorption and Multiplication region - Avalanche PhotoDiode ») qui réalisent une multiplication de porteurs par ionisation par impact prépondérante pour un type de porteurs. [0003] ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Certaines applications de détection de la lumière au moyen d'une photodiode à avalanche, telles que la télédétection par laser LIDAR (« Light Détection And Ranging »), l'optique quantique ou les télécommunications dans l'espace libre, requièrent la détection d'un faible nombre de photons par temps d'observation. Or la conservation de l'information contenue par un flux de photons est fondamentalement limitée par le rendement quantique de la photodiode qui décrit sa capacité à transformer chaque photon incident en signal électrique, et par le facteur d'excès de bruit de la photodiode qui traduit le bruit ajouté par la multiplication des charges électriques réalisée par la photodiode. [0004] Un pas important vers des photodiodes à valeur d'excès de bruit réduite a été réalisé avec l'arrivée de matériaux, tels que les tellurures de mercure-cadmium CdHgTe, qui permettent d'obtenir une multiplication de porteurs par ionisation par impact prépondérante pour un type de porteurs. En effet, de tels matériaux permettent d'éviter, comme notamment démontré dans l'article de revue de J. Rothman intitulé « Physics and Limitations of HgCdTe APDs: A Review », Journal of Electronic Materials, 2018, une interaction parasite entre les deux types de porteurs circulant dans la zone de multiplication. Il en résulte une réduction importante du bruit généré dans cette zone et un temps de réponse amélioré. [0005] Cet article rapporte ainsi, pour une photodiode SAM-ADP à base de CdHgTe présentant une couche de multiplication réalisée avec une composition de Cd constant, un facteur d'excès de bruit F de l'ordre de 1,2 à 1,3. Cette faible valeur est due non seulement à une multiplication des porteurs dans la couche de multiplication qui est 2 exclusivement initiée par les électrons mais également par la présence d'un effet d'espace mort qui tend à spatialement regrouper les évènements de multiplication. À titre de comparaison, les photodiodes à avalanche à base de semi-conducteur III-V ou Si sont caractérisées par une multiplication des deux types de porteurs et les valeurs de facteur d'excès de bruit F observées sont supérieures à 2 pour les photodiodes à base de Si, et supérieures à 3 voire 5 pour les photodiodes à base de matériaux III-V. [0006] Si la faible valeur d'excès de bruit d'une photodiode SAM à multiplication d'un seul type de porteur en fait un des détecteurs les plus performants pour les applications qui impliquent la détection d'un faible nombre de photons, il n'en reste pas moins que ce niveau d'excès de bruit peut rester problématique pour certaines applications, telles que la détection de photons uniques où il peut empêcher de distinguer avec certitude la détection d'un ou de deux photons. Exposé de l'invention [0007] L'invention a pour objectif de fournir une photodiode SAM à multiplication de porteurs par ionisation par impact prépondérante pour un type de porteurs qui présente une sensibilité accrue, caractérisée par un facteur d'excès dc bruit F réduit. [0008] A cet effet, l'invention propose une photodiode à avalanche comprenant une région d'absorption, une région de collecte et une région de multiplication entre la région d'absorption et la région de collecte qui réalise une multiplication de porteurs par ionisation par impact prépondérante pour un seul type de porteurs. La région de multiplication comprend une pluralité de structures multicouches où chaque structure multicouche comprend, dc la région d'absorption vers la région de collecte, une première couche présentant une première largeur de bande interdite d'énergie puis une deuxième couche présentant une deuxième largeur dc bande interdite d'énergie. La première largeur de bande interdite d'énergie est supérieure à la deuxième largeur de bande interdite d'énergie. [0009] Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette photodiode sont les suivants : - dans chaque structure multicouche, la première couche présente un taux de multiplication dc porteurs par micromètre ayant une première valeur de saturation après une première distance d'espace mort, la deuxième couche présente un taux de multiplication de porteurs par micromètre ayant une deuxième valeur de saturation après une deuxième distance d'espace mort et la première couche a une épaisseur qui est au moins égale à la deuxième distance d'espace mort et inférieure à la première distance d'espace mort ; - dans chaque structure multicouche, la deuxième couche a une épaisseur supérieure à une distance de multiplication correspondant à l'inverse de la deuxième valeur de saturation, de préférence au moins deux fois supérieure à ladite distance de mufti- 3 plication ; - dans chaque structure multicouche, l'épaisseur de la deuxième couche est inférieure à la deuxième distance d'espace mort ; - chaque structure multicouche a une épaisseur inférieure à la première distance d'espace mort ; - la première couche de la structure multicouche au contact de la région d'absorption est plus épaisse que la première couche de la ou des autres structures multicouches ; - chaque structure multicouche comprend, de la région d'absorption vers la région de collecte, une couche à gracient négatif de largeur de bande interdite d'énergie entre la première couche et la deuxième couche et une couche à gradient positif de largeur de bande interdite après la deuxième couche, le gradient négatif de largeur de bande interdite passant de la première largeur de bande interdite d'énergie à la deuxième largeur de bande interdite ; - le gradient positif de largeur de bande interdite passe de la deuxième largeur de bande interdite d'énergie à la première largeur de hande interdite ; - la couche à gradient positif de largeur de hande interdite est plus épaisse que la couche à gradient négatif de largeur de bande interdite ; - les première et deuxième largeurs de bande interdite et les épaisseurs de la première et de la deuxième couche diminuent d'une structure multicouche à l'autre de la région d'absorption vers la région de collecte ; - elle comprend en outre une couche d'accélération des porteurs dudit seul type entre la région de multiplication et la région de collecte ; - la région d'absorption présente une largeur de bande interdite d'énergie qui diminue en direction de la région de multiplication. Brève description des dessins [0010] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0011] [fig.1] est schéma selon une vue en coupe d'une photodiode conforme à l'invention ; [0012] [fig.2] illustre la variation de la largeur de bande interdite d'énergie au sein d'une structure multicouche de la région de multiplication d'une photodiode selon l'invention ; [0013] [fig.3] illustre un exemple de variation du coefficient d'ionisation par impact en fonction de la distance D parcourue par un électron après avoir été sujet d'un événement de multi- plication. ; [0014] [fig.4] illustre, en fonction de la même distance D la densité de probabilité de multiplication Pm; [0015] [fig.5] illustre des valeurs de gain et de facteur d'excès de bruit pour différentes photodiodes conformes à l' invention ; [0016] [fig.6] illustre la variation dc la largeur de bande interdite d'énergie au sein d'une structure multicouche soumise à une polarisation inverse dc la région de multiplication d'une photodiode selon un mode de réalisation avantageux de l'invention ; [0017] [fig.7] représente des probabilités de multiplication dans une deuxième couche d'une structure multicouche de la région de multiplication d'une photodiode selon l' invention ; [0018] [fig.8] et [0019] [fig.9] représentent respectivement l'évolution du gain et l'évolution du facteur d'excès de bruit en fonction de la tension de polarisation inverse. [0020] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention porte sur une photodiode SAM-APD à zones d'absorption et de multiplication séparées qui réalise une multiplication de porteurs par ionisation par impact qui est prépondérante pour un type de porteurs (multiplication dite SCM pour « Single Canier Multiplication »). Par « multiplication de porteurs par ionisation par impact qui est prépondérante pour un type de porteurs », on entend que la multiplication par impact de l'un des types de porteurs (les trous par exemple) est négligeable vis-à-vis de la multiplication par impact de l'autre type de porteurs (les électrons dans cet exemple), c'est à dire que le rapport entre les deux taux de multiplication est supérieur à 50, préférentiellement 100, voire 1000. On peut ainsi parler de multiplication d'un seul type de porteurs. [0021] Dans la suite de la description, la photodiode est réalisée à base de tellurure de mercure-cadmium, c'est-à-dire en un matériau comprenant le tellure et au moins un élément choisi parmi le cadmium et le mercure et respectant la formulation suivante Cd,FIgi_Je avec la valeur x correspondant à la proportion de cadmium par rapport au mercure qui est comprise entre 0 et 1, 0 et 1 inclus. Néanmoins, l'invention ne se limite pas aux seules photodiodes réalisées à partir de tellurure de mercure-cadmium et englobe également tout type de structure dont la conception permet d'obtenir une mul- tiplication prépondérante pour un type de porteurs, par exemple en ayant recours à des arséniures-antimoniures d'indium du type InAsi_,S11,. [0022] En référence à la figure 1, l'invention concerne une photodiode à avalanche destinée à la détection et la mesure d'un rayonnement électromagnétique 2