FR2536911A1 - PHOTOSENSOR - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES PHOTODETECTEURS. UN PHOTODETECTEUR10 COMPREND UN ELEMENT40 QUI SUBIT UN CHANGEMENT PHYSIQUE OU CHIMIQUE INTERNE DETECTABLE LORSQU'IL EST EXPOSE A UN RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE, AINSI QUE DES MOYENS30, 50 POUR DETECTER CE CHANGEMENT. LE PHOTODETECTEUR COMPREND EGALEMENT UNE SURFACE PRATIQUEMENT PERIODIQUE QUI AUGMENTE LE RENDEMENT AVEC LEQUEL LE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE INCIDENT EST COUPLE VERS L'INTERIEUR DU PHOTODETECTEUR. APPLICATION AUX PHOTODETECTEURS RAPIDES A HAUTE SENSIBILITE.THE INVENTION RELATES TO PHOTODETECTOR TECHNOLOGY. A PHOTODETECTOR10 INCLUDES AN ELEMENT40 WHICH UNDERGOES A DETECTABLE INTERNAL PHYSICAL OR CHEMICAL CHANGE WHEN EXPOSED TO ELECTROMAGNETIC RADIATION, AS WELL AS MEANS30, 50 TO DETECT THIS CHANGE. THE PHOTODETECTOR ALSO INCLUDES A NEARLY PERIODIC SURFACE THAT INCREASES THE EFFICIENCY WITH WHICH THE INCIDENT ELECTROMAGNETIC RADIATION IS COUPLED TO THE INTERIOR OF THE PHOTODETECTOR. APPLICATION TO HIGH SENSITIVITY RAPID PHOTODETECTORS.
Description
i La présente invention concerne un photodétecteur, comprenant un élémentThe present invention relates to a photodetector comprising an element
qui subit un changement détectable lorsqu'il est exposé à un rayonnement électromagnétique, et qui comporte des moyens destinés à détecter ce changement lorsque l'élément est exposé à un rayonnement électromagnétique. which experiences a detectable change when exposed to electromagnetic radiation, and which includes means for detecting this change when the element is exposed to electromagnetic radiation.
Un photodétecteur (en ce qui concerne l'invention) est un dis- A photodetector (as far as the invention is concerned) is a
positif qui subit un changement interne détectable de ses propriétés positive that undergoes a detectable internal change in its properties
physiques ou chimiques, par exempie un changement interne de ses proprie- physical or chemical, for example, an internal change in its
tés mécaniques, électriques, électroniques ou optiques, lorsqu'il est mechanical, electrical, electronic or optical
i O exposé à un rayonnement électromagnétique, et est un dispositif qui com- exposed to electromagnetic radiation, and is a device that
prend des moyens, par exemple des électrodes, pour détecter ce change- takes means, for example electrodes, to detect this change.
ment Ainsi, par exemple, un dispositif photovoltalque est un photodé- For example, a photovoltaic device is a photode-
tecteur du fait qu'un tel dispositif subit un changement interne de ses propriétés électriques, c'est-à-dire qu'un courant est induit dans-le the fact that such a device undergoes an internal change in its electrical properties, that is to say that a current is induced in the
dispositif lorsque ce dernier est exposé à un rayonnement électromagnéti- device when exposed to electromagnetic radiation.
que, et le dispositif comprend de façon caractéristique des électrodes pour détecter le courant Deux critères qu'on utilise souvent pour évaluer l'utilité d'un photodétecteur pour un but particulier sont sa sensibilité et sa vitesse de fonctionnement Le premier critère concerne la valeur du changement induit sous l'effet du rayonnement électromagnétique incident, et le that, and the device typically comprises electrodes for sensing the current Two criteria that are often used to evaluate the usefulness of a photodetector for a particular purpose are its sensitivity and its speed of operation The first criterion relates to the value of the induced change under the effect of incident electromagnetic radiation, and the
second concerne le retard:entre une variation de l'intensité du rayonne- second is the delay: between a change in the intensity of
ment électromagnétique incident et la variation détectée correspondante electromagnetic incident and the corresponding detected variation
dans le changement interne induit.in the induced internal change.
Dans de nombreuses applications, on désire avoir une sensibili- In many applications, it is desired to have a sensitivity
té élevée et une vitesse élevée, ce qui impos-e des contraintes contradic- high speed and high speed, which imposes contradictory constraints
toires à une configuration de photodétecteur De façon générale, pour obtenir une sensibilité élevée, une quantité-relativement grande de to a photodetector configuration In general, to obtain a high sensitivity, a relatively large amount of
matière absorbant le rayonnement électromagnétique est exigée, pour pro- Electromagnetic radiation absorbing material is required for
duire un changement interne induit relativement grand, c'est-à-dire qu'une grande structure de dispositif est souhaitable Au contraire pour atteindre de façon générale des vitesses élevées, on doit employer une petite structure de dispositif Un petit dispositif diminue la capacité interne et/ou les distances internes de propagation du changement, et to induce a relatively large induced internal change, i.e. a large device structure is desirable On the contrary to generally achieve high speeds, one must employ a small device structure A small device decreases the internal capacity and / or the internal propagation distances of the change, and
augmente donc la vitesse.therefore increases the speed.
:i::I ::
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On aura un exemple des contraintes contradictoires qui sont We will have an example of the contradictory constraints that are
imposées aux photodétecteurs qui doivent présenter à la fois des sensibi- photodetectors which must have both sensitivities and
lités élevées et des vitesses de fonctionnement élevées, en considérant high capacities and high operating speeds, considering
les contraintes physiques contradictoires qui sont imposées à des photo- the contradictory physical constraints that are imposed on photo-
détecteurs de type métal-isolant-métal (MIM) devant avoir à la fois des metal-insulator-metal (MIM) type detectors to have both
vitesses de fonctionnement élevées et des sensibilités élevées Un photo- high operating speeds and high sensitivities
détecteur MIM comprend de façon caractéristique une couche de matière MIM sensor typically includes a layer of material
électriquement isolante, par exemple un oxyde métallique ou un semi- electrically insulating material, for example a metal oxide or a semi-
isolant, intercaléeentre deux électrodes, par exemple deux couches de métal planes et lisses Lorsqu'on emploie un oxyde métallique, on appelle insulation, interposed between two electrodes, for example two flat and smooth metal layers When using a metal oxide, it is called
le photodétecteur un dispositif MOM, comme par exemple Al-A 1 203-Ag. the photodetector a MOM device, such as Al-A 1 203-Ag.
Lorsqu'on emploie un semi-isolant avec une électrode transparente ( 10 % au When using a semi-insulator with a transparent electrode (10% at
moins du rayonnement incident sont transmis), on appelle le photodétec- less incident radiation is transmitted), photodetection is called
teur un dispositif MSM, comme par exemple-Al-Si amorphe AI On applique une différence de tension (de façon caractéristique de i à 2 volts) entre MSM device, as for example-Al-Si amorphous AI A voltage difference (typically i to 2 volts) is applied between
les électrodes pendant le fonctionnement du photodétecteur. the electrodes during operation of the photodetector.
Un rayonnement électromagnétique qui tombe sur une électrode d'un dispositif MOM est réfléchi dans une grande proportion et il est transmis dans le dispositif, dans une proportion très inférieure, par l'excitation d'électrons dans l'une des électrodes ou dans les deux Ces électrons excités traversent alors la couche d'oxyde, par effet tunnel, Electromagnetic radiation falling on an electrode of a MOM device is reflected in a large proportion and is transmitted in the device, in a much lower proportion, by the excitation of electrons in one or both of the electrodes. These excited electrons then pass through the oxide layer, by tunnel effect,
vers l'autre électrode Le temps nécessaire pour que ces électrons tra- to the other electrode The time it takes for these electrons to work
versent la couche d'oxyde (d'une épaisseur caractéristique de 500 nm) est de l'ordre de 10-14 seconde et ces dispositifs MOM sont donc capables, en principe, de fonctionner à des vitesses de fonctionnement très élevées, the oxide layer (with a characteristic thickness of 500 nm) is of the order of 10-14 seconds and these MOM devices are therefore able, in principle, to operate at very high operating speeds,
limitées de façon caractéristique par la capacité du dispositif Cepen- characteristically limited by the capacity of the device Cepen-
dant, le rendement quantique (le nombre d'électrons produits dans le dis- quantum yield (the number of electrons produced in
positif MOM par photon de rayonnement incident) de ces dispositifs est -4 extrêmement faible, de façon caractéristique de l'ordre de 10, du fait positive MOM per incident radiation photon) of these devices is -4 extremely low, typically of the order of 10, due to
que seule une fraction relativement faible du rayonnement incident pénè- only a relatively small fraction of incident radiation penetrates
tre réellement dans le dispositif Ces dispositifs MOM ne sont donc pas to be really in the device These MOM devices are therefore not
intéressants pour de nombreuses applications pratiques. interesting for many practical applications.
Lorsqu'un rayonnement électromagnétique tombe sur-l'électrode transparente d'un dispositif MSM, on pense qu'une fraction du rayonnement transmis est absorbée par la matière semi-isolante, dans laquelle des 3 3 When an electromagnetic radiation falls on the transparent electrode of an MSM device, it is believed that a fraction of the transmitted radiation is absorbed by the semi-insulating material, in which 3 3
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paires électron-trou sont créées Les électrons et les trous dérivent à travers la matière semi-isolante, vers l'une ou l'autre des électrodes, sous l'influence d'une différence de tension (de façon caractéristique electron-hole pairs are created Electrons and holes drift through the semi-insulating material, towards one or the other of the electrodes, under the influence of a voltage difference (typically
de 1 à 2 volts) qui est appliquée entre ies électrodes pendant le fonc- 1 to 2 volts) which is applied between the electrodes during operation.
tionnement du dispositif, pour définir un courant détectable Comme les the device, to define a detectable current.
dispositifs MOM, les dispositifs MSM présentent des vitesses de fonc- MOM devices, MSM devices have operating speeds
tionnement élevées du fait que, par exemple, si la couche semi-isolante ne mesure qu'environ 10 nm d'épaisseur, les porteurs de charge n'ont -12 besoin que d'un intervalle de temps de l'ordre de 10 seconde pour Because, for example, if the semi-insulating layer is only about 10 nm thick, charge carriers need only a time interval of the order of 10 seconds. for
i O dériver d'un c 8 té de la couche semi-isolante vers l'autre côté, Ces dis- i O drift from one side of the semi-insulating layer to the other side,
positifs MSM présentent également des-rendements quantiques faibles (de façon caractéristique d'environ 10 -3), également du fait que seule une positive MSMs also have low quantum yields (typically about 10 -3), also because only one
fraction relativement faible du rayonnement incident est couplée au dis- relatively small fraction of the incident radiation is coupled to the
positif, c'est-à-dire qu'elle est absorbée par la couche semi-isolante positive, that is to say that it is absorbed by the semi-insulating layer
pour produire des paires électron-trou On augmente aisément les rende- to produce electron-hole pairs.
ments quantiques des dispositifs MSM en augmentant l'épaisseur de la couche semi-isolante et en augmentant ainsi l'absorption des photons transmis Cependant, l'épaisseur accrue de la couche semi-isolante quantum measurements of MSM devices by increasing the thickness of the semi-insulating layer and thereby increasing the absorption of transmitted photons However, the increased thickness of the semi-insulating layer
augmente la distance de propagation et réduit donc la vitesse de fonc- increases the propagation distance and thus reduces the speed of
tionnement.tioning.
Par conséquent, les chercheurs travaillant au développement Therefore, researchers working on the development
des photodétecteurs en général, et des photodétecteurs MIM en particu- photodetectors in general, and MIM photodetectors in particular.
lier, ont longtemps recherché, sans succès jusqu'à présent, des techni- have long sought, without success so far, to
ques pour améliorer les sensibilités de photodétecteurs, ces techniques - to improve the sensitivities of photodetectors, these techniques -
ne nécessitant pas des augmentations des tailles des photodétecteurs. not requiring increases in photodetector sizes.
-Conformément à l'invention, ces problèmes sont résolus dans un photodétecteur caractérisé en ce que l'élément sensible au rayonnement comprend une surface ondulée qui est pratiquement périodique According to the invention, these problems are solved in a photodetector characterized in that the radiation-sensitive element comprises a corrugated surface which is substantially periodic.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description The invention will be better understood on reading the description
qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 à 3 sont des coupes de photodétecteurs entrant dans le cadre de l'invention which will follow embodiments, and with reference to the accompanying drawings in which: Figures 1 to 3 are sections of photodetectors within the scope of the invention
L'invention concerne les photodétecteurs, ainsi que des procé- The invention relates to photodetectors, as well as to
dés de détection de rayonnement électromagnétique Ces procédés compren- Electromagnetic radiation detection dice These methods include
:--
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nent l'opération qui consiste à détecter un changement physique ou chimi- the operation of detecting a physical or chemical change
que induit dans un photodétecteur exposé au rayonnement électromagnéti- induced in a photodetector exposed to electromagnetic radiation.
que. Les photodétecteurs qui entrent dans le cadre de l'invention ont des surfaces qui sont pratiquement périodiques, c'est-à-dire des surfaces dont les hauteurs varient de façon pratiquement périodique (par than. The photodetectors which fall within the scope of the invention have surfaces which are substantially periodic, ie surfaces whose heights vary substantially periodically (for example,
rapport à une surface de référence) lorsqu'on se déplace le long des sur- relative to a reference surface) when moving along the surface
faces de ces photodétecteurs Ces surfaces pratiquement périodiques sont faces of these photodetectors. These practically periodic surfaces are
par exemple des surfaces externes qui reçoivent directement le rayonne- for example, external surfaces that receive radiation directly
ment électromagnétique pendant le fonctionnement des photodétecteurs. during the operation of the photodetectors.
Selon une variante, ces surfaces sont internes à un photodétecteur et sont soumises au rayonnement électromagnétique qui est transmis à travers According to one variant, these surfaces are internal to a photodetector and are subjected to electromagnetic radiation which is transmitted through
une ou plusieurs couches de&matière situées au-dessus. one or more layers of & material located above.
En pratique, les surfaces pratiquement périodiques sont formées en structurant, par exemple par attaque, une surface qui est initialement relativement lisse, pour former une surface bosselée La sutface bosselée résultante constitue alors la surface pratiquement périodique Selon une variante, on dépose une couche de matière sur la surface bosselée, cette matière se conformant à la forme de la surface bosselée, et la surface In practice, the substantially periodic surfaces are formed by structuring, for example by etching, a surface which is initially relatively smooth, to form a bumpy surface. The resulting bumpy surface then constitutes the substantially periodic surface. According to one variant, a layer of material is deposited. on the bumpy surface, this material conforms to the shape of the bumpy surface, and the surface
supérieure ou inférieure de la matière déposée est la surface pratique- upper or lower material deposited is the practical surface
ment périodique Dans un cas comme dans l'autre, une surface imaginaire, Periodically, in both cases, an imaginary surface,
qui coïncide spatialement avec la surface d'origine lisse, non structu- which spatially coincides with the smooth, non-structured
rée, constitue la surface de référence à laquelle on a fait allusion précédemment Cette surface de référence est plane ou courbe mais, pour qu'une surface courbe structurée soit une surface bosselée, le rayon (ou les rayons) de courbure de la surface de référence courbe doit être supérieur au rayon de courbure des bosses, et de préférence supérieur à This reference surface is flat or curved, but for a structured curved surface to be a bumpy surface, the radius (or radii) of curvature of the reference surface is the reference surface referred to above. curve must be greater than the radius of curvature of the bumps, and preferably greater than
dix fois le rayon de courbure des bosses. ten times the radius of curvature of the bumps.
Dans le cadre de l'invention, une surface bosselée est "prati- In the context of the invention, a bumpy surface is "practically
quement périodique" si deux critères sont satisfaits Le premier critère consiste en ce que 75 % au moins des "bosses" sur une surface bosselée remplissent la condition selon laquelle l'écartement entre les sommets (ou les fonds des creux) de deux "bosses" adjacentes quelconques-sur la surface bosselée ne diffère pas de plus d'environ 0,2 A de l'écartement moyen, A Il faut noter que ces "bosses" peuvent avoir n'importe quelle Periodically "if two criteria are satisfied The first criterion is that at least 75% of the" bumps "on a bumpy surface fulfill the condition that the spacing between the peaks (or bottoms of the hollows) of two" bumps " any adjacent-on the bumpy surface does not differ by more than about 0.2A from the mean spacing, A It should be noted that these "bumps" may have any
forme, par exemple sphérique, cylindrique ou pyramidale. shape, for example spherical, cylindrical or pyramidal.
Le second critère que doit satisfaire une surface pratiquement périodique concerne la figure de lumière réfléchie que produit une telle surface Si on dirige sur une surface pratiquement périodique de la lumière parallèle ayant une longueur d'onde supérieure à l'écartement moyen entre les bosses,i, et une taille de spot supérieure à 10 A, la lumière réfléchie formera fondamentalement une figure de diffraction La position angulaire Q (par rapport à la lumière incidente) du centre de The second criterion that a substantially periodic surface must satisfy is the reflected light figure produced by such a surface. If a parallel light having a wavelength greater than the average spacing between the bumps is directed on a substantially periodic surface, , and a spot size greater than 10A, the reflected light will basically form a diffraction pattern. The angular position Q (relative to the incident light) of the center of
chaque point brillant dans la figure de diffraction qui serait produi- each bright spot in the diffraction pattern that would be produced
te par une surface parfaitement périodique (n'ayant aucune variation dans l'écartement entre bosses) est donnée par la relation (A) (sine) n dans laquelle A est la longueur d'onde de la lumière incidente et N est un entier ( 0,1,-2,) qui indique l'ordre de diffraction Cependant, la position angulaire d'un point brillant (dans la figure de diffraction) produit par une surface pratiquement périodique peut différer légèrement * de la position angulaire du point brillant correspondant qui est produit par une surface parfaitement périodique- Cette différence angulaire est cependant inférieure ou égale à 0,2 G. by a perfectly periodic surface (having no variation in the distance between bumps) is given by the relation (A) (sine) n in which A is the wavelength of the incident light and N is an integer ( 0.1, -2,) which indicates the diffraction order However, the angular position of a bright spot (in the diffraction pattern) produced by a substantially periodic surface may differ slightly * from the angular position of the corresponding bright spot which is produced by a perfectly periodic surface. This angular difference is, however, less than or equal to 0.2 G.
On a trouvé que des photodétecteurs ayant des surfaces prati- It has been found that photodetectors having practically
quement périodiques, comme défini ci-dessus, présentent des sensibilités qui sont notablement supérieures (de façon caractéristique 10 fois supérieures) aux sensibilités que présentent des types similaires de photodétecteurs (ayant des dimensions similaires) qui n'ont pas de telles surfaces (à condition que les épaisseurs des photodétecteurs comparables Periodically, as defined above, have sensitivities that are significantly higher (typically 10 times greater) than the sensitivities of similar types of photodetectors (having similar dimensions) that do not have such surfaces (provided that the thicknesses of comparable photodetectors
soient inférieures à environ 100 nm). are less than about 100 nm).
Une surface pratiquement périodique d'un photodétecteur (-entrant A practically periodic surface of a photodetector (-entrant
dans le cadre de l'invention) couple efficacement le rayonnement électro- in the context of the invention) effectively couple the electromagnetic radiation
magnétique incident vers l'intérieur du photodétecteur, sous la forme magnetic incident towards the interior of the photodetector, in the form
d'une onde électromagnétique qui se propage en traversant le photodétec- of an electromagnetic wave that propagates through the photodetec-
teur en position adjacente à la surface pratiquement périodique du photo- adjacent to the substantially periodic surface of the photo-
détecteur Cet effet de couplage de surface est absent, ou se produit d'une manière inefficace, lorsque la surface du photodétecteur est lisse ou présente seulement des inégalités réparties de façon aléatoire Ainsi, detector This surface coupling effect is absent, or occurs in an inefficient manner, when the surface of the photodetector is smooth or has only inequalities randomly distributed.
du fait que le rayonnement électromagnétique incident est plus efficace- the fact that incident electromagnetic radiation is more effective
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ment couplé par la surface vers l'intérieur des photodétecteurs entrant dans le cadre de l'invention, les sensibilités de ces photodétecteurs coupled by the surface towards the inside of the photodetectors falling within the scope of the invention, the sensitivities of these photodetectors
(en comparaison de photodétecteurs qui n'ont pas de surfaces pratique- (compared to photodetectors that do not have practical surfaces
ment périodiques) sont augmentées sans augmentation des dimensions par exemple des épaisseurs, de ces photodétecteurs. Toutes les longueurs d'onde de rayonnement électromagnétique tombant sur la surface pratiquement périodique d'un photodétecteur Periodically) are increased without increasing the dimensions, for example thicknesses, of these photodetectors. All wavelengths of electromagnetic radiation falling on the substantially periodic surface of a photodetector
(entrant dans le cadre de l'invention) ne sont pas couplées par la surfa- (within the scope of the invention) are not coupled by the surface
ce vers l'intérieur du photodétecteur On peut déterminer d'après des principes fondamentaux, par exemple la conservation de la quantité de mouvement (voir par exemple l'ouvrage de H Raether, Excitation of Plasmon and Interband Transitions by Electrons, (Springer-Verlag, 1980), page 128) , que la longueur d'onde, ?, du rayonnement électromagnétique qui est couplé par la surface vers l'intérieur d'un photodétecteur est donnée par la relation: 27 sing 2 T 2 qr(neff) this towards the interior of the photodetector One can determine according to fundamental principles, for example the conservation of the momentum (see for example the work of H Raether, Excitation of Plasmon and Interband Transitions by Electrons, (Springer-Verlag , 1980), page 128), that the wavelength λ of the electromagnetic radiation which is coupled by the surface towards the interior of a photodetector is given by the relation: 27 sing 2 T 2 qr (neff)
__ _ _+ _ = _ _ A _ ( 1)__ _ _ + _ = _ _ A _ (1)
0 désigne ici l'angle que fait le rayonnement incident par rapport à 0 here designates the angle made by the incident radiation with respect to
une normale à la surface de référence (définie ci-dessus) du photodétec- a normal to the reference surface (defined above) of the photodetect
teur (Si la surface de référence est courbe, l'orientation de la norma- (If the reference surface is curved, the orientation of the
le, et donc I'angle C, différeront de point en point, de même que les longueurs d'onde couplées dans la surface) Le paramètre neff dans l'équation ( 1) désigne l'indice de réfraction effectif du photodétecteur Si le photodétecteur consiste en the, and therefore the angle C, will differ from point to point, as well as the wavelengths coupled in the surface) The parameter neff in equation (1) designates the effective refractive index of the photodetector If the photodetector consists of
plusieurs matières différentes (pour une seule matière, N eff est simple- several different materials (for a single material, N eff is simple-
ment l'indice de réfraction de cette matière), on-détermine neff, par exemple, en exposant un échantillon de test du photodétecteur (ayant un écartement de bosses connu, A) à un rayonnement électromagnétique connu (comprenant de nombreuses longueurs d'onde) tombant sous un angle connu, The refractive index of this material is determined by, for example, exposing a test sample of the photodetector (having a known bump spacing, A) to known electromagnetic radiation (including many wavelengths). ) falling at a known angle,
O On détermine la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique cou- O The wavelength of the electromagnetic radiation is determined
plé par la surface vers l'intérieur de l'échantillon de test en détec- pleated by the surface towards the inside of the test sample in detec-
tant les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique qui est both the wavelengths of the electromagnetic radiation that is
transmis par l'échantillon de test Connaissant la longueur d'onde cou- transmitted by the test sample Knowing the wavelength
plée par la surface, A, l'écartement moyen entre bosses, A, et l'angle d'incidence, 0, on peut aisément déterminer la valeur de neff à partir plotted by the surface, A, the average distance between bumps, A, and the angle of incidence, 0, we can easily determine the value of neff from
de l'équation ( 1) Pour la-plupart des matières ou la plupart des matiè- of equation (1) For most or most materials
res composites, N ff est supérieur à 1 mais inférieur à environ 5. res composites, N ff is greater than 1 but less than about 5.
Il résulte de l'équation ( 1) ci-dessus que: (A) (neff) 1 ( 2) eff sinef f neff Les deux équations ( 1) et ( 2) montrent clairement que les photodétecteurs It follows from equation (1) above that: (A) (neff) 1 (2) eff sinef f neff Both equations (1) and (2) clearly show that photodetectors
entrant dans le cadre de l'invention sont spécifiques à la fois d'une. within the scope of the invention are specific to both a.
longueur d'onde et d'un angle, c'est-à-dire que la sensibilité d'un pho- wavelength and angle, that is to say that the sensitivity of a
todétecteur (caractérisé par un écartement entre bosses et par un indi- todetector (characterized by a distance between bumps and an indi-
ce de réfraction effectif N ff) ne sera obtenue que pour une longueur d'onde particulière,, 'd'un rayonnement électromagnétique orienté sous un angle d'incidence particulier, 9 En outre, il résulte de l'équation ( 2) que pour qu'un photodétecteur (entrant dans le cadre de l'invention) This actual refraction N ff) will be obtained only for a particular wavelength, of electromagnetic radiation oriented at a particular angle of incidence. Moreover, it follows from equation (2) that for that a photodetector (within the scope of the invention)
ayant un indice de réfraction effectif N eff détecte un rayonnement 1 éèc- having an effective refractive index N eff detects a radiation 1 ee-
tromagnétique de longueur d'onde A, ayant un angle d'incidence e, l'écartement entre bosses A doit être choisi proportionnel-lement à A tromagnetic wavelength A, having an angle of incidence e, the distance between bumps A must be chosen proportionally to A
(le facteur de proportionnalité étant (neff -s'in O)). (the proportionality factor is (neff -s'in O)).
eff- Comme indiqué ci-dessus, les écartements entre les bosses sur les surfaces des photodétecteurs entrant dans le cadre de l'invention peuvent s'écarter de l'écartement moyen, A, d'une valeur allant jusqu'à environ'0, 2 A Par conséquent, le rayonnement électromagnétique couplé par-la surface vers l'intérieur d'un photodétecteur entrant dans le cadre de l'invention ne sera pas nécessairement limité à une longueur As indicated above, the spacings between the bumps on the surfaces of the photodetectors within the scope of the invention may deviate from the average spacing, A, by up to about Therefore, the electromagnetic radiation coupled by the inward surface of a photodetector within the scope of the invention will not necessarily be limited to a length.
d'onde particulière A (définiepar l'équation ( 2)) Il y aura au contrai- waveform A (defined by equation (2)). On the contrary, there will be
re une bande de longueurs d'onde couplées par la surface vers'l'intérieur a band of wavelengths coupled by the surface towards the inside
du photodétecteur, la largeur maximale de cette bande (autour d'une lon- of the photodetector, the maximum width of this band (around a
gueur d'onde moyenne '), A, étant donnée par: A Yx=-(neff sin O)a;A ( 3) eff àA désigne ici l'écart maximal par rapport à l'écartement moyen,'/, et cet écart maximal est inférieur ou égal à environ 0,2 A. Si un photodétecteur (entrant dans le cadre de l'invention) doit détecter deux bandes de longueurs d'onde, ou plus, ne se chevauchant a), A, being given by: A Yx = - (neff sin O) a; A (3) eff at A denotes here the maximum deviation from the mean spacing, '/, and this maximum deviation is less than or equal to about 0.2 A. If a photodetector (within the scope of the invention) must detect two or more bands of overlapping wavelengths
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pas (ou une ou plusieurs longueurs d'onde dans chacune -des bandes ne se chevauchant pas), ou doit détecter une bande de longueurs d'onde qui est plus large que celle-qui est détectable avec un seul ensemble de bosses not (or one or more wavelengths in each of the non-overlapping bands), or must detect a band of wavelengths that is wider than that which is detectable with a single set of bumps
pratiquement-périodiques, le photodétecteur est alors fabriqué, conformé- the photodetector is then manufactured, in accordance with
ment à l'invention, de façon à avoir deux ensembles, ou plus, de bosses pratiquement périodiques L'écartement moyen entre bosses, A, pour chaque ensemble de bosses est choisi de façon à être proportionnel à la longueur d'onde, ou à la longueur d'onde moyenne, à détecter De plus, l'écart maximal, A-A, pour chaque ensemble de bosses doit être suffisamment grand according to the invention so as to have two or more sets of substantially periodic bumps. The average inter-bump spacing A for each set of bumps is chosen to be proportional to the wavelength, or the average wavelength, to detect In addition, the maximum deviation, AA, for each set of bumps must be large enough
pour assurer le couplage de la bande de longueurs-d'onde désirée A?). to ensure the coupling of the desired wavelength band A?).
L'amplitude d'une bosse sur une surface pratiquement périodique est définie comme étant la moitié de la distance entré les plans qui sont The amplitude of a bump on a practically periodic surface is defined as being half of the distance entered the planes that are
respectivement tangents au sommet de la bosse et au fond d'un creux adja- respectively tangent to the top of the hump and to the bottom of an adjacent hollow.
cent Conformément à l'invention, l'amplitude moyenne des bosses sur la partie d'une surface pratiquement périodique qui reçoit un rayonnement électromagnétique, s'étend d'environ 0,1 A à environ 10 i A Des amplitudes moyennes inférieures à environ 0,1 A ne sont pas souhaitables, du fait qu'une quantité défavorablement faible de rayonnement électromagnétique According to the invention, the average amplitude of the bumps on the portion of a substantially periodic surface that receives electromagnetic radiation ranges from about 0.1 A to about 10 μA. Average amplitudes less than about 0. , 1 A are undesirable because of an unfavorably low amount of electromagnetic radiation
sera couplée par la surface vers l'intérieur du photodétecteur Des ampli- will be coupled by the surface towards the inside of the photodetector Amplifiers
tudes moyennes supérieures à environs 10 A ne sont pas souhaitables du fait Higher average studies of about 10 A are not desirable because of
des difficultés de fabrication qu'elles entraînent. manufacturing difficulties they entail.
Une, technique commode pour fabriquer des photodétecteurs ayant A convenient technique for making photodetectors having
des surfaces pratiquement périodiques, conformément à l'invention, consis- substantially periodic surfaces, in accordance with the invention,
te à déposer la ou les couches de matière du photodétecteur sur un -25 substrat ayant une surface pratiquement périodique Au moment du dépôt, la ou les couches de matière se conforment (à condition d'être relativement The material layer or layers of the photodetector are deposited on a substrate having a substantially periodic surface. At the time of deposition, the layer or layers of material conform (provided they are relatively
minces) à la forme de la surface du substrat sous-jacent. thin) to the shape of the surface of the underlying substrate.
On rend pratiquement périodique une surface localement plane A locally flat surface is made substantially periodic
d'un substrat en employant par exemple une technique holographique Con- of a substrate using, for example, a holographic technique
formément à cette technique holographique, on dépose sur la surface du substrat une couche de mdasquage-dans laquelle on peut définir un motif, par exemple une matière de réserve photographique On forme ensuite une figure d'interférences dans la matière de réserve photographique, dans une in this holographic technique, there is deposited on the surface of the substrate a masking layer-in which a pattern, for example a photographic resist material, can be defined. An interfering pattern is then formed in the photoresist material, in a
première direction, en exposant par exemple la matière de réserve photo- first direction, for example by exposing the photoresist material
graphique à de la lumière provenant de deux faisceaux laser qui se rencon- light from two laser beams that meet each other.
trent La première direction mentionnée ici est la direction de la ligne définie par l'intersection du plan contenant les deux faisceaux laser et de la surface du substrat Si la lumière de chacun des faisceaux laser a une longueur d'onde 1 ' et si chacun des faisceaux laser fait un angle O par rapport à une normale à la surface du substrat, l'écartement entre The first direction mentioned here is the direction of the line defined by the intersection of the plane containing the two laser beams and the surface of the substrate. If the light of each of the laser beams has a wavelength 1 'and each of the Laser beams make an angle O relative to a normal to the surface of the substrate, the gap between
les maximums d'intensité résultants dans la matière de réserve photogra- the resulting maximum intensity in the photoresist
phique sera l/2 sin O En répétant cette procédure d'exposition dans une phique will be l / 2 sin O repeating this exposure procedure in a
seconde direction, perpendiculaire à la première direction, et en déve- second direction, perpendicular to the first direction, and in
loppant ensuite la matière de réserve photographique, on trace une figure périodique bidimensionnelle dans cette matière Si on attaque ensuite le then developing the photographic reserve material, a two-dimensional periodic figure is drawn in this material.
substrat sous-jacent, en utilisant en tant que masque d'attaque la matiè- subjacent substrate, using as an attack mask the material
re de réserve photographique-dans laquelle on a formé une figure, on photographic reserve-in which one has formed a figure, one
forme sur la surface du substrat un réseau de bosses bidirectionnel, pra- forms on the surface of the substrate a bidirectional network of bumps, which
tiquement périodique (l'écartement moyen entre les bosses sera de - periodically (the average spacing between the bumps will be -
? 1/2 sin O) Cette même technique est naturellement applicable à la surfa- ? 1/2 sin O) This same technique is naturally applicable to the surface
ce du photodétecteur lui-même, pour transformer directement la surface du photodétecteur en une surface pratiquement périodique this of the photodetector itself, to directly transform the surface of the photodetector into a substantially periodic surface
Bien que l'invention porte sur des détecteurs ayant des surfa- Although the invention relates to detectors having surface
ces pratiquement périodiques, elle porte également sur un procédé de détection de rayonnement électromagnétique Conformément au procédé de l'invention, on détecte un rayonnement électromagnétique en exposant à un rayonnement électromagnétique un photodétecteur ayant une surface pratiquement périodique, et en mesurant ensuite le changement résultant produit dans le photodétecteur Cette procédure a l'avantage de conduire à la mesure d'un signal relativement grand, du fait de la sensibilité these practically periodic, it also relates to a method of detecting electromagnetic radiation In accordance with the method of the invention, electromagnetic radiation is detected by exposing an electromagnetic radiation to a photodetector having a substantially periodic surface, and then measuring the resulting change product in the photodetector This procedure has the advantage of leading to the measurement of a relatively large signal, because of the sensitivity
accrue du photodétecteur qui résulte de l'effet de couplage par la sur- increased photodetector that results from the coupling effect by the sur-
face qui est produit par la surface pratiquement périodique. face that is produced by the substantially periodic surface.
Bien que l'invention s'applique à différents types de photodé- Although the invention applies to different types of photode-
tecteurs, elle s'applique également à des photodétecteurs rapides relati- It also applies to fast photodetectors
vement petits, comme les photodétecteurs MIM, et présente un intérêt par- such as MIM photodetectors, and is of particular interest
ticulier pour ces derniers On décrira ci-dessous les photodétecteurs MOM et MSM entrant dans le cadre de l'invention, à titre d'aide pédagogique pour permettre une compréhension plus complète de l'invention On utilise ici le terme "photodétecteur MOM" pour désigner un photodétecteur MIM dont le courant photoélectrique est produit par transfert d'électrons par Particularly for the latter The MOM and MSM photodetectors within the scope of the invention will be described below as a teaching aid to allow a more complete understanding of the invention. The term "MOM photodetector" is used herein to denote a photodetector MIM whose photoelectric current is produced by electron transfer by
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effet tunnel.tunnel effect.
De façon générale, chacun des photodétecteurs MOM et MSM In general, each of the MOM and MSM photodetectors
entrant dans le cadre de l'invention comprend une couche isolante inter- within the scope of the invention comprises an insulating layer between
calée entre deux électrodes, ainsi qu'une surface pratiquement périodi- wedged between two electrodes, and a practically periodic surface
que, dans le but d'améliorer le rendement avec lequel le rayonnement that, in order to improve the efficiency with which the radiation
électromagnétique est couplé par la surface vers l'intérieur du disposi- electromagnetic is coupled by the surface towards the inside of the device.
tif Dans le cas des photodétecteurs MOM, la surface pratiquement périodi- In the case of MOM photodetectors, the practically periodic surface
que est de façon caractéristique la surface externe d'une électrode qui that is typically the outer surface of an electrode that
reçoit directement un rayonnement électromagnétique pendant le fonction- directly receives electromagnetic radiation during
nement du-dispositif Dans le cas des photodétecteurs MSM, la surface In the case of MSM photodetectors, the surface
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pratiquement périodique est-de façon caractéristique une surface interne du dispositif, c'est-à-dire-la surface de la couche semi-isolante qui se trouve directement au-dessous d'une électrode optiquement transparente substantially periodic is typically an internal surface of the device, i.e., the surface of the semi-insulating layer which is directly below an optically transparent electrode
sur laquelle tombe le rayonnement électromagnétique. on which the electromagnetic radiation falls.
Pendant le fonctionnement des photodétecteurs MOM et MSM entrant dans le cadre de l'invention, un champ électrique est appliqué aux bornes de ces dispositifs pour propulser vers l'une ou l'autre des During the operation of the MOM and MSM photodetectors falling within the scope of the invention, an electric field is applied across these devices to propel towards one or other of the
électrodes les porteurs de charge créés par le rayonnement électromagné- electrodes the charge carriers created by electromagnetic radiation
tique absorbé (pour produire un courant électrique détectable sous l'effet du rayonnement électromagnétique) On crée par exemple ce champ absorbed (to produce a detectable electric current under the effect of electromagnetic radiation) This field is created for example
électrique en appliquant une différence de tension externe aux électro- by applying an external voltage difference to the electro-
des Selon une variante, dans'le cas des dispositifs MSM, les deux élec- According to one variant, in the case of MSM devices, the two elec-
trodes sont respectivement formées à partir de matières semiconductrices de type p et de type n, pour formerdes jonctions p-i-n qui présentent des champs électriques internes, ce qui supprime la nécessité d'une polarisation par une tension externe Une autre variante encore qui est trodes are respectively formed from p-type and n-type semiconductor materials, to form p-i-n junctions which have internal electric fields, which eliminates the need for biasing by an external voltage. Yet another variant which is
employée-dans le cas des photodétecteurs MSM consiste à former une jonc- in the case of MSM photodetectors is to form a
tion p-n pendant lafabrication de la couche semi-isolantè, cette jonc- during the manufacture of the semi-insulating layer, this junction
tion p-n présentant également un champ électrique interne. p-n also having an internal electric field.
Les surfaces pratiquement périodiques des photodétecteurs MOM The practically periodic surfaces of the MOM photodetectors
et MSM entrant dans le cadre de l'invention peuvent être fabriquées aisé- and MSM within the scope of the invention can be easily manufactured.
ment de diverses manières, comme par exemple en structurant directement ces surfaces (relativement lisses à l'origine) Cependant, et uniquement par commodité, les surfaces pratiquement périodiques des photodétecteurs envisagés ci-dessous, et représentés sur les figures 1-3; sont décrites However, and for convenience only, the practically periodic surfaces of the photodetectors contemplated below, and shown in FIGS. 1-3, are provided in various ways, such as for example by directly structuring these surfaces (relatively smooth at the origin); are described
comme ayant été fabriquées par dépôt des couches de la matière consti- as having been made by depositing the layers of the constituent material
tuant ces photodétecteurs sur-une surface pratiquement périodique d'un substrat En considérant la figure 1, on voit qu'un photodétecteur MOM 10, entrant dans le cadre de l'invention, comprend une couche isolante , relativement mince, intercalée entre des premier et second rubans de métal 30 et 50 (les rubans de métal 30 et 50 constituent les électrodes du photodétecteur) On fabrique le photodétecteur 10, par exemple, en déposant, par exemple par pulvérisation cathodique, le premier ruban de métal 30 sur la surface pratiquement périodique 25 d'un substrat 20, en 1. 2 formant la couche isolante 40 sur la surface du ruban de métal 30, plis en déposant, par exemple par évaporation, le ruban de métal-50 sur la by killing these photodetectors on a substantially periodic surface of a substrate Referring to FIG. 1, it can be seen that a MOM photodetector 10, within the scope of the invention, comprises a relatively thin insulating layer interposed between first and second second metal strips 30 and 50 (the metal strips 30 and 50 constitute the electrodes of the photodetector) The photodetector 10 is made, for example by depositing, for example by sputtering, the first metal strip 30 on the substantially periodic surface Of a substrate 20, at 1. 2 forming the insulating layer 40 on the surface of the metal strip 30, folds by depositing, for example by evaporation, the metal strip-50 on the
couche isolante 40 Pour réduire l'aire du dispositif, et donc pour rédui- Insulating layer 40 To reduce the area of the device, and therefore to reduce
re la capacité du dispositif, on dépose de façon caractéristique Le ruban de métal 50 sous un certain angle, par exemple à angle droit, par rapport the capacity of the device, the metal strip 50 is deposited in a characteristic manner at an angle, for example at a right angle, with respect to
au ruban de métal 30.to the metal ribbon 30.
Le dépôt (ou la formation) des bandes de métal 30 et 50 et de la couche isolante 40 sur la surface pratiquement périodique 25 du substrat 20 fait que la surface supérieure 60 du ruban de métal 50 prend une forme correspondantes pratiquement périodique La forme pratiquement The deposition (or formation) of the metal strips 30 and 50 and the insulating layer 40 on the substantially periodic surface 25 of the substrate 20 causes the top surface 60 of the metal strip 50 to assume a substantially periodic shape.
périodique de la surface 60 couple efficacement le rayonnement électroma- the surface of the surface 60 effectively couples the electromagnetic radiation
gnétique incident (la longueur d'onde et l'angle d'incidence du rayonne- incidental geometrics (the wavelength and the angle of incidence of
ment couplé sont définis par l'équation ( 1)) vers la bande de métal 50, are coupled by equation (1) to the metal strip 50,
sous une forme d'énergie qu'on considère être ce qu'on appelle un"polari- in the form of energy that we consider to be what we call a "polari-
ton de plasmon de surface"(c'est-à-dire une onde électromagnétique se propageant dans une matière conductrice de l'électricité en position adjacente à la surface de la matière) Le polariton de plasmon de surface surface plasmon tone "(i.e., an electromagnetic wave propagating in an electrically conductive material adjacent to the surface of the material) The surface plasmon polariton
s'atténue par un mécanisme d'excitation à une seule particule, c'est-à- attenuated by a single-particle excitation mechanism, that is,
dire que des électrons présents dans le ruban de métal 50 sont excités vers un état d'énergie supérieur, et ces électrons traversent ensuite la say that electrons present in the metal ribbon 50 are excited to a higher energy state, and these electrons then go through the
couche isolante 40, par effet tunnel, vers le ruban de métal 30. insulating layer 40, by tunnel effect, towards the metal strip 30.
On a découvert que la surface pratiquement périodique 60 du ruban de métal 50 a également pour fonction de coupler le rayonnement électromagnétique vers le ruban de métal 50 (pour renforcer le transfert d'électrons par effet tunnel) par un second-mécanisme, aussi important que le polariton de plasmon de surface On pense que le second mécanisme est une résonance de plasma localisée qui est produite dans chacune des "bosses" sur la surface 60 par le rayonnement électromagnétique incident de fréquence appropriée Cette résonance de plasma localisée constitue un mouvement oscillatoire collectif des électrons dans chaque bosse, dans une direction transversale par rapport à la direction de propagation du rayonnement électromagnétique, et ce mouvement transversal est limité par lesfrontières de chaque bosse (s'il-n'y avait pas de telles frontières, il n'y aurait pas de résonances de plasma localisées) Une résonance de plasma localisée est produite dans chaque bosse lorsque la fréquence, f, It has been found that the substantially periodic surface 60 of the metal strip 50 also functions to couple the electromagnetic radiation to the metal strip 50 (to enhance tunnel electron transfer) by a second mechanism, as important as the surface plasmon polariton It is believed that the second mechanism is a localized plasma resonance which is produced in each of the "bumps" on the surface 60 by incident electromagnetic radiation of appropriate frequency. This localized plasma resonance constitutes a collective oscillatory motion of electrons in each hump, in a direction transverse to the direction of propagation of the electromagnetic radiation, and this transverse movement is limited by the borders of each hump (if there were no such boundaries, there would be no no localized plasma resonances) A localized plasma resonance is produced in each bump when the frequency, f,
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du rayonnement électromagnétique incident est égale à V /j, en désignant p par V la fréquence de plasma en volume du métal constituant la couche 50 incident electromagnetic radiation is equal to V / d, denoting p by V the volume plasma frequency of the metal constituting the layer 50
(voir l'ouvrage de H Raether, indiqué ci-dessus, page 50, en ce qui con- (see H Raether's book, above, page 50, for
cerne les valeurs-des fréquences de plasma en volume de nombreux métaux), et j est un -facteur géométrique qui est défini par la forme des bosses et identifies the values-plasma-volume frequencies of many metals), and j is a geometrical factor that is defined by the shape of the bumps and
par l'écartement moyen,A, entre les bosses. by the average spacing, A, between the bumps.
En pratique, on utilise une procédure itérative pour déterminer à la fois un métal approprié pour le ruban de métal 50 et une valeur moyenne appropriée de l'écartement entre bosses, A, qui, pris ensemble, In practice, an iterative procedure is used to determine both a suitable metal for the metal strip 50 and an appropriate average value of the bump gap, A, which, taken together,
couplent efficacement le rayonnement électromagnétique spécifié de lon- effectively couple the specified electromagnetic radiation of long
gueur d'onde A et de-fréquence f vers les résonances de plasma locali- wavelength A and frequency f to local plasma resonances.
sées Conformément à cette procédure itérative, on prend la'valeur A/2 comme première approximation de l'écartement approprié entre bosses, A, et on prend j= 2 comme première approximation correspondante pour le facteur géométrique j On choisit ainsi le métal pour la couche de métal de façon que la moitié de la fréquence de plasma en volume pour le métal, c'est-à According to this iterative procedure, we take the value A / 2 as the first approximation of the appropriate spacing between bumps, A, and we take j = 2 as the first corresponding approximation for the geometric factor. metal layer so that half the plasma frequency by volume for the metal, that is to say
dire V /j(= 2), soit égale à la fréquence, f, du rayonnement électromagné- say V / j (= 2), equal to the frequency, f, of the electromagnetic radiation
tique qui doit être couplé vers les résonances de plasma localisées. which must be coupled to the localized plasma resonances.
Cependant, du fait que j= 2 n'est qu'une approximation de la valeur de j, on 'compense l'erreur inhérente à cette approximation en choisissant pour l'écartement moyen entre bosses,-X, une nouvelle valeur qui est appropriée au choix du métal (et à la forme des bosses) On détermine l'écartement entre bosses, nouveau et approprié, en exposant par exemple au rayonnement However, since j = 2 is only an approximation of the value of j, the error inherent in this approximation is compensated for by choosing for the average spacing between bumps, -X, a new value which is appropriate. at the choice of the metal (and the shape of the bumps) One determines the distance between bumps, new and appropriate, by exposing for example to the radiation
électromagnétique de fréquence f des échantillons de test du photodétec- electromagnetic frequency f photodetect test samples
teur 10, ayant des écartements moyens entre bosses, qui diffèrent légère- 10, having average spacings between bumps, which differ slightly
ment de l'approximation d'origine, c'est-à-dire 2 /2 (l'écart maximal par rapport à l'approximation d'origine, 5/2, doit de façon caractéristique ne pas être supérieur à environ 50 % de ?/2) On fabrique le ruban de métal 50 de chacun de ces échantillons de test à partir du métal choisi ci-dessus En détectant la fréquence du rayonnement électromagnétique qui est transmis par les échantillons de test, on détermine l'échantillon de test qui absorbe le rayonnement électromagnétique de fréquenceif, et the original approximation, that is, 2/2 (the maximum deviation from the original approximation, 5/2, should typically not be greater than about 50% The metal strip 50 of each of these test samples is made from the metal selected above. By detecting the frequency of the electromagnetic radiation that is transmitted by the test samples, the test sample is determined. which absorbs the frequency electromagnetic radiation, and
donc l'écartement approprié entre bosses. so the proper spacing between bumps.
Il faut noter qu'il n'apparatt pas de résonances de plasma localisées dans des photodétecteurs MOM ayant des surfaces lisses Bien que des résonances de plasma localisées se produisent effectivement dans It should be noted that plasma resonances localized in MOM photodetectors with smooth surfaces do not appear. Although localized plasma resonances do occur in
des pellicules sous forme d'tlots consistant en particules isolées élec- film in the form of tlots consisting of electrically isolated particles
triquement (formées en déposant des couches minces d'un métal tel que Ag, triply (formed by depositing thin layers of a metal such as Ag,
Au), les résonances sont rapidement réduites et sont incapables de produi- Au), the resonances are rapidly reduced and are unable to produce
re un transfert notable par effet tunnel lorsque les particules sont amenées en contact les unes avec les autres (pour rendre les pellicules re a significant tunneling effect when the particles are brought into contact with each other (to make dandruff
électriquement continues).electrically continuous).
Les résonances de plasma localisées qui sont produites dans les The localized plasma resonances that are produced in the
bosses sur la surface pratiquement périodique 60 sont relativement insen- bumps on the substantially periodic surface 60 are relatively insensitive
sibles à l'angle sous lequel le rayonnement incident tombe sur la surface at the angle at which incident radiation falls on the surface
, et ne dépendent dans une large mesure que de la fréquence du rayonne- , and depend to a large extent only on the frequency of
ment incident De plus, on a découvert que le courant d'effet tunnel qui est produit par les résonances de plasma localisées augmente lorsqu'on augmente l'amplitude des bosses En fait, le courant d'effet tunnel qui est produit par les résonances de plasma localisées est très supérieur (d'un facteur d'environ 2) au courant d'effet tunnel qui est produit par le polariton de plasmon de surface, une fois que l'amplitude des bosses est supérieure ou égale à environ 0,5 A Par conséquent, une fois que In addition, it has been discovered that the tunneling current that is produced by localized plasma resonances increases with increasing amplitude of bumps. In fact, the tunneling current that is produced by the resonances of localized plasma is much greater (by a factor of about 2) than the tunneling current that is produced by the surface plasmon polariton, once the amplitude of the bumps is greater than or equal to about 0.5 A Therefore, once
l'amplitude des bosses est supérieure ou égale à environ 0,5 J, le photo- the amplitude of the bumps is greater than or equal to approximately 0.5 J, the photo-
* détecteur MOM 10 est pratiquement insensible à l'angle d'incidence du* MOM 10 detector is virtually insensitive to the angle of incidence of
rayonnement électromagnétique.electromagnetic radiation.
Les matières utilisables dans le photodétecteur MOM 10 de l'invention (voir la figure 1) varient selon que le photodétecteur 10 doit être utilisé en photodétecteur sensible ou insensible à l'angle d'incidence du rayonnement électromagnétique Cependant, dans les deux The materials usable in the MOM photodetector 10 of the invention (see FIG. 1) vary depending on whether the photodetector 10 is to be used as a sensitive photodetector or insensitive to the angle of incidence of the electromagnetic radiation. However, in both
cas, la matière du substrat 20 du photodétecteur MOM 10 doit être de pré- In this case, the substrate material 20 of the MOM photodetector 10 must be preferably
férence relativement isolante au point de vue-électrique (avec une résis- relatively electrically insulating (with a resistance
tivité d'au moins 10 úL cm) dans le but de confiner les courants électri- at least 10 úL cm) in order to confine the electric currents
ques à l'intérieur du photodétecteur MOM 10 Une matière de substrat uti- within the MOM photodetector 10 A substrate material used
lisable consiste par exemple en silice fondue. readable for example consists of fused silica.
Presque n'importe quel métal est utilisable pour la première Almost any metal is usable for the first time
couche de métal 30 du photodétecteur MOM 10 (voir la figure 1) Cepen- metal layer 30 of the MOM photodetector 10 (see FIG.
dant, dans une configuration, et dans le but de définir plus aisément l'épaisseur de la couche isolante 40, on choisit de préférence le métal in a configuration, and in order to more easily define the thickness of the insulating layer 40, the metal is preferably chosen
de façon qu'il soit aisément oxydé, par exemple oxydé par plasma ou ano- so that it is easily oxidized, for example oxidized by plasma or
disé, pour former la couche isolante mince 40 Parmi les métaux qui sont aisement oxydés par plasma pour former des oxydes métalliques, on trouve par exemple Ai, Mg et Ni La couche de métal 30 doit avoir une épaisseur The metals which are easily oxidized by plasma to form metal oxides include, for example, Al, Mg and Ni. The metal layer 30 must have a thickness
d'au moins 10 nm pour que cette couche soit physiquepent (et donc élec- at least 10 nm for this layer to be physical (and therefore electrically
triquement) continue Bien qu'il n'y ait pas de limite supérieure théori- continuously) Although there is no theoretical upper limit
que sur l'épaisseur de la couche de métal 30, des considérations prati- on the thickness of the metal layer 30, practical considerations
ques, comme la nécessité de minimiser les difficultés de fabrication, such as the need to minimize manufacturing difficulties,
limitent -habituellement la couche de métal 30 à une épaisseur ne dépas- usually limit the metal layer 30 to a thickness not exceeding
sant pas quelques centaines de nanomètres environ. not a few hundred nanometers.
La couche de métal 50 peut également être constituée par presque n'importe quel métal, par exemple Au, Ag, Al L'épaisseur de la The metal layer 50 may also consist of almost any metal, for example Au, Ag, Al The thickness of the
couche de métal 50 est comprise entre environ 10 nm et environ 30 nm. metal layer 50 is between about 10 nm and about 30 nm.
Des épaisseurs inférieures a environ-10 nm sonteindésirables pour la rai- Thicknesses less than about 10 nm are undesirable for the reason
son indiquée ci-dessus Des épaisseurs supérieures à environ 30 nm sont its indicated above Thicknesses greater than about 30 nm are
indésirables du'fait que la valeur des courants d'effet tunnel est défa- undesirable effects of the fact that the value of tunneling currents is
vorablement faible.vorably weak.
La couche 40 est une couche relativement mince d'une matière Layer 40 is a relatively thin layer of a material
ayant une rigidité diélectrique élevée (de façon caractéristique supe- having a high dielectric strength (typically
-4-4
rieure à environ 10 V/cm) Parmi les matières qui ont une rigidité dié- than 10 V / cm) Among the materials which have a di-
lectrique aussi élevée et qui sont utilisées pour la couche 40 figurent des oxydes métalliques tels que A 1203, Mg O, et Ni Oi L'épaisseur de la couche 40 est comprise entre environ 1 nm et environ 10 nm Une épaisseur inférieure à environ i nm est indésirable du fait qu'"une couche aussi Electrical levels as high as those used for layer 40 include metal oxides such as A 1203, Mg O, and Ni Oi. The thickness of layer 40 is between about 1 nm and about 10 nm. A thickness of less than about 1 nm. is undesirable because "a layer as
mince est susceptible de subir un-claquage électrique (même si la matiè- thin is likely to undergo electrical breakdown (even if the
re n'est pas physiquement discontinue, elle le deviendra sous l'effet de l'application d'une différence de tension) D'autre part, des épaisseurs supérieures à environ 10 nm sont indésirables du fait que des courants d'effet tunnel défavorablement faibles traverseront la couche 40 A cause de la facilité avec laquelle on peut définir l'épaisseur, on forme de re is not physically discontinuous, it will become so under the effect of the application of a voltage difference) On the other hand, thicknesses greater than about 10 nm are undesirable because of tunneling currents unfavorably weak will cross the layer 40 Because of the ease with which one can define the thickness, one forms of
préférence la couche 40 par oxydation de la couche de métal 30, par exem- preferably the layer 40 by oxidation of the metal layer 30, for example
ple par oxydation par plasma La couche isolante 40 est ainsi de préfé- The insulating layer 40 is thus preferentially
rence un oxyde de la couche de métal 30, d'o le nom de photodétecteur an oxide of the metal layer 30, hence the name photodetector
métal-oxyde-métal -metal-oxide-metal -
Si on doit utiliser le photodétecteur 10 en tant que détecteur sensible à l'angle d'incidence, outre le fait que la surface 60 de la i If the photodetector 10 is to be used as an angle of incidence detector, besides the fact that the surface 60 of the
couche de métai 50 doit être pratiquement périodique (dans le but de cou- metai layer 50 must be practically periodic (for the purpose of
pler le rayonnement électromagnétique incident pour produire un polariton de plasmon de surface dans la couche de métal 50), le coefficient the incident electromagnetic radiation to produce a surface plasmon polariton in the metal layer 50), the coefficient
d'absorption du métal de la couche de métal 50 pour le polariton de plas- absorption of the metal of the metal layer 50 for the polariton of
mon de surface doit être de préférence inférieur à 1/AJ Un tel coeffi- surface area should preferably be less than 1 / AJ Such a coefficient
cient d'absorption permettra au polariton de plasmon de surface de se pro- absorption will allow the surface plasmon polariton to
pager dans le métal sur une distance dépassant l'écartement moyen entre bosses Parmi les métaux qui présentent un tel coefficient d'absorption figurent Ag, Au et Ai Pour d'autres métaux de ce type, voir par exemple to pager in the metal over a distance exceeding the average spacing between bumps Among the metals that have such an absorption coefficient are Ag, Au and Ai For other metals of this type, see for example
un article de P B Johnson et R W Christy paru dans Physical Review, - an article by P B Johnson and R W Christy published in Physical Review, -
Vol B 6, 1962, page 4370.Vol B 6, 1962, page 4370.
Pour que le photodétecteur MOM soit sensible à l'angle d'inci- For the MOM photodetector to be sensitive to the angle of incidence
dence, l'amplitude des bosses doit être comprise entre environ 0,1 A et dence, the amplitude of the bumps should be between approximately 0.1 A and
environ 0,3 J Des amplitudes inférieures à environ 0,1 A sont indésira- about 0.3 J Amplitudes less than about 0.1 A are undesirable.
bles du fait que le courant d'effet tunnel résultant est défavorablement faible Des amplitudes supérieures à environ 0,3 L sont indésirables du because the resulting tunnel effect current is unfavorably low Amplitudes greater than about 0.3 L are
fait que l'influence des résonances de plasma localisées devient défavo- fact that the influence of localized plasma resonances becomes
rablement élevée et que le détecteur devient défavorablement insensible high and that the detector becomes unfavorably insensitive
à 'angle d'incidence du rayonnement électromagnétique - at angle of incidence of electromagnetic radiation -
Si le photodétecteur MOM 10 doit être insensible à l'angle d'incidence, outre le fait que la couche de métal 50 et l'écartement moyen entre les bosses sont choisis de façon à produire des résonances de plasma localisées, l'amplitude des bosses sur la surface 60 doit être comprise entre environ 0,5,A et environ 10 A Des amplitudes inférieures à environ 0,5 A sont indésirables du fait que l'influence de polaritons de plasmon de surface devient défavorablement élevée et que le détecteur devient défavorablement sensible à l'angle d'incidence du rayonnement If the MOM photodetector 10 is to be insensitive to the angle of incidence, besides the fact that the metal layer 50 and the mean spacing between the bumps are chosen so as to produce localized plasma resonances, the amplitude of the bumps on the surface 60 should be between about 0.5, A and about 10A. Amplitudes less than about 0.5A are undesirable because the influence of surface plasmon polaritons becomes unfavorably high and the detector becomes unfavorably sensitive to the angle of incidence of the radiation
électromagnétique Des amplitudes supérieures à environ 10 A sont indési- electromagnetic amplitudes greater than about 10 A are
rables du fait que les surfaces ayant des bosses d'une telle amplitude because surfaces with bumps of such magnitude
sont défavorablement difficiles à fabriquer. are unfavorably difficult to manufacture.
Si par exemp Ie le photo détecteur MOM 10 doit détecter de la lumière visible, d'une longueur d'onde égale à environ 0,5 pm (et d'une 14fréquence égale à environ 6 x 10 Hz), et si le détecteur doit être If, for example, the MOM photo detector 10 is to detect visible light with a wavelength of about 0.5 μm (and a frequency equal to about 6 × 10 Hz), and if the detector be
insensible à l'angle, une première approximation utilisable pour l'écarte- insensitive to the angle, a first approximation that can be used for spreading
ment moyen entre bosses, JA, est X/2 = 0,25 pm, et un métal utilisable pour la-couche 50 est par exemple Ag, dont la fréquence de plasma en volume est d'environ 10 Hz (lorsque cette fréquence est divisée par 2, 14 - The average amount between bumps, JA, is X / 2 = 0.25 μm, and a usable metal for la-layer 50 is, for example, Ag, whose volume plasma frequency is about 10 Hz (when this frequency is divided by 2, 14 -
elle donne une valeur proche de 6 x 10 Hz) En utilisant des échantil- it gives a value close to 6 x 10 Hz) Using samples
lons de test, on a trouvé que la fréquence désirée était absorbée par la couche de métal 50 si l'écartement moyen entre bosses, JA, était égal à 0, 25 pm En outre, si l'amplitude des bosses est supérieure a environ 0,5 A = 0,125 pm, le détecteur 10 est relativement insensible à l'angle d'incidence En considérant la figure 2, on voit un mode de réalisation du photodétecteur MSM 70 entrant dans le cadre de l'invention, qui comprend In addition, if the amplitude of the bumps was greater than The detector 10 is relatively insensitive to the angle of incidence. With reference to FIG. 2, there is shown an embodiment of the MSM photodetector 70 within the scope of the invention, which comprises
une couche de matière semi-isolante 100 (une matière qui a une résistivi- a layer of semi-insulating material 100 (a material which has a resistivity
té d'au moins 1 k Lcm) intercalée entre deux électrodes, c'est-à-dire deux rubans de matière conductrice de l'électricité 90 et 110 (ayant une résistivité au plus égale à 0,1 i l cm) Le photodétecteur MSM 70 est fabriqué par exemple en déposant successivement les couches 90, 100 et at least 1 k Lcm) interposed between two electrodes, that is to say two ribbons of electrically conductive material 90 and 110 (having a resistivity of not more than 0.1 cm) MSM photodetector 70 is manufactured for example by successively depositing the layers 90, 100 and
sur la surface pratiquement périodique 85 d'un substrat électrique- on the substantially periodic surface 85 of an electrical substrate
ment isolant 80 (ayant de préférence une résistivité supérieure à envi- insulation 80 (preferably having a resistivity greater than
ron 104 XL cm) Pour réduire la capacité du dispositif, le ruban 110 est déposé sous un certain angle, par exemple un angle droit, par rapport au In order to reduce the capacity of the device, the tape 110 is deposited at an angle, for example a right angle, with respect to
ruban 90.ribbon 90.
La principale différence entre le photodétecteur MSM 70 et le photodétecteur MOM 10 réside dans le fait que les courants électriques The main difference between the MSM 70 photodetector and the MOM 10 photodetector is that the electric currents
produits dans le détecteur 70, sous l'effet du rayonnement électromagné- produced in the detector 70 under the effect of electromagnetic radiation
tique incident, sont dûs de façon générale à l'absorption du rayonnement électromagnétique par la couche semi-isolante 100, et à la formation résultante de paires électron-trou dans cette couche Pour permettre la incident, are due generally to the absorption of electromagnetic radiation by the semi-insulating layer 100, and to the resulting formation of electron-hole pairs in this layer.
formation de grands nombres de paires d'électron-trou, la couche conduc- formation of large numbers of electron-hole pairs, the conductive layer
trice de l'électricité 110 est fabriquée de façon à être notablement transparente au rayonnement électromagnétique incident (la couche 110 transmet au moins 10 % du rayonnement électromagnétique qui tombe-sur cette couche) Cependant, si la couche supérieure 110 est, par exemple, en métal, les courants électriques produits dans le photodétecteur MSM The electricity generator 110 is manufactured to be substantially transparent to incident electromagnetic radiation (the layer 110 transmits at least 10% of the electromagnetic radiation that falls on it). However, if the upper layer 110 is, for example, metal, the electric currents produced in the MSM photodetector
peuvent être dûs, au moins en partie, à des électrons excités prove- may be due, at least in part, to excited electrons from
nant de la couche de métal 110, qui traversent la couche semi-isolante 100 Ces électrons excités sont formés, par exemple, par l'atténuation 110 of the metal layer 110, which pass through the semi-insulating layer 100 These excited electrons are formed, for example, by the attenuation
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d'un polariton de plasmon de surface dans la couche de métal 110, et ce polariton de plasmon de surface est produit par le couplage de surface du rayonnement électromagnétique vers la couche de métal 110 Ces électrons excités peuvent également résulter de résonances de plasma localisées dans les bosses sur la surface de la couche de métal 110. Le dépôt des couches 90, 100 et 110 sur la surface pratiquement of a surface plasmon polariton in the metal layer 110, and this surface plasmon polariton is produced by the surface coupling of the electromagnetic radiation to the metal layer 110. These excited electrons may also result from localized plasma resonances in the bumps on the surface of the metal layer 110. The deposition of the layers 90, 100 and 110 on the surface substantially
périodique 85 du substrat 80 fait que la surface 115 de la couche semi- 85 of the substrate 80 causes the surface 115 of the semiconductor layer
isolante 100 prend une forme correspondante, pratiquement périodique Les équations ( 1) et ( 2) définissent l'écartement moyen,AJ, entre les bosses sur la surface 115, en fonction de la longueur d'onde, A, du rayonnement électromagnétique qui doit être couplé vers la couche semi- isolante 100 (sous la forme d'une onde électromagnétique qui se propage en position adjacente à la surface 115) Comme précédemment, l'amplitude moyenne des insulating 100 takes a corresponding form, substantially periodic Equations (1) and (2) define the average spacing, AJ, between the bumps on the surface 115, as a function of the wavelength, A, of the electromagnetic radiation which must coupled to the semi-insulating layer 100 (in the form of an electromagnetic wave propagating adjacent the surface 115). As previously, the average amplitude of the
bosses est comprise entre environ O,l A et environ 10 J-. bumps is from about 0.1 to about 10.
La couche semi-isolante 100 est fabriquée à partir d'une matiè- The semi-insulating layer 100 is made from a material
re semi-isolante quelconque parmi diverses matières de ce type Cepen- semi-insulating material of any such materials.
dant, toutes ces matières semi-isolantes sont des matières qui présentent une résistivité d'au moins 1 k L cm, dans le but d'éliminer, ou au moins all these semi-insulating materials are materials that have a resistivity of at least 1 k L cm, in order to eliminate, or at least
de minimiser, des courants d'obscurité (des courants électriques pro- to minimize currents of darkness (electrical currents
duits dans le photodétecteur 70 en l'absence de rayonnement électromagné- in the photodetector 70 in the absence of electromagnetic radiation
tique) Parmi les matières semi-isolantes utilisables figure le silicium amorphe (non dopé) qui a ou n'a pas été hydrogéné (avec un pourcentage atomique de H allant jusqu'à 30 %) Le silicium amorphe est déposé (sur la couche conductrice de l'électricité 90) en employant par exemple des techniques classiques de pulvérisation cathodique ou de dép 8 t chimique en phase vapeur Le silicium monocristallin et le silicium polycristallin (non dopés) sont d'autres matières semi-isolantes utilisables On dépose le silicium monocristallin en employant par exemple des techniques de Among the semi-insulating materials that can be used is amorphous silicon (undoped) which has or has not been hydrogenated (with an atomic percentage of H up to 30%). The amorphous silicon is deposited (on the conducting layer Electricity 90) using, for example, conventional sputtering or chemical vapor phase deposition techniques. Monocrystalline silicon and polycrystalline silicon (undoped) are other useful semi-insulating materials Monocrystalline silicon is deposited. for example using techniques of
dép 8 t chimique en phase vapeur ou d'épitaxie par jets moléculaires, tan- chemical vapor deposition 8 or molecular beam epitaxy, tan
dis qu'on dépose le silicium polycristallin en employant par exemple des techniques classiques de pulvérisation cathodique ou de dép 8 t chimique en phase vapeur Il existe encore d'autres matières utilisables comme des composés III-V dopés de façon appropriée (pour produire une résistivité d'au moins 1 k L cm), comme l'arséniure de gallium, le phosphure d'indium, l'arséniure d'indium-gallium et l'arsénio-phosphure d'indium-gallium, et Polycrystalline silicon is deposited using conventional sputtering or chemical vapor deposition techniques, for example. There are still other materials which can be used as appropriately doped III-V compounds (to produce resistivity). at least 1 k L cm), such as gallium arsenide, indium phosphide, indium gallium arsenide and indium gallium arsenide phosphide, and
des composés II-VI dopés de façon appropriée, comme le tellurure de mer- suitably doped II-VI compounds, such as sea telluride-
cure-cadmium Selon la matière particulière, ces matières sont déposées par des techniques bien connues d'épitaxie par jets moléculaires, de According to the particular material, these materials are deposited by well known techniques of molecular beam epitaxy,
dépôt chimique en phase vapeur et d'épitaxie en-phase liquide. chemical vapor deposition and in-liquid phase epitaxy.
L'épaisseur de la couche semi-isolante 100 est comprise entre environ 10 nm et environ 1 pm Des épaisseurs inférieures à environ nm sont indésirables du fait qu'il est probable que des couches de matière déposées ayant des épaisseurs-aussi faibles soient physiquement discontinues Des épaisseurs-supérieures à environ 1 pm, bien que n'étant pas interdites, font que la couche semi-isolante 100 est si:épaisse (et donc absorbe une si grande partie du rayonnement électromagnétique) que The thickness of the semi-insulating layer 100 is between about 10 nm and about 1 μm. Thicknesses less than about nm are undesirable because it is likely that layers of deposited material having such low thicknesses are physically discontinuous. Thicknesses greater than about 1 μm, although not prohibited, cause the semi-insulating layer 100 to be so thick (and thus absorb so much of the electromagnetic radiation) that
la surface pratiquement périodique 115 ne procure qu'un faible avantage. the substantially periodic surface 115 provides only a small advantage.
Alors que les couches déposées conductrices de l'électricité, et 110, remplissent toutes deux la fonction d'électrodes pour détecter le photocourant dans le photodétecteur 70, la couche 110 doit également être notablement transparente au rayonnement électromagnétique (bien que la couche 90 soit également utile si elle aussi est transparente) Si la couche 110 consiste en un métal, par exemple Au, Ag ou A 1, l'épaisseur de cette couche-est comprise entre environ:10 nm et environ 30 nm Des épaisseurs inférieures à environ 10 nm sont indésirables du fait qu'une telle couche de métal déposée, par exemple par pulvérisation cathodique, risque d'être physiquement (et donc électriquement) discontinue D'autre part, des épaisseurs supérieures à environ 30 nm sont indésirables du fait qu'une couche de métal ayant une aussi grande épaisseur ne sera pas While the electrically conductive deposited layers, and 110, both perform the function of electrodes for detecting the photocurrent in the photodetector 70, the layer 110 must also be substantially transparent to the electromagnetic radiation (although the layer 90 is also useful if it is also transparent) If the layer 110 consists of a metal, for example Au, Ag or A 1, the thickness of this layer is between about 10 nm and about 30 nm. Thicknesses less than about 10 nm. are undesirable because such a deposited layer of metal, for example by sputtering, risks being physically (and therefore electrically) discontinuous. On the other hand, thicknesses greater than about 30 nm are undesirable because a layer of metal having such a large thickness will not be
notablement transparente au rayonnement électromagnétique (elle trans- significantly transparent to electromagnetic radiation (it transmits
mettra moins d'environ 10 % du rayonnement électromagnétique incident). will put less than about 10% of the incident electromagnetic radiation).
L'oxyde d'indium-étain est une autre matière qui est utilisa- Indium-tin oxide is another material that is used
ble pour fabriquer la couche 110 et qui est à la fois conductrice de to make layer 110 and which is both conductive of
l'électricité et pratiquement transparente au rayonnement électromagnéti- electricity and practically transparent to electromagnetic radiation.
que On dépose l'oxyde d'indium-étain sur la couche semi-isolante 100 en procédant par exemple par pulvérisation cathodique L'épaisseur de la indium-tin oxide is deposited on the semi-insulating layer 100, for example by cathodic sputtering. The thickness of the
couche d'indium-étain est comprise entre environ 30 nm et environ 2 pm. The indium-tin layer is from about 30 nm to about 2 μm.
Des épaisseurs inférieures à environ 30 nmdonnent des couches d'oxyde d'indium-étain qui ont des conductances défavorablement faibles Des épaisseurs supérieures à environ 2 pm, bien que n'étant pas interdites, Thicknesses of less than about 30 nm give layers of indium tin oxide which have poorly conducting conductances. Thicknesses greater than about 2 μm, although not prohibited,
exigent une durée de dépôt défavorablement élevée. require an unfavorably long deposition time.
D'autres matières encore utilisables pour la fabrication de la couche 110 consistent en matières semiconductrices dopées de façon appropriée, dont les bandes interdites sont plus grandes que la bande interdite de la couche semi-isolante 100 Si par exemple la couche semi- isolante 100 est une couche d'arséniure de gallium dopée, par exemple, 18 -3 avec du chrome jusqu'à un niveau d'environ 10 cm 3, la couche 110 est par exemple de l'arséniure de gallium-aluminium dopé, par exemple, avec 19 -3 Other materials still usable for the manufacture of the layer 110 consist of appropriately doped semiconducting materials whose forbidden bands are larger than the forbidden band of the semi-insulating layer 100 Si, for example the semi-insulating layer 100 is a layer of gallium arsenide doped, for example, 18 -3 with chromium to a level of about 10 cm 3, the layer 110 is, for example, doped aluminum gallium arsenide, for example with 19 -3
du silicium jusqu'à un niveau d'environ 10 cm 3 Les matières semicon- silicon to a level of about 10 cm 3 The semicon-
ductrices pour-la couche 110 sont déposées sur la couche semi-isolante en employant par exemple des techniques classiques de dépôt chimique en phase vapeur sous faible pression Les épaisseurs de ces matières semiconductrices sont comprises entre environ 30 nm et environ 2 jam Des layer 110 conductors are deposited on the semi-insulating layer using, for example, conventional low pressure chemical vapor deposition techniques. The thicknesses of these semiconductor materials are from about 30 nm to about 2 μm.
épaisseurs hors de cette gamme sont indésirables pour les raisons indi- thicknesses out of this range are undesirable for the indi-
quées ci-dessus (bien que des épaisseurs supérieures à environ 2 pm ne above (although thicknesses greater than about 2
soient pas interdites).not forbidden).
Il n'est pas nécessaire que la couche 90 soit notablement transparente au rayonnement électromagnétique (bien que ceci ne soit pas Layer 90 does not need to be significantly transparent to electromagnetic radiation (although this is not
interdit), et la couche 90 consiste donc en l'une quelconque des matiè- forbidden), and layer 90 therefore consists of any of the
res envisagées ci-dessus (en-relation avec la couche 110) ayant les pla- considered above (in relation to layer 110) having the
ges d'épaisseur envisagées ci-dessus Cependant, les limites supérieures des plages d'épaisseur qui sont imposées par l'exigence de transmission however, the upper limits of the thickness ranges that are imposed by the transmission requirement
ne s'appliquent pas.do not apply.
Dans un second mode de réalisation du photodétecteur MSM 70, qui est de façon générale similaire au premier mode de réalisation, décrit ci-dessus, la matière semi-isolante de la couche 100 est dopée de façon à produire une jonction p-n caractérisée par un champ électrique interne de valeur égale à au moins 10 V/cm On forme par exemple une telle jonction p-n en déposant la moitié de l'épaisseur de la couche-i O O et en dopant cette moitié de façon à produire une matière de conductivité In a second embodiment of the MSM photodetector 70, which is generally similar to the first embodiment, described above, the semi-insulating material of the layer 100 is doped to produce a pn junction characterized by a field internal electrical circuit having a value equal to at least 10 V / cm. For example, such a pn junction is formed by depositing half the thickness of the OO layer and doping this half so as to produce a conductivity material.
de type n, et en déposant ensuite la moitié restante de l'épaisseur de la. of type n, and then depositing the remaining half of the thickness of the.
couche 100 et en dopant cette moitié restante pour produire de la matière -de conductivité de type p L'existence de la polarisation électrique layer 100 and doping this remaining half to produce p-type conductivity material The existence of electric polarization
interne qui est associée à-la jonction p-n supprime la nécessité d'appli- internal link associated with the p-n junction removes the need for
quer -une polarisation par une tension externe aux couches conductrices de l'électricité 90 et 110 pendant le fonctionnement du photodétecteur 70. Dans un troisième mode de réalisation du photodétecteur MSM 70, qui supprime également la nécessité de l'application d'une polarisation par une tension externe, l'électrode 110 (voir la figure 2) comprend une couche de matière semiconductrice, par exemple de conductivité de type p (en contact avec la couche 100), tandis que l'électrode 90 comprend une couche de matière semiconductrice, par exemple dé-conductivité de type n (en contact avec la couche 100) Ainsi, les deux électrodes 90 et 110, et la couche semi-isolante 100, définissent une jonction p-i-n Bien que diverses matières semiconductrices soient utilisables pour les électrodes quer-a polarization by a voltage external to the electrically conductive layers 90 and 110 during operation of the photodetector 70. In a third embodiment of the photodetector MSM 70, which also eliminates the need for the application of a polarization by an external voltage, the electrode 110 (see FIG. 2) comprises a layer of semiconducting material, for example of p-type conductivity (in contact with the layer 100), whereas the electrode 90 comprises a layer of semiconducting material, for example, n-type de-conductivity (in contact with the layer 100) Thus, the two electrodes 90 and 110, and the semi-insulating layer 100, define a pin junction Although various semiconductor materials can be used for the electrodes
et 110, la jonction p-i-n résultante doit présenter un champ électri- and 110, the resulting p-i-n junction must have an electric field
que qui s'étend sur l'épaisseur de la couche semi-isolante 100 et qui a that extends over the thickness of the semi-insulating layer 100 and which has
une valeur d'au moins 10 V/cm Des valeurs de champ électrique inférieu- a value of at least 10 V / cm Lower electric field values
res à environ 10 V/cm sont indésirables du fait que le temps que prennent les porteurs de charge pour traverser l'épaisseur de la couche at about 10 V / cm are undesirable because the time taken by the charge carriers to cross the layer thickness
semi-isolante devient défavorablement long. semi-insulating becomes unfavorably long.
Bien entendu, le photocourant qui est produit dans le-photodé- Of course, the photocurrent that is produced in the photode-
tecteur 70 est détecté sur les -électrodes 90 et 110, et chaque électrode 70 is detected on the electrodes 90 and 110, and each electrode
comprend donc une couche de métal qui forme un contact à faible résistan- therefore includes a layer of metal that forms a low-resistance contact
ce (la résistance doit être inférieure à environ 100 ohms) avec la cou- this (the resistance must be less than about 100 ohms) with the
che semiconductrice respective Par exemple, si l'électrode 110 comprend une couche de phosphure d'indium dopée avec du zinc (conductivité de type p), une couche d'alliage zinc-or, par exemple, formera un contact à faible résistance avec le phosphure d'indium Si l'électrode 90 comprend, par exemple, une couche de phosphure d'indium dopée avec du silicium (conductivité de type n), une couche d'alliage or-étain-nickel, par exemple, formera un contact à faible résistance avec le phosphure d'indium Pour que l'électrode 110 soit notablement transparente au rayonnement électromagnétique, l'épaisseur de la couche de métal qui est utilisée pour former le contact à faible résistance doit être inférieure à environ 30 nm, tandis que l'épaisseur de la-couche semiconductrice doit For example, if the electrode 110 comprises an indium phosphide layer doped with zinc (p-type conductivity), a zinc-gold alloy layer, for example, will form a low-resistance contact with the Indium phosphide If the electrode 90 comprises, for example, a layer of indium phosphide doped with silicon (n-type conductivity), a layer of gold-tin-nickel alloy, for example, will form a contact with low resistance with indium phosphide For the electrode 110 to be substantially transparent to electromagnetic radiation, the thickness of the metal layer that is used to form the low-resistance contact must be less than about 30 nm, while the thickness of the semiconductor layer must
être inférieure à environ 1 pm.be less than about 1 pm.
En considérant la figure 3, on voit un quatrième mode de réali- Looking at Figure 3, we see a fourth way of realizing
sation du photodétecteur MSM 70, qui est de façon générale similaire au of the MSM 70 photodetector, which is generally similar to
-2536911-2536911
premier mode de réalisation, et qui comprend une couche de matière semi- first embodiment, and which comprises a layer of semi-
isolante 100 (cette matière ayant une résistivité d'au moins 1 k cnm) qui est déposée directement sur la surface pratiquement périodique 85 d'un substrat électriquement isolant 80 (la résistance de la matière du substrat est supérieure à celle de la matière semi-isolante) Ce quatrième mode de réalisation du photodétecteur comprend également deux couches insulator 100 (this material having a resistivity of at least 1k cnm) which is deposited directly on the substantially periodic surface 85 of an electrically insulating substrate 80 (the resistance of the substrate material is greater than that of the semiconductor material); This fourth embodiment of the photodetector also comprises two layers
conductrices de l'électricité 120 et 130, mutuellement espacées et dépo- electrically conductive conductors 120 and 130, spaced apart and
sées sur la surface pratiquement périodique 115 de la couche semiisolante , ces couches 120 et 130 constituant les électrodes du photodétecteur 70. En fonctionnement, lorsqu'un rayonnement électromagnétique tombe sur la surface pratiquement périodique 115, cette surface couple le rayonnement incident vers la couche semi-isolante 100 sous la forme d'une onde électromagnétique qui se propage en position adjacente à la surface on the substantially periodic surface 115 of the semisolant layer, these layers 120 and 130 constituting the electrodes of the photodetector 70. In operation, when electromagnetic radiation falls on the substantially periodic surface 115, this surface couples the incident radiation to the semi-layer -solvent 100 in the form of an electromagnetic wave that propagates adjacent to the surface
115 Le passage de cette onde entraîne la formation de paires électron- 115 The passage of this wave leads to the formation of electron pairs
trou près de la surface 115, les électrons et les trous se déplaçant-vers hole near the surface 115, the electrons and the holes moving-to
l'une ou l'autre des électrodes 120 ou 130, sous l'influence de la diffé- one or the other of the electrodes 120 or 130, under the influence of the
rence de potentiel appliquée.applied potential.
La couche semi-isolante 100 est déposée sur le substrat 80 en The semi-insulating layer 100 is deposited on the substrate 80 in
employant par exemple des techniques classiques de dépôt chimique en pha- using, for example, conventional techniques for the chemical deposition
se vapeur, et elle est constituée par l'une quelconque des matières semi- steam, and it consists of any of the semi-
isolantes envisagées en relation avec la couche semi-isolante du premier insulation considered in relation to the semi-insulating layer of the first
mode de réalisation du photodétecteur 70 L'épaisseur de la couche semi- The photodetector embodiment 70 The thickness of the semiconductor layer
isolante 100 est aussi grande qu'on le désire, mais cette épaisseur doit être d'au moins 10 nm pour assurer la continuité physique de la couche 100. Dans le quatrième mode de réalisation du photodétecteur 70 100 is as large as desired, but this thickness must be at least 10 nm to ensure the physical continuity of the layer 100. In the fourth embodiment of the photodetector 70
(voir la figure 3), décrit ci-dessus, le couplage du rayonnement électro- (see Figure 3), described above, the coupling of electromagnetic radiation
magnétique-vers la couche semi-isolante 100 est de préférence confiné dans l'espace compris entre les électrodes 120 et 130 Ainsi, les électrodes magnetic-to the semi-insulating layer 100 is preferably confined in the space between the electrodes 120 and 130 Thus, the electrodes
sont de préférence fabriquées à partir de matières conductrices de l'élec- are preferably made from electrically conductive materials.
-3 ç -1-3 ç -1
tricité (ayant une conductivité au moins égale à 10 ( - cm)) qui sont pratiquement opaques au rayonnement électromagnétique (les électrodes ne transmettent pas plus d'environ 10 % du rayonnement incident) Si par exemple les électrodes 120 et 130 sont en un métal tel que Au ou Ag, tricity (having a conductivity of at least 10 (- cm)) which are practically opaque to electromagnetic radiation (the electrodes do not transmit more than about 10% of the incident radiation) If for example the electrodes 120 and 130 are made of a metal such as Au or Ag,
253691 1253691 1
l'épaisseur des électrodes doit être d'au moins 20 nm pour qu'elles soient pratiquement opaques De telles électrodes en métal s-ont par exemple formées par pulvérisation cathodique sur la surface 115 de la couche semi-isolante 100, en utilisant une couche de masquage dans laquelle on a défini un motif, par exemple une couche de matière de the thickness of the electrodes must be at least 20 nm so that they are practically opaque. Such metal electrodes have for example formed by cathodic sputtering on the surface 115 of the semi-insulating layer 100, using a layer in which a pattern has been defined, for example a layer of
réserve dans laquelle on a défini un motif, pour empêcher la métallisa- reserve in which a pattern has been defined, to prevent metallisation
tion de la partie de la surface 115 qui doit absorber le raybnnement électromagnétique. Dans un autre mode de réalisation encore du photodétecteur MSM tion of the part of the surface 115 which must absorb the electromagnetic radiation. In yet another embodiment of the MSM photodetector
70 (voir la figure 3), les électrodes 120 et 130 et la couche semi- 70 (see FIG. 3), the electrodes 120 and 130 and the semiconductor layer
isolante 100 forment une jonction p-i-n A l'exception des positions différentes des électrodes, cette jonction-p-i-n est identique à celle insulating 100 form a junction p-i-n With the exception of the different positions of the electrodes, this junction-p-i-n is identical to that
décrite ci-dessus Si les électrodes 120 et 130 doivent être pratique- described above If the electrodes 120 and 130 are to be practically
ment opaques au rayonnement électromagnétique incident, on donne une épaisseur d'au moins 20 nm aux couches de métal utilisées pour former opaque to incident electromagnetic radiation, a thickness of at least 20 nm is given to the metal layers used to form
les contacts à faible résistance.low resistance contacts.
Exemple 1Example 1
On a fabriqué un photodétecteur MOM Al-A 1203-Ag, ayant une structure similaire -à celle du photodétecteur MOM représenté sur la figure 1, en nettoyant tout d'abord avec des solvants classiques une A MOM Al-A 1203-Ag photodetector having a structure similar to that of the MOM photodetector shown in FIG. 1 was manufactured by first cleaning with conventional solvents a
plaque carrée de silice fondue (de 2,5 cm de côté et-de i mm d-'épais- square plate of fused silica (2.5 cm square and-mm thick
seur) On a utilisé la plaque de silice fondue comme substrat sur lequel on a fabriqué le photodétecteur MOM The fused silica plate was used as the substrate on which the MOM photodetector was made.
On a structuré par lithographie la surface supérieure relative- The relative top surface was lithographically
ment lisse de la plaque de silice fondue (pour former une surface prati- of the fused silica plate (to form a practically
quement périodique) en évaporant tout d'abord sur la plaque une pellicule de germanium, d'environ 80 nm d'épaisseur On a déposé la pellicule de germanium immédiatement après la procédure de nettoyage pour empêcher le dépôt oe poussière sur la surface de la plaque La pellicule de germanium avait pour but de réduire les réflexions de lumière sur la surface de la Periodically) by first evaporating a film of germanium about 80 nm thick on the plate. The germanium film was deposited immediately after the cleaning procedure to prevent the deposit of dust on the surface of the plate. The aim of the germanium film was to reduce light reflections on the surface of the
plaque de silice fondue pendant dn traitement photolithographique'ulté- fused silica plate during photolithographic treatment.
rieur On a ensuite déposé sur la pellicule de germanium, par centrifuga- It was then deposited on the germanium film by centrifugation.
tion, une couche de matière de réserve photographique positive, d'environ nm d'épaisseur Cette matière de réserve photographique est vendue sous ladénomination commerciale AZ 1450 B par la firme Shipley Company, 25369 1 l Newton, Massachusetts, E U Ao On a exposé lamatière de réserve photographique à deux faisceaux de lumière laser se rencontrant, ayant chacun une longueur d'onde égale à 363,8 nm et une intensité égale à environ 10 p W/cm, avec une durée d'exposition d'environ 30 secondes On a orienté les deux This photographic resist material is sold under the trade name AZ 1450 B by Shipley Company, 25369111 Newton, Massachusetts, USA. of a photographic resist with two intersecting laser light beams, each having a wavelength of 363.8 nm and an intensity of about 10 p W / cm, with an exposure time of about 30 seconds. oriented both
faisceaux de lumière de façon qu'ils se rencontrent sous un-angle d'envi- beams of light so that they meet at an angle of
ron 94 dans un plan perpendiculaire à la surface de la matière de réser- in a plane perpendicular to the surface of the reservoir material.
ve photographique On a ensuite fait-tourner la plaque de silice fondue de 90 (dans son propre plan) et on a à nouveau exposé la matière de réserve photographique aux deux faisceaux lumineux, pendant environ secondes On a ensuite dilué dans le l'eau (cinq parties d'eau pour The fused silica plate was then rotated by 90 (in its own plane) and the photoresist material was again exposed to the two light beams for about a second. The water was then diluted with water ( five parts of water for
une partie de développateur) un développateur disponible dans le commer- part of a developer) a commercially available developer.
ce, vendu sous la dénomination commerciale AZ 351 par la firme Shipley this, sold under the trade name AZ 351 by the firm Shipley
Company, et on l'a-appliqué à la matière de réserve photographique. Company, and applied to the photographic reserve material.
On a ensuite soumis la pellicule de germanium à une attaque ionique réactive, dans un plasma de C Br Y 3, en utilisant comme masque d'attaque la matière de réserve photographique dans laquelle on a défini un motif Cette attaque a été effectuée pendant qu'on faisait circuler The germanium film was then subjected to reactive ionic etching in a C Br Y 3 plasma, using the photoresist in which a pattern was defined as an attack mask. we circulated
dans la chambre d'attaque ionique réactive du C Br F 3 'avec un débit rame- in the reactive ionic attack chamber of C Br F 3 'with a flow rate of
né aux conditions normales de 10 cm 3/mn, tandis que la pression dans la chambre était maintenue à environ 1,3 Pa et que la densité de puissance born at normal conditions of 10 cm 3 / min, while the pressure in the chamber was maintained at about 1.3 Pa and that the power density
était d'environ 0,05 W/cm 2 Dans ces conditions, l'attaque de la pelli- In these conditions, the film attack was about 0.05 W / cm 2
cule de germanium sur toute son épaisseur a demandé environ 10 minutes. Germanium particle over its entire thickness required about 10 minutes.
Le motif tracé dans la matière de réserve photographique et dans la pellicule de germanium a ensuite été transféré dans la silice fondue, par attaque ionique réactive de la silice fondue dans un plasma de CHF 3 pendant environ 25 minutes (en utilisant comme masque d'attaque The pattern traced in the photoresist material and in the germanium film was then transferred to the fused silica by reactive ion etching of the fused silica in a plasma of CHF 3 for about 25 minutes (using as a mask of attack
l.a matière de réserve photographique et la pellicule de germanium dans les- the matter of photographic reserve and the film of germanium in the
quelles on a défini un motif) Les conditions d'attaque étaient les which one defined a motive) The conditions of attack were the
mêmes que celles spécifiées ci-dessus, à l'exception du fait que la den- same as those specified above, except that the den-
sité de puissance était d'environ WO,5 W/cm On a ensuite décapé les pellicules de matière de 'réserve photographique et de germanium avec des The power density was approximately WO 5 W / cm. Photographic resist material and germanium films were then stripped with
solvants classiques On 'savait par des micrographies au microscope élec- conventional solvents. It was known from micrographs
tronique à balayage portant sur des échantillons précédents ayant subi Scanning tronic on previous samples that have undergone
le même traitement, que la surface de la plaque de silice fondue consis- the same treatment, that the surface of the fused silica
25369 1125369 11
tait maintenant en un réseau de bosses bidimensionnel, pratiquement périodique, avec un écartement moyen entre les bosses d'environ 250 nm et une amplitude moyenne des bosses (moitié de la distance de la crête au was now a two-dimensional, almost periodic, bump system with a mean bump spacing of about 250 nm and an average bump amplitude (half the distance from the crest to
creux) d'environ 125 nm.hollow) of about 125 nm.
On a ensuite utilisé des-techniques classiques d'évaporation pour évaporer un ruban d'aluminium sur la surface pratiquement périodique de la plaque de silice fondue Ce ruban avait une largeur d'environ 1 mm tandis que son épaisseur était d'environ 44 nm On a ensuite formé une couche de Al O sur-la surface du ruban d'aluminium, par oxydation par plasma du ruban d'aluminium dans une atmosphère d'oxygène, à une pression d'environ 4 Pa et pendant environ 10 minutes L'épaisseur de la couche de Conventional evaporation techniques were then used to evaporate an aluminum ribbon on the substantially periodic surface of the fused silica plate. This tape had a width of about 1 mm while its thickness was about 44 nm. then formed a layer of Al O on the surface of the aluminum ribbon, by plasma oxidation of the aluminum ribbon in an oxygen atmosphere, at a pressure of about 4 Pa and for about 10 minutes. of the layer of
A 1203, déduite de mesures-de capacité faites ultérieurement sur le photo- A 1203, deduced from measurements of capacity made later on the photo-
détecteur MOM, était d'environ 5 nm On a ensuite évaporé sur la couche d'oxyde, perpendiculairement à la couche d'aluminium, un ruban d'argent, MOM detector, was about 5 nm Then a silver ribbon was evaporated on the oxide layer, perpendicular to the aluminum layer,
d'environ 1 mm de largeur et d'environ 18 nm d'épaisseur Le photodétec- approximately 1 mm in width and approximately 18 nm in thickness. The photodetect
teur MOM, défini par l'intersection du ruban d'argent avec le ruban d'alu- MOM, defined by the intersection of the silver ribbon with the aluminum ribbon
minium et par la couche d'oxyde d'aluminium, mesurait donc environ i mm de côté En outre, la surface de l'électrode en argent était pratiquement périodique (elle s'était conformée à la forme de la surface de la plaque As a result, the surface of the silver electrode was practically periodic (it had conformed to the shape of the surface of the plate).
de silice fondue).fused silica).
On a également fabriqué deux photodétecteurs MOM supplémentai- Two additional MOM photodetectors have also been manufactured.
res, en utilisant la même procédure générale décrite ci-dessus On a fabriqué l'un de ces photodétecteurs MOM sur une surface pratiquement périodique (d'une plaque de silice fondue) dont les bosses avaient une amplitude moyenne de 25 nm seulement (on a obtenu l'amplitude de bosses de 25 nm par attaque ionique réactive de la silice fondue dans le plasma de CHF 3, pendant environ 5 minutes seulement) On a fabriqué l'autre photodétecteur MOM de la manière décrite ci-dessus, mais sur une surface Using the same general procedure as described above, one of these MOM photodetectors was fabricated on a substantially periodic surface (of a fused silica plate) whose bumps had an average amplitude of only 25 nm (FIG. obtained the 25 nm bump amplitude by reactive ionic etching of the plasma fused silica of CHF 3, for about 5 minutes only) The other MOM photodetector was fabricated as described above, but on a surface
de silice fondue lisse.smooth fused silica.
On-a ensuite dirigé-sur le photodétecteur MOM (sur l'électrode en argent) dont la surface pratiquement périodique avait des bosses It was then directed onto the photodetector MOM (on the silver electrode) whose practically periodic surface had bumps
d'une amplitude moyenne égale à-25 nm,de la lumière laser (en polarisa- of an average amplitude equal to -25 nm, laser light (in polarization)
tion p dans le plan perpendiculaire à la surface de référence du photo- tion p in the plane perpendicular to the reference surface of the photo-
détecteur, c'est-à-dire la surface d'origine non structurée de la plaque de silice fondue), d'une longueur d'onde égale à 476,9 nm On a fait detector, that is to say the unstructured original surface of the fused silica plate), with a wavelength of 476.9 nm.
2536911 '2536911 '
tourner le photodétecteur pendant son exposition à la lumière laser, de turn the photodetector during its exposure to laser light,
façon que la lumière balaie un plan orienté perpendiculairement à la sur- light sweeps a plane oriented perpendicular to the surface
face de référence du photodétecteur Pendant cette procédure, on a-con- reference face of the photodetector During this procedure, we have
trôlé avec un wattmètre la lumière réfléchie par le photodétecteur MOM, et on a enregistré l'intensité de la lumière réfléchie en fonction de l'angle d'incidence de la lumière (l'angle par rapport à une normale à la surface de référence du photodétecteur, cette normale étant dans le the reflected light from the photodetector MOM with a wattmeter, and the intensity of the reflected light is recorded as a function of the angle of incidence of the light (the angle to a normal to the reference surface of the light). photodetector, this normal being in the
plan balayé par la lumière) On a noté une diminution abrupte-de l'inten- light-swept plane). There was a sharp decrease in the intensity of
sité lumineuse réfléchie (et donc une augmentation abrupte de la quantité de lumière couplée vers l'intérieur du photodétecteur) pour un angle d'incidence de 54 , ce qui est en accord avec la formation d'un polariton de plasmon de surface dans l'électrode en argent du- photodétecteur, reflected light (and thus an abrupt increase in the amount of light coupled to the interior of the photodetector) for an angle of incidence of 54, which is consistent with the formation of a surface plasmon polariton in the silver electrode of the photodetector,
c'est-à-dire en accord avec l'équation ( 1). that is, in accordance with equation (1).
On a également exposé les deux autres photodétecteurs MOM à la The other two MOM photodetectors were also exposed to
lumière laser, en les faisant tourner, comme décrit ci-dessus On a trou- laser light, rotating them as described above.
vé que les intensités de la lumière réfléchie variaient lentement en - that the intensities of reflected light varied slowly
fonction de l'angle d'incidence (il n'y-avait pas de diminution abrupte function of the angle of incidence (there was no abrupt decrease
à 540), d'o on a conclu qu'il n'y avait que peu ou pas de lumière cou- at 540), from which it was concluded that there was little or no light
plée vers des polaritons de plasmon de surface. plotted towards surface plasmon polaritons.
Les propriétés de transmission optique du photodétecteur MOM dont la surface pratiquement périodique avait des bosses d'amplitude moyenne égale à 125 nm (I'écartement moyen entre bosses sur la surface de l'argent était d'environ 25 nm), ont été mesurées à l'aide d'un The optical transmission properties of the MOM photodetector, whose substantially periodic surface had bumps of average amplitude equal to 125 nm (the average spacing between bumps on the surface of the silver was about 25 nm), were measured at using a
spectromètre du commerce (modèle n O 14) acheté à la firme Cary Instru- commercial spectrometer (model No. 14) purchased from Cary Instru-
ments Corporation, Monrovia, Californie Ce spectromètre comprenait une source de lumière accordable, à partir de laquelle de la lumière était Corporation, Monrovia, California This spectrometer included a tunable light source, from which light was
dirigée sous une incidence normale vers le photodétecteur (sur l'élec- directed under a normal incidence towards the photodetector (on the elec-
trode en argent), et un détecteur qui mesurait l'intensité de la lumière transmise à travers le photodétecteur en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente On a mesuré l'intensité de la lumière transmise pour des longueurs d'onde allant d'environ 0,3 pm à environ 0,9 pm On a trouvé que l'intensité transmise présentait un minimum large et important silver detector), and a detector which measured the intensity of the light transmitted through the photodetector as a function of the wavelength of the incident light. The intensity of the transmitted light was measured for wavelengths ranging from from about 0.3 pm to about 0.9 pm The transmitted intensity was found to have a wide and important minimum
autour de 0,5 pm, d'o on a déduit qu'une bande de longueurs d'onde lumi- around 0.5 μm, from which it has been deduced that a band of light wavelengths
neuses, centrée sur 0,5 pm, avait été couplée vers le photodétecteur par la formation de résonances de plasma localisées dans l'électrode en argent (la longueur d'onde et l'angle d'incidence ne correspondaient pas à la formation -d'un polariton de plasmon de surface) D'autre part, les intensités transmises pour les deux autres détecteurs n'avaient pas un The 0.5 μm center was coupled to the photodetector by the formation of plasma resonances located in the silver electrode (the wavelength and the angle of incidence did not match the formation -d On the other hand, the intensities transmitted for the two other detectors did not have a
tel minimum.such minimum.
On a ensuite mesuré les intensités des courants correspondant The corresponding currents currents were then measured
au transfert d'électrons par effet tunnel, qui ont été produits dans cha- electron transfer by tunnel effect, which have been produced in each
-cun des trois détecteurs, sous l'effet de la lumière laser incidente, alors que l'électrode en argent de chaque détecteur était polarisée à + 1, 5 V par rapport à l'électrode en aluminium La lumière laser incidente de longueur d'onde égale à 476,9 nm, et d'intensité égale à environ 0,2 W/cm tombait sur l'électrode en argent de chaque photodétecteur sous un angle de 54 (comme défini ci-dessus) On a découpé la lumière à Hz et on lui a donné une polarisation p (comme décrit ci-dessus) On a mesuré les photocourants produits dans-chaque photodétecteur avec un amplificateur à verrouillage classique On a mesuré un photocourant de one of the three detectors under the effect of the incident laser light, whereas the silver electrode of each detector was polarized at + 1.5 V with respect to the aluminum electrode. wave equal to 476.9 nm, and intensity equal to about 0.2 W / cm fell on the silver electrode of each photodetector at an angle of 54 (as defined above) The light was cut at Hz and was given a p-polarization (as described above) The photocurrents produced in each photodetector were measured with a conventional lock-in amplifier. A photocurrent of
0,12 A dans le photodétecteur MOM qui n'avait pas une surface pratique- 0.12 A in the MOM photodetector which did not have a practical surface
ment périodique Ceci correspond à un rendement quantique d'environ -5 This corresponds to a quantum efficiency of about -5
6 xl O 5 On a cependant mesuré un photocourant de 0,8 p A, et donc un ren- However, a photocurrent of 0.8 p A was measured and thus a
-4 --4 -
dement quantique de 4 xl O dans le; photodétecteur MOM dont la surface quantum deformation of 4 xl O in the MOM photodetector whose surface
pratiquement périodique avait une amplitude de bosses-moyenne de 25 nm. substantially periodic had a mean bump amplitude of 25 nm.
On a attribué ie courant accru et le rendement quantique accru à la for- The increased current and the increased quantum efficiency have been attributed to
mation d'un polariton de plasmon de surface dans l'électrode en argent du photodétecteur De plus, on a mesuré un photocourant de 2 a A, et donc -3 un rendement quantique d'environ 10 'dans le photodétecteur MOM dont la surface pratiquement périodique avait une amplitude de bosses moyenne de In addition, a photocurrent of 2 to A has been measured, and hence a quantum efficiency of about 10 'in the MOM photodetector, the surface of which is virtually the same. periodic had a mean bump amplitude of
nm On a attribué dans une large mesure la valeur de ce dernier cou- The value of the latter has been attributed to a large extent
rant à la formation d'une résonance de plasma localisée dans les bosses sur l'électrode en argent du photodétecteur; the formation of localized plasma resonance in the bumps on the silver electrode of the photodetector;
Exemple 2 -Example 2 -
On a fabriqué'un photodétecteur MSM, similaire au photodétec- An MSM photodetector, similar to photodetector, has been manufactured.
teur MSM représenté sur la figure 2, en nettoyant et en structurant la MSM shown in Figure 2, by cleaning and structuring the
surface d'une plaque de silice fondue, de la manière décrite dans l'exem- surface of a fused silica plate, as described in the example
ple 1 La surface résultante, pratiquement périodique, de la plaque de silice fondue avait des bosses dont l'amplitude moyenne était d'environ The resulting, substantially periodic, surface of the fused silica plate had bumps whose average amplitude was about
* 125 nm L'écartement moyen entre bosses était d'environ 250 nm.* 125 nm The average spacing between bumps was about 250 nm.
2536911 '2536911 '
On a ensuite utilisé des techniques d'évaporation classiques pour déposer un ruban d'aluminium sur fa surface pratiquement périodique de la plaque de silice fondue La largeur du ruban était d'environ 1 mm, tandis que l'épaisseur du ruban était d'environ 30 nmo On a ensuite déposé sur la région centrale-du ruban d'aluminium une couche de silicium amorphe hydrogéné, d'environ 30 nm d'épaisseur On a déposé le silicium par pulvérisation cathodique, à 200 C, à partir d'une cible en silicium dans une atmosphère contenant 75 % (en volume) de Ar et 25 % de H 2, sous une pression de 0,13 Pa La densité de puissance RF était d'environ 2 W/cm 2, et on a poursuivi la pulvérisation cathodique pendant environ 2 minutes On a utilisé des techniques classiques de masquage formant des zones "d'ombre" pour empêcher le dépôt du silicium amorphe sur les extrémités du ruban d'aluminium, de façon qu'un contact électrique Conventional evaporation techniques were then used to deposit aluminum tape on the substantially periodic surface of the fused silica plate. The width of the tape was about 1 mm, while the tape thickness was about Then, a layer of hydrogenated amorphous silicon, approximately 30 nm thick, was deposited on the central region of the aluminum strip. The silicon was deposited by sputtering at 200 ° C. from a target. silicon in an atmosphere containing 75% (by volume) Ar and 25% H 2 at a pressure of 0.13 Pa. The RF power density was about 2 W / cm 2, and the spraying was continued. cathodic for about 2 minutes Conventional masking techniques forming "shadow" zones were used to prevent the deposition of the amorphous silicon on the ends of the aluminum strip, so that an electrical contact
puisse être établi ultérieurement avec les-extrémités du ruban d'alumi- can be established later with the ends of the aluminum ribbon
nium On a ensuite évaporé sur le silicium amorphe un ruban d'argent, The silver ribbon was then evaporated on the amorphous silicon.
d'environ 1 mm de largeur et d'environ 15 nm d'épaisseur, perpendiculai- about 1 mm wide and about 15 nm thick, perpendicular to
rement au ruban d'aluminium.aluminum tape.
On a également fabriqué un second photodétecteur MSM, en utili- A second MSM photodetector has also been manufactured using
sant la procédure décrite ci-dessus, à l'exception du fait que la surface the procedure described above, except that the surface
de la plaque de silice fondue était relativement lisse - of the fused silica plate was relatively smooth -
En utilisant le spectromètre décrit dans l'exemple 1, on a Using the spectrometer described in Example 1, we have
déterminé que la lumière de longueur d'onde égale à environ 700 nm, tom- determined that the light of wavelength equal to about 700 nm
bant (sur l'électrode en argent) avec une incidence normale (par rapport à la surface de référence du photodétecteur), était efficacement couplée bant (on the silver electrode) with normal incidence (relative to the reference surface of the photodetector), was effectively coupled
par la surface vers l'intérieur du photodétecteur MSM qui avait la surfa- by the inward surface of the MSM photodetector which had the surface
ce pratiquement périodique (en accord avec l'équation ( 1)) Avec 4 p W de lumière, de longueur d'onde égale à 700 nm, tombant (sous une incidence normale) sur ce photodétecteur MSM,-avec la lumière découpée à 150 Hz, this practically periodic (in accordance with equation (1)) With 4 pW of light, wavelength equal to 700 nm, falling (under normal incidence) on this photodetector MSM, with the light cut to 150 Hz,
et avec l'électrode en argent polarisée à + 1,5 V par rapport à l'élec- and with the silver electrode polarized at + 1.5 V compared to the electri-
-8 trode en aluminium, on a mesuré un photocourant de 6 x 10 A dans le photodétecteur MSM avec l'amplificateur à verrouillage Ceci correspond à un rendement quantique d'environ 1,5 % A titre de comparaison, et dans les mêmes conditions, le photocourant produit dans le photodétecteur MSM qui n'avait pas une surface pratiquement périodique était seulement de In the case of the aluminum detector, a photocurrent of 6 × 10 Å was measured in the MSM photodetector with the latch amplifier. This corresponds to a quantum yield of approximately 1.5%. For comparison, and under the same conditions, the photocurrent produced in the MSM photodetector which did not have a practically periodic surface was only
4 x 109 A, ce qui correspond un endement quantiqe de seule- 4 x 109 A, which corresponds to a quantum amount of only
4 x 10 A, ce qui correspond à un rendement quantique de 0,1 % seule- 4 x 10 A, which corresponds to a quantum yield of only 0.1%
25369 1125369 11
ment -is lying -
Exemple 3Example 3
On a fabriqué un photodétecteur MSM, du type représenté sur la An MSM photodetector, of the type shown in FIG.
figure 3, en nettoyant et en structurant la surface d'une planque de sili- Figure 3, by cleaning and structuring the surface of a silicone hide
ce fondue, de la manière décrite dans l'exemple 1 La surface résultante, pratiquement périodique, de la plaque de silice fondue avait des bosses dont l'amplitude moyenne était d'environ 125 nm L'écartement moyen entre This melted material, as described in Example 1 The resultant, substantially periodic surface of the fused silica plate had bumps the average amplitude of which was about 125 nm.
les bosses était d'environ-250 nm.the bumps were about -250 nm.
On a ensuite déposé une couche de silicium amorphe hydrogéné, d'environ 30 nm d'épaisseur, sur la -surface pratiquement périodique de la plaque de silice fondue, en utilisant la procédure décrite dans l'exemple A layer of hydrogenated amorphous silicon, about 30 nm thick, was then deposited on the substantially periodic surface of the fused silica plate, using the procedure described in the example
2 On a ensuite déposé sur la surface du silicium amorphe un ruban d'alu- 2 An aluminum ribbon was then deposited on the surface of the amorphous silicon.
minium, avec un espace de 25 pm à son centre, en utilisant des techniques classiques d'évaporation et de masquage L'épaisseur du ruban d'aluminium était de 50 nm, et la largeur du ruban était de 0,5 mm Les deux moitiés du ruban d'aluminium constituaient les deux électrodes du photodétecteur MSM. On a ensuite connecté une moitié du ruban d'aluminium à un oscilloscope à échantillonnage, dont la sortie était connectée à un analyseur multicanal Nicolet L'autre moitié du ruban d'aluminium était connectée à une source de polarisation continue de 100 V On a ensuite focalisé des impulsions laser, d'une durée de 10 ps, sur l'espace entre les électrodes en aluminium La longueur d'onde des impulsions laser était de 575 nm Le nombre compté par l'analyseur Nicolet, pendant un nombre présélectionné de balayages du signal, était proportionnel à la valeur des impulsions de courant produites dans le photodétecteur MSM sous l'effet des impulsions de lumière On a choisi à 1024 le nombre de minium, with a gap of 25 pm at its center, using conventional evaporation and masking techniques The thickness of the aluminum tape was 50 nm, and the ribbon width was 0.5 mm Both halves aluminum ribbon constituted the two electrodes of the MSM photodetector. One half of the aluminum ribbon was then connected to a sampling oscilloscope, the output of which was connected to a Nicolet multichannel analyzer. The other half of the aluminum ribbon was connected to a DC 100 V polarization source. focused 10 s laser pulses on the space between the aluminum electrodes The wavelength of the laser pulses was 575 nm The number counted by the Nicolet analyzer, during a preselected number of signal, was proportional to the value of the current pulses produced in the photodetector MSM under the effect of the pulses of light was chosen at 1024 the number of
balayages du signal.signal scans.
En utilisant 40 m W de puissance laser, avec la lumière tombant sous une incidence normale par rapport à la surface de référence, le nombre correspondant au signal de sortie de crête du photodétecteur MSM était de 9300 Sous un angle d'incidence de 450, la lumière était couplée efficacement par la surface vers le silicium amorphe (en conformité avec l'équation ( 1)), et le nombre correspondant au signal de sortie de crête était égal à 70 000 A titre de comparaison, le nombre correspondant au Using 40 mW of laser power, with the light falling under normal incidence relative to the reference surface, the number corresponding to the peak output signal of the MSM photodetector was 9300. At an angle of incidence of 450, the light was efficiently coupled by the surface to the amorphous silicon (in accordance with equation (1)), and the number corresponding to the peak output signal was 70,000. As a comparison, the number corresponding to
25369 S 125369 S 1
signal de sortie de crête d'un photodétecteur MSM similaire, fabriqué (dela manière décrite ci-dessus) sur une surface de silice fondue lisse, peak output signal of a similar MSM photodetector, manufactured (as described above) on a smooth fused silica surface,
dans les mêmes conditions, était seulement de 3 000. under the same conditions, was only 3,000.
Il va dé soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention It goes without saying that many modifications can be made to the device described and shown, without departing from the scope of the invention.
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