FR2475296A1 - Avalanche photo-diode with fibre optic coupling - has concave illuminated surface and functions without guard ring - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention se rapporte aux photodiodes à avalanche, notamment à celle qui sont destinées à être couplées à une fibre optique. The invention relates to avalanche photodiodes, in particular those intended to be coupled to an optical fiber.
On sait que, dans les télécommunications par fibres optiques on utilise des photodiodes à avalanche plutôt que de simples photodiodes afin d'améliorer le rendement énergétique de la liaison. It is known that in optical fiber telecommunications avalanche photodiodes rather than simple photodiodes are used to improve the energy efficiency of the bond.
Il existe deux catégories de structures de photodiodes à avalanche, qui sont, en nommant les couches semiconductrices dans l'ordre où elles sont traversées par les photons incidents:
a) une première catégorie de structure:
P+ P P N+ (où le substrat est P#);
b) une deuxième catégorie de structure : de structure:
N+ P P P+ (où le substrat est P+).There are two categories of avalanche photodiode structures, which are, naming the semiconductor layers in the order in which they are traversed by the incident photons:
a) a first category of structure:
P + PP N + (where the substrate is P #);
(b) a second category of structure: of structure:
N + PP P + (where the substrate is P +).
Cette deuxième catégorie, dite aussi "par épitaxie sur matériau P+", est plus avantageuse que la première, car, par suite de l'épaisseur relatives ment importante de matériau P+, la tension de polarisation inverse nécessaire pour le fonctionnement de la photodiode, est moindre que dans le cas de la première catégorie. This second category, also called "by epitaxy on material P +", is more advantageous than the first, because, due to the relatively large thickness of material P +, the reverse bias voltage necessary for the operation of the photodiode is less than in the case of the first category.
Un inconvénient, d'ailleurs commun aux deux structures, réside dans le fait que, pour éviter certains effets nuisibles apparaissant sur les bords de le structure, on est obligé de créer un anneau de garde en matériau N+, ce qui complique le procédé de fabrication et, en outre, est la source d'un inconvénient supplémentaire. Celui-ci résulte de l'augmentation de la capacité électrique de la photodiode dite aussi capacité de jonction; cette capacité devrait être aussi petite que possible pour obtenir le meilleur gain de détection. Par suite de cet inconvénient, on perd en partie l'avantage db à l'utilisation d'une diode à avalanche par rapport à l'utilisation d'une diode simple. A disadvantage, moreover common to both structures, lies in the fact that, in order to avoid certain harmful effects appearing on the edges of the structure, it is necessary to create a guard ring made of N + material, which complicates the manufacturing process. and, furthermore, is the source of an additional disadvantage. This results from the increase in the electrical capacitance of the photodiode also called junction capacitance; this ability should be as small as possible to get the best detection gain. As a result of this disadvantage, part db advantage is lost in the use of an avalanche diode with respect to the use of a single diode.
L'invention tend à remédier à cet inconvénient en modifiant une structure de la deuxième catégorie évoquée plus haut afin de concentrer la zone d'avalanche sans avoir recours à un anneau de garde. En outre elle procure d'autres avantages qui seront mentionnés ci-après. The invention tends to remedy this disadvantage by modifying a structure of the second category mentioned above in order to concentrate the avalanche zone without resorting to a guard ring. In addition, it provides other advantages which will be mentioned below.
La photodiode suivant l'invention est du type présentant une structte qui comporte, sur une grande face d'un substrat semiconducteur dun premier type de conductivité fortement dopé (de 1018 à 1019 atomes par -cm3), une première et une deuxième couches du même matériau et du même type de conductivité que le substrat mais qui sont respectivement dopées d'une manière très faible et faible par rapport au substrat, et une troisième couche du même matériau mais du type de conductivité opposé, fortement dopée, et
présentant une face libre susceptible d'être exposée à des photons incidents.The photodiode according to the invention is of the type having a structure which comprises, on a large face of a semiconductor substrate of a first type of strongly doped conductivity (from 1018 to 1019 atoms per cm3), a first and a second layer of the same material and the same type of conductivity as the substrate but which are respectively doped in a very weak and weak manner with respect to the substrate, and a third layer of the same material but of the opposite conductivity type, highly doped, and
having a free face liable to be exposed to incident photons.
Elle est principalement caractérisée en ce que:
- la face libre de la troisième couche présente une cavité ayant un axe
de révolution perpendiculaire à la grande face du substrat;
- l'épaisseur de la troisième couche est sensiblement constante sur toute la Eoncavité ;
- l'épaisseur de la deuxième couche est plus grande dans le fond de la
concavité que sur les bords de celle-ci.It is mainly characterized in that:
the free face of the third layer has a cavity having an axis
of revolution perpendicular to the large face of the substrate;
the thickness of the third layer is substantially constant over the entire cavity;
- the thickness of the second layer is greater in the bottom of the
concavity only on the edges of it.
L'invention sera mieux comprise, et boutres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'ae- compagnent, parmi lesquels:
- la figure 1, est une coupe schématique d'une photodiode suivant l'état de Part;
- les ffgures 2 à 6 et 9 à 12, représentent schématiquement des étapes de la fabrication d'une photodiode suivant l'invention;
- les figures 7 et 8 sont des profits de concentration de dopant et d'intensité de champ électrique dans des sections pratiquées suivant des plans perpendiculaires dans une photodiode suivant l'invention.The invention will be better understood, and dhter characteristics will appear, by means of the description which follows, and the drawings which accompany it, among which:
- Figure 1 is a schematic section of a photodiode according to the state of Part;
FIGS. 2 to 6 and 9 to 12 schematically represent steps in the fabrication of a photodiode according to the invention;
FIGS. 7 and 8 are advantages of dopant concentration and of electric field intensity in sections made in perpendicular planes in a photodiode according to the invention.
La structure connue représentée figure 1 est de la deuxième catégorie
citée précédemment, où lton remarque un substrat 1 par exemple en silicium
monocristallin fortement dopé (concentration en dopant de 1018 at/cm3 à ttitre d'exemple) en impuretés de type Pi
Sur la figure l'on trouve:
- une couche 2 beaucoup moins dopée P, marquée P (concentration de 1014 à 1015 aticm3);
- une couche 3 de dopage P à concentration intermédiaire entre celles du substrat 1 et de la couche 2;
- une couche 4, dont le bord, par exemple circulaire, est arrondi en forme de tore par diffusion d'un anneau de garde 40, dopé N+, comme le reste de la couche 4.The known structure represented in FIG. 1 is of the second category
cited above, where lton note a substrate 1 for example silicon
strongly doped monocrystalline (dopant concentration of 1018 at / cm3 as an example) impurity type Pi
In the figure we find:
a much less P-doped layer 2, labeled P (concentration of 1014 to 1015 aticm3);
a P doping layer 3 at a concentration intermediate between those of the substrate 1 and the layer 2;
a layer 4 whose edge, for example circular, is rounded in the form of a torus by diffusion of a guard ring 40, doped N +, like the remainder of the layer 4.
Une région annulaire 5, dopée P+, est créée de façon classique pour empocher des effets marginaux indésirables. An annular region 5, P + doped, is created conventionally to pocket undesirable side effects.
Enfin, une couche de silice 6 déposée à la périphérie sert à isoler le matériau semiconducteur d'un dépôt métallique non visible figure 1 et constituant une électrode de polarisation de la photodiode. Finally, a layer of silica 6 deposited at the periphery serves to isolate the semiconductor material from a non-visible metal deposit in FIG. 1 and constituting a polarization electrode of the photodiode.
Figure 2, on a représenté la structure d'une photodiode suivant l'in- vention, dans laquelle les couches semiconductrices sont les mêmes que dans la structure de la figure 1, sauf en ce qui concerne-la forme générale des surfaces de séparation des couches supérieures entre elles et avec la surface externe exposée aux photons. Sur le substrat 21, dopé P+, on trouve une couche 22, dopée P#, plus épaisse que la couche 2 de la figure 2. Autour d'une cavité de forme hémisphérique on trouve une couche 24, dopée N+ et une couche 23 dopée P placée sous la couche 24.Si on trace un axe XX perpendiculaire à la surface de séparation du substrat 21 et de la couche 22, et représentant l'axe de révolution de la cavité bordée par la couche 24, et Si l'on appelle 0, A, B, C, D les points de cet axe situés aux limites des couches traversées, on constate que la couche 23 a une épaisseur relativement grande. FIG. 2 shows the structure of a photodiode according to the invention, in which the semiconductor layers are the same as in the structure of FIG. 1, except with regard to the general shape of the separation surfaces of the upper layers with each other and with the external surface exposed to photons. On the substrate 21, P + doped, there is a layer 22, P # doped, thicker than the layer 2 of Figure 2. Around a cavity of hemispherical shape is a layer 24, N + doped and a doped layer 23 P is placed under the layer 24.Si trace an axis XX perpendicular to the separation surface of the substrate 21 and the layer 22, and representing the axis of revolution of the cavity bordered by the layer 24, and so called 0, A, B, C, D the points of this axis located at the boundaries of the crossed layers, it is found that the layer 23 has a relatively large thickness.
Si, par contre, on trace la trace YY d'un plan de coupe perpendiculaire à l'axe
XX au niveau de la cavité bordée par la couche 24 (à ml-profondeur de cette cavité) on constate, en désignant par 0', A' et B' les points analogues aux points 0, A et B que l'on a:
A'B' < AB autrement dit, que l'épaisseur de la couche 23 est beaucoup plus faible dans le plan de coupe YY, que dans un plan de coupe XX.If, on the other hand, the trace YY is drawn of a plane of section perpendicular to the axis
XX at the level of the cavity bordered by the layer 24 (at ml-depth of this cavity), by designating by 0 ', A' and B 'the points similar to the points 0, A and B that we have:
A'B '<AB in other words, that the thickness of the layer 23 is much lower in the section plane YY than in a section plane XX.
Dans chacune des figures 7 et 8, on a tracé deux diagrammes présentant des axes Ox parallèles entre eux, où sont portés en abscisses les distances mesurées à partir des points 0 (fig. 7) et 0' (fig. 8). In each of Figures 7 and 8, two diagrams have been drawn showing axes Ox parallel to each other, where the distances measured from the points 0 (Fig. 7) and 0 '(Fig. 8) are plotted on the abscissa.
Le premier de ces diagrammes représente la concentration en atomes d'impuretés N ou P par centimètre-cube, en fait, le logarithme de ce nombre (porté en ordonnées) en fonction de l'abscisse du point considéré. The first of these diagrams represents the concentration of impurity atoms N or P per cubic centimeter, in fact, the logarithm of this number (given on the ordinate) as a function of the abscissa of the considered point.
Le deuxième de ces diagrammes représente l'intensité E du champ électrique en fonction de l'abscisse du point considéré. The second of these diagrams represents the intensity E of the electric field as a function of the abscissa of the considered point.
L'aspect des graphiques ainsi obtenus reflète les différences de concentration et d'épaisseur dans la couche 23, c'est-à-dire sur les segments AB et A'B'. On peut en déduire que le phénomène d'avalanche est beaucoup plus intense dans la région située au voisinage de l'axe XX qu'au voisinage immédiat du plan de trace YY. Autrement dit, la zone d'avalanche est concentrée autour de l'axe XX. The appearance of the graphs thus obtained reflects the differences in concentration and thickness in the layer 23, that is to say on the segments AB and A'B '. It can be deduced that the avalanche phenomenon is much more intense in the region in the vicinity of the axis XX than in the immediate vicinity of the trace plane YY. In other words, the avalanche zone is concentrated around the axis XX.
Le procédé de réalisation de la photodiode selon l'invention comprend les étapes suivantes:
Première étape : Le but de cette étape est la constitution d'une couche très épaisse de matériau P sur un substrat P+, par exemple en arséniure de gallium monocristallîn. Le résultat peut être obtenu par épitaxie, c'est-à-dire par croissance cristalline de matériau P sur le substrat P+. Toutefois, il est assez difficile d'obtenir dans ces conditions le faible taux de dopage désiré (1014 à 1015 atomes/cm3). En conséquence, une variante préférée consiste à partir d'une plaquette P- d'épaisseur beaucoup plus grande que celle du substrat P+ à obtenir, et présentant deux grandes faces planes.On opère une diffusion d'impuretés P+ sur les deux faces de manière à obtenir des couches relativement très épaisses (une centaine de microns par exemple) et ron élimine ensuite l'une des couches par polissage ou par attaque chimique classique.The method for producing the photodiode according to the invention comprises the following steps:
First step: The purpose of this step is the constitution of a very thick layer of material P on a substrate P +, for example monocrystalline gallium arsenide. The result can be obtained by epitaxy, that is to say by crystalline growth of material P on the substrate P +. However, it is quite difficult to obtain under these conditions the low desired doping level (1014 to 1015 atoms / cm3). Consequently, a preferred variant consists of a P-wafer of much greater thickness than that of the P + substrate to be obtained, and having two large planar faces. P + impurity diffusion is carried out on both sides so that to obtain relatively very thick layers (a hundred microns for example) and ron then eliminates one of the layers by polishing or conventional etching.
On recouvre ensuite, au cours d'une sous-étape, la grande face de matériau mise à nu par l'opération précédente, en utilisant une couche de diélectrique capable de résister aux agents d'attaque chimique du matériau P Ce diélectrique est par exemple Si O, ou Si3 N4. Then, during a sub-step, the large surface of material exposed by the preceding operation is covered, using a dielectric layer capable of withstanding the chemical etching agents of the material P. This dielectric is for example If O, or Si3 N4.
On obtient ainsi une plaquette partiellement représentée en coupe transversale figure 3, où l'on retrouve le substrat 25, les couches 22 et 26 de la figure 2. This gives a wafer partially shown in cross section FIG. 3, where the substrate 25, the layers 22 and 26 of FIG. 2 are found.
Deuxième étape: Elle comporte une sous-étape préliminaire au cours de laquelle on ouvre, par une attaque chimique classique, une fenêtre dans la couche 26. L'étape proprement dite consiste à attaquer sélectivement le matériau de la couche 22 par une solution de gravure classique d'attaque rapide, contenant notamment les acides fluorhydrique, nitrique et acétique.Second step: It comprises a preliminary sub-step during which a window is opened by conventional etching in the layer 26. The actual step consists in selectively attacking the material of the layer 22 by an etching solution classic fast attack, including hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid.
Grâce à la rapidité de l'attaque chimique on obtient une cavité en forme d'hémisphère 40 dans la couche 22.Due to the rapidity of the etching, a hemisphere-shaped cavity 40 is obtained in the layer 22.
Troisième étape: On procède à l'implantation ionique d'impuretés de type P en bombardant la cavité 40 dans la direction marquée par les flèches 41 (figure 4). La zone implantée est limitée approximativement par une surface de profil 231 en forme de demi-ellipse dont le grand axe est parallèle aux flèches 41. On procède ensuite à une diffusion d'impuretés de même type P, dans toute la cavité, ce qui donne un nouveau profil 232 parallèle au profil 231, délimitant la couche 23 du côté du substrat.Third Step: The ion implantation of P-type impurities is carried out by bombarding the cavity 40 in the direction marked by the arrows 41 (FIG. 4). The implanted zone is limited approximately by a profile surface 231 in the form of a half-ellipse whose long axis is parallel to the arrows 41. The impurities of the same type P are then diffused throughout the cavity, which gives a new profile 232 parallel to the profile 231, delimiting the layer 23 on the substrate side.
Quatrième étape: On procède à une diffusion d'impuretés de type N+ dans la cavité 40 ce qui donne la couche 24 déjàmentionnée (figure 2).Fourth step: Diffusion of N + type impurities is carried out in the cavity 40 which gives the layer 24 already mentioned (FIG. 2).
Cinquième étape: Au cours d'une sous-étape préliminaire, on dépose une couche de diélectrique dite "antireflet" de façon classique, en constituant par exemple une mince couche transparente de silice. On élimine cette couche sur les flancs de la cavité. On procède ensuite au dépôt d'une métallisation en vue de constituer un contact ohmique sur tout ou partie de la bordure de la cavité.Fifth step: During a preliminary sub-step, a so-called "antireflection" dielectric layer is deposited in a conventional manner, for example by constituting a thin, transparent layer of silica. This layer is eliminated on the flanks of the cavity. Subsequently, a metallization is deposited in order to constitute an ohmic contact on all or part of the edge of the cavity.
Une méthode classique de dépôt de cette métallisation consiste à procéder par "lift off" comme suit:
a) on dépose une couche de résine photosensible (figure 10) dans la cavité 40 et sur la couche 26. Par photomasquage on rend certaines parties, 91 et 92, insolubles à l'agent de développement de la résine en épargnant une zone 90 destinée à recevoir ultérieurement le contact ohmique;
b) après développement, on dépose par évaporation sous vide une couche métallique 100 (figure 11);
c) par dissolution de la résine à l'aide d'un agent d'attaque sélectif de celle-ci on fait disparaître les parties 91 et 92 qui avaient résisté à l'opération de développement, et il ne subsiste plus qu'un dépôt annulaire 11 de métal.A conventional method of depositing this metallization is to proceed by "lift off" as follows:
a) a layer of photoresist (FIG. 10) is deposited in the cavity 40 and on the layer 26. By photomasking, certain parts, 91 and 92, are rendered insoluble by the developer of the resin by sparing an area 90 intended to subsequently receiving the ohmic contact;
b) after development, a metal layer 100 is deposited by vacuum evaporation (FIG. 11);
c) by dissolving the resin with a selective etching agent thereof, the portions 91 and 92 which have resisted the development process are removed and only one deposit remains ring 11 of metal.
Dans une variante de la métallisation on opère par évaporation sous vide dans une direction marquée, figure 9, par des flèches 80 obliques par rapport à l'axe XX de la structure. En faisant tourner la structure autour de l'axe XX on obtient un dépôt annulaire 80 qui épargne le fond de la cavité 40. In a variant of the metallization is carried out by vacuum evaporation in a marked direction, Figure 9, arrows 80 oblique to the axis XX of the structure. By rotating the structure about the axis XX, an annular deposit 80 is obtained which spares the bottom of the cavity 40.
La finition d'une photodiode à avalanche selon l'invention est enfin effectuée de façon classique, deYfaçon à obtenir un composant opto-électronique utilisable, notamment par la soudure de connexions 12 et 13. The finishing of an avalanche photodiode according to the invention is finally carried out in a conventional manner, in order to obtain an optoelectronic component that can be used, in particular by soldering connections 12 and 13.
Figure 11, on#a représenté en trait interrompu une fibre optique dont l'extrémité est disposée dans la cavité de la diode selon l'invention. 11 shows a dotted line optical fiber whose end is disposed in the cavity of the diode according to the invention.
L'invention est applicable à la constitution d'une tête de réception pour liaison à fibres optiques principalement caractérisée en ce que la diode reçoit l'extrémité de la fibre dans sa cavité, ce qui facilite la mise en place. En outre, comme il est montré dans la demande de brevet déposée le 5 Octobre 1979 sous le No 79 24 891 par la Demanderesse, l'extrémité de la fibre optique peut être métallisée -et servir de relais pour la connexion de polarisation de la photodiode. The invention is applicable to the constitution of a reception head for optical fiber connection mainly characterized in that the diode receives the end of the fiber in its cavity, which facilitates the introduction. In addition, as shown in the patent application filed October 5, 1979 under No. 79 24 891 by the Applicant, the end of the optical fiber can be metallized and serve as a relay for the polarization connection of the photodiode .
Pour résumer les avantages de l'invention, on peut dire que:
a) la capacité de jonction de la photodiode est plus faible que celle d'une photodiode classique du type à avalanche, de gain comparable, et du même ordre que celle d'une simple photodiode: elle cumule donc les avantages de ces deux types de photodiode;
b) la région d'avalanche est très bien centrée;
c) la forme concave de la zone exposée aux photons peut être mise à profit pour faciliter le couplage avec une fibre optique, celle-ci épousant la concavité de la photodiode selon l'invention. To summarize the advantages of the invention, it can be said that:
a) the junction capacitance of the photodiode is smaller than that of a conventional avalanche type photodiode, of comparable gain, and of the same order as that of a simple photodiode: it thus combines the advantages of these two types of photodiode;
b) the avalanche region is very well centered;
c) the concave shape of the photon-exposed zone can be used to facilitate coupling with an optical fiber, the latter matching the concavity of the photodiode according to the invention.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8002247A FR2475296A1 (en) | 1980-02-01 | 1980-02-01 | Avalanche photo-diode with fibre optic coupling - has concave illuminated surface and functions without guard ring |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8002247A FR2475296A1 (en) | 1980-02-01 | 1980-02-01 | Avalanche photo-diode with fibre optic coupling - has concave illuminated surface and functions without guard ring |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2475296A1 true FR2475296A1 (en) | 1981-08-07 |
| FR2475296B1 FR2475296B1 (en) | 1981-12-31 |
Family
ID=9238115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8002247A Granted FR2475296A1 (en) | 1980-02-01 | 1980-02-01 | Avalanche photo-diode with fibre optic coupling - has concave illuminated surface and functions without guard ring |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2475296A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2779255A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-17 | ams AG | Lateral single-photon avalanche diode and their manufacturing method |
| DE112009004341B4 (en) * | 2009-01-11 | 2015-12-10 | Ketek Gmbh | Semiconductor Geiger mode microcells photodiodes |
| FR3121282A1 (en) * | 2021-03-25 | 2022-09-30 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | SPAD photodiode |
-
1980
- 1980-02-01 FR FR8002247A patent/FR2475296A1/en active Granted
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112009004341B4 (en) * | 2009-01-11 | 2015-12-10 | Ketek Gmbh | Semiconductor Geiger mode microcells photodiodes |
| EP2779255A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-17 | ams AG | Lateral single-photon avalanche diode and their manufacturing method |
| WO2014140000A3 (en) * | 2013-03-15 | 2014-12-04 | Ams Ag | Lateral single-photon avalanche diode and their manufacturing method |
| US10374114B2 (en) | 2013-03-15 | 2019-08-06 | Ams Ag | Lateral single-photon avalanche diode and method of producing a lateral single-photon avalanche diode |
| FR3121282A1 (en) * | 2021-03-25 | 2022-09-30 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | SPAD photodiode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2475296B1 (en) | 1981-12-31 |
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