FR2536911A1 - Photodetecteur - Google Patents

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.

Description

i La présente invention concerne un photodétecteur, comprenant un élément

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.

Un photodétecteur (en ce qui concerne l'invention) est un dis-

positif qui subit un changement interne détectable de ses propriétés

physiques ou chimiques, par exempie un changement interne de ses proprie-

tés mécaniques, électriques, électroniques ou optiques, lorsqu'il est

i O exposé à un rayonnement électromagnétique, et est un dispositif qui com-

prend des moyens, par exemple des électrodes, pour détecter ce change-

ment Ainsi, par exemple, un dispositif photovoltalque est un photodé-

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

dispositif lorsque ce dernier est exposé à un rayonnement électromagnéti-

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

second concerne le retard:entre une variation de l'intensité du rayonne-

ment électromagnétique incident et la variation détectée correspondante

dans le changement interne induit.

Dans de nombreuses applications, on désire avoir une sensibili-

té élevée et une vitesse élevée, ce qui impos-e des contraintes contradic-

toires à une configuration de photodétecteur De façon générale, pour obtenir une sensibilité élevée, une quantité-relativement grande de

matière absorbant le rayonnement électromagnétique est exigée, pour pro-

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

augmente donc la vitesse.

:i::

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On aura un exemple des contraintes contradictoires qui sont

imposées aux photodétecteurs qui doivent présenter à la fois des sensibi-

lités élevées et des vitesses de fonctionnement élevées, en considérant

les contraintes physiques contradictoires qui sont imposées à des photo-

détecteurs de type métal-isolant-métal (MIM) devant avoir à la fois des

vitesses de fonctionnement élevées et des sensibilités élevées Un photo-

détecteur MIM comprend de façon caractéristique une couche de matière

électriquement isolante, par exemple un oxyde métallique ou un semi-

isolant, intercaléeentre deux électrodes, par exemple deux couches de métal planes et lisses Lorsqu'on emploie un oxyde métallique, on appelle

le photodétecteur un dispositif MOM, comme par exemple Al-A 1 203-Ag.

Lorsqu'on emploie un semi-isolant avec une électrode transparente ( 10 % au

moins du rayonnement incident sont transmis), on appelle le photodétec-

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

les électrodes pendant le fonctionnement du photodétecteur.

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,

vers l'autre électrode Le temps nécessaire pour que ces électrons tra-

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,

limitées de façon caractéristique par la capacité du dispositif Cepen-

dant, le rendement quantique (le nombre d'électrons produits dans le dis-

positif MOM par photon de rayonnement incident) de ces dispositifs est -4 extrêmement faible, de façon caractéristique de l'ordre de 10, du fait

que seule une fraction relativement faible du rayonnement incident pénè-

tre réellement dans le dispositif Ces dispositifs MOM ne sont donc pas

intéressants pour de nombreuses applications pratiques.

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

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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

de 1 à 2 volts) qui est appliquée entre ies électrodes pendant le fonc-

tionnement du dispositif, pour définir un courant détectable Comme les

dispositifs MOM, les dispositifs MSM présentent des vitesses de fonc-

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

i O dériver d'un c 8 té de la couche semi-isolante vers l'autre côté, Ces dis-

positifs MSM présentent également des-rendements quantiques faibles (de façon caractéristique d'environ 10 -3), également du fait que seule une

fraction relativement faible du rayonnement incident est couplée au dis-

positif, c'est-à-dire qu'elle est absorbée par la couche semi-isolante

pour produire des paires électron-trou On augmente aisément les rende-

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

augmente la distance de propagation et réduit donc la vitesse de fonc-

tionnement.

Par conséquent, les chercheurs travaillant au développement

des photodétecteurs en général, et des photodétecteurs MIM en particu-

lier, ont longtemps recherché, sans succès jusqu'à présent, des techni-

ques pour améliorer les sensibilités de photodétecteurs, ces techniques -

ne nécessitant pas des augmentations des tailles des photodétecteurs.

-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

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 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

L'invention concerne les photodétecteurs, ainsi que des procé-

dés de détection de rayonnement électromagnétique Ces procédés compren-

:-

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nent l'opération qui consiste à détecter un changement physique ou chimi-

que induit dans un photodétecteur exposé au rayonnement électromagnéti-

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

rapport à une surface de référence) lorsqu'on se déplace le long des sur-

faces de ces photodétecteurs Ces surfaces pratiquement périodiques sont

par exemple des surfaces externes qui reçoivent directement le rayonne-

ment électromagnétique pendant le fonctionnement des photodétecteurs.

Selon une variante, ces surfaces sont internes à un photodétecteur et sont soumises au rayonnement électromagnétique qui est transmis à travers

une ou plusieurs couches de&matière situées au-dessus.

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

supérieure ou inférieure de la matière déposée est la surface pratique-

ment périodique Dans un cas comme dans l'autre, une surface imaginaire,

qui coïncide spatialement avec la surface d'origine lisse, non structu-

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

dix fois le rayon de courbure des bosses.

Dans le cadre de l'invention, une surface bosselée est "prati-

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

forme, par exemple sphérique, cylindrique ou pyramidale.

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

chaque point brillant dans la figure de diffraction qui serait produi-

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.

On a trouvé que des photodétecteurs ayant des surfaces prati-

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

soient inférieures à environ 100 nm).

Une surface pratiquement périodique d'un photodétecteur (-entrant

dans le cadre de l'invention) couple efficacement le rayonnement électro-

magnétique incident vers l'intérieur du photodétecteur, sous la forme

d'une onde électromagnétique qui se propage en traversant le photodétec-

teur en position adjacente à la surface pratiquement périodique du 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,

du fait que le rayonnement électromagnétique incident est plus efficace-

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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

(en comparaison de photodétecteurs qui n'ont pas de surfaces pratique-

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

(entrant dans le cadre de l'invention) ne sont pas couplées par la surfa-

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)

__ _ _+ _ = _ _ A _ ( 1)

0 désigne ici l'angle que fait le rayonnement incident par rapport à

une normale à la surface de référence (définie ci-dessus) du photodétec-

teur (Si la surface de référence est courbe, l'orientation de la norma-

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

plusieurs matières différentes (pour une seule matière, N eff est 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,

O On détermine la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique cou-

plé par la surface vers l'intérieur de l'échantillon de test en détec-

tant les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique qui est

transmis par l'échantillon de test Connaissant la longueur d'onde cou-

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

de l'équation ( 1) Pour la-plupart des matières ou la plupart des matiè-

res composites, N ff est supérieur à 1 mais inférieur à environ 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

entrant dans le cadre de l'invention sont spécifiques à la fois d'une.

longueur d'onde et d'un angle, c'est-à-dire que la sensibilité d'un pho-

todétecteur (caractérisé par un écartement entre bosses et par un 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)

ayant un indice de réfraction effectif N eff détecte un rayonnement 1 éèc-

tromagnétique de longueur d'onde A, ayant un angle d'incidence e, l'écartement entre bosses A doit être choisi proportionnel-lement à A

(le facteur de proportionnalité étant (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

d'onde particulière A (définiepar l'équation ( 2)) Il y aura au contrai-

re une bande de longueurs d'onde couplées par la surface vers'l'intérieur

du photodétecteur, la largeur maximale de cette bande (autour d'une lon-

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

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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

pratiquement-périodiques, le photodétecteur est alors fabriqué, conformé-

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

pour assurer le couplage de la bande de longueurs-d'onde désirée 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

respectivement tangents au sommet de la bosse et au fond d'un creux adja-

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

sera couplée par la surface vers l'intérieur du photodétecteur Des ampli-

tudes moyennes supérieures à environs 10 A ne sont pas souhaitables du fait

des difficultés de fabrication qu'elles entraînent.

Une, technique commode pour fabriquer des photodétecteurs ayant

des surfaces pratiquement périodiques, conformément à l'invention, consis-

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

minces) à la forme de la surface du substrat sous-jacent.

On rend pratiquement périodique une surface localement plane

d'un substrat en employant par exemple une technique holographique Con-

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

première direction, en exposant par exemple la matière de réserve photo-

graphique à de la lumière provenant de deux faisceaux laser qui se rencon-

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

les maximums d'intensité résultants dans la matière de réserve photogra-

phique sera l/2 sin O En répétant cette procédure d'exposition dans une

seconde direction, perpendiculaire à la première direction, et en déve-

loppant ensuite la matière de réserve photographique, on trace une figure périodique bidimensionnelle dans cette matière Si on attaque ensuite le

substrat sous-jacent, en utilisant en tant que masque d'attaque la matiè-

re de réserve photographique-dans laquelle on a formé une figure, on

forme sur la surface du substrat un réseau de bosses bidirectionnel, pra-

tiquement périodique (l'écartement moyen entre les bosses sera de -

? 1/2 sin O) Cette même technique est naturellement applicable à la surfa-

ce du photodétecteur lui-même, pour transformer directement la surface du photodétecteur en une surface pratiquement périodique

Bien que l'invention porte sur des détecteurs ayant des surfa-

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

accrue du photodétecteur qui résulte de l'effet de couplage par la sur-

face qui est produit par la surface pratiquement périodique.

Bien que l'invention s'applique à différents types de photodé-

tecteurs, elle s'applique également à des photodétecteurs rapides relati-

vement petits, comme les photodétecteurs MIM, et présente un intérêt par-

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

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effet tunnel.

De façon générale, chacun des photodétecteurs MOM et MSM

entrant dans le cadre de l'invention comprend une couche isolante inter-

calée entre deux électrodes, ainsi qu'une surface pratiquement périodi-

que, dans le but d'améliorer le rendement avec lequel le rayonnement

électromagnétique est couplé par la surface vers l'intérieur du disposi-

tif Dans le cas des photodétecteurs MOM, la surface pratiquement périodi-

que est de façon caractéristique la surface externe d'une électrode qui

reçoit directement un rayonnement électromagnétique pendant le fonction-

nement du-dispositif Dans le cas des photodétecteurs MSM, la 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

sur laquelle tombe le rayonnement électromagnétique.

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

électrodes les porteurs de charge créés par le rayonnement électromagné-

tique absorbé (pour produire un courant électrique détectable sous l'effet du rayonnement électromagnétique) On crée par exemple ce champ

électrique en appliquant une différence de tension externe aux électro-

des Selon une variante, dans'le cas des dispositifs MSM, les deux élec-

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

employée-dans le cas des photodétecteurs MSM consiste à former une jonc-

tion p-n pendant lafabrication de la couche semi-isolantè, cette jonc-

tion p-n présentant également un champ électrique interne.

Les surfaces pratiquement périodiques des photodétecteurs MOM

et MSM entrant dans le cadre de l'invention peuvent être fabriquées aisé-

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

comme ayant été fabriquées par dépôt des couches de la matière consti-

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

couche isolante 40 Pour réduire l'aire du dispositif, et donc pour rédui-

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

au ruban de métal 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

périodique de la surface 60 couple efficacement le rayonnement électroma-

gnétique incident (la longueur d'onde et l'angle d'incidence du rayonne-

ment couplé sont définis par l'équation ( 1)) vers la bande de métal 50,

sous une forme d'énergie qu'on considère être ce qu'on appelle un"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

s'atténue par un mécanisme d'excitation à une seule particule, c'est-à-

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

couche isolante 40, par effet tunnel, vers le ruban de métal 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,

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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

(voir l'ouvrage de H Raether, indiqué ci-dessus, page 50, en ce qui con-

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

par l'écartement moyen,A, entre les bosses.

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,

couplent efficacement le rayonnement électromagnétique spécifié de lon-

gueur d'onde A et de-fréquence f vers les résonances de plasma locali-

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

dire V /j(= 2), soit égale à la fréquence, f, du rayonnement électromagné-

tique qui doit être couplé vers les résonances de plasma localisées.

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

électromagnétique de fréquence f des échantillons de test du photodétec-

teur 10, ayant des écartements moyens entre bosses, qui diffèrent légère-

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

donc l'écartement approprié entre bosses.

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

des pellicules sous forme d'tlots consistant en particules isolées élec-

triquement (formées en déposant des couches minces d'un métal tel que Ag,

Au), les résonances sont rapidement réduites et sont incapables de produi-

re un transfert notable par effet tunnel lorsque les particules sont amenées en contact les unes avec les autres (pour rendre les pellicules

électriquement continues).

Les résonances de plasma localisées qui sont produites dans les

bosses sur la surface pratiquement périodique 60 sont relativement insen-

sibles à l'angle sous lequel le rayonnement incident tombe sur la surface

, et ne dépendent dans une large mesure que de la fréquence du rayonne-

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

l'amplitude des bosses est supérieure ou égale à environ 0,5 J, le photo-

* détecteur MOM 10 est pratiquement insensible à l'angle d'incidence du

rayonnement électromagnétique.

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

cas, la matière du substrat 20 du photodétecteur MOM 10 doit être de pré-

férence relativement isolante au point de vue-électrique (avec une résis-

tivité d'au moins 10 úL cm) dans le but de confiner les courants électri-

ques à l'intérieur du photodétecteur MOM 10 Une matière de substrat uti-

lisable consiste par exemple en silice fondue.

Presque n'importe quel métal est utilisable pour la première

couche de métal 30 du photodétecteur MOM 10 (voir la figure 1) Cepen-

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

de façon qu'il soit aisément oxydé, par exemple oxydé par plasma ou ano-

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

d'au moins 10 nm pour que cette couche soit physiquepent (et donc élec-

triquement) continue Bien qu'il n'y ait pas de limite supérieure théori-

que sur l'épaisseur de la couche de métal 30, des considérations prati-

ques, comme la nécessité de minimiser les difficultés de fabrication,

limitent -habituellement la couche de métal 30 à une épaisseur ne dépas-

sant pas quelques centaines de nanomètres environ.

La couche de métal 50 peut également être constituée par presque n'importe quel métal, par exemple Au, Ag, Al L'épaisseur de la

couche de métal 50 est comprise entre environ 10 nm et environ 30 nm.

Des épaisseurs inférieures a environ-10 nm sonteindésirables pour la rai-

son indiquée ci-dessus Des épaisseurs supérieures à environ 30 nm sont

indésirables du'fait que la valeur des courants d'effet tunnel est défa-

vorablement faible.

La couche 40 est une couche relativement mince d'une matière

ayant une rigidité diélectrique élevée (de façon caractéristique supe-

-4

rieure à environ 10 V/cm) Parmi les matières qui ont une rigidité dié-

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

mince est susceptible de subir un-claquage électrique (même si la matiè-

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

préférence la couche 40 par oxydation de la couche de métal 30, par exem-

ple par oxydation par plasma La couche isolante 40 est ainsi de préfé-

rence un oxyde de la couche de métal 30, d'o le nom de photodétecteur

métal-oxyde-métal -

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

couche de métai 50 doit être pratiquement périodique (dans le but de cou-

pler le rayonnement électromagnétique incident pour produire un polariton de plasmon de surface dans la couche de métal 50), le coefficient

d'absorption du métal de la couche de métal 50 pour le polariton de plas-

mon de surface doit être de préférence inférieur à 1/AJ Un tel coeffi-

cient d'absorption permettra au polariton de plasmon de surface de se pro-

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

un article de P B Johnson et R W Christy paru dans Physical Review, -

Vol B 6, 1962, page 4370.

Pour que le photodétecteur MOM soit sensible à l'angle d'inci-

dence, l'amplitude des bosses doit être comprise entre environ 0,1 A et

environ 0,3 J Des amplitudes inférieures à environ 0,1 A sont indésira-

bles du fait que le courant d'effet tunnel résultant est défavorablement faible Des amplitudes supérieures à environ 0,3 L sont indésirables du

fait que l'influence des résonances de plasma localisées devient défavo-

rablement élevée et que le détecteur devient défavorablement insensible

à 'angle d'incidence du rayonnement électromagnétique -

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

électromagnétique Des amplitudes supérieures à environ 10 A sont indési-

rables du fait que les surfaces ayant des bosses d'une telle amplitude

sont défavorablement difficiles à fabriquer.

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

insensible à l'angle, une première approximation utilisable pour l'écarte-

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 -

elle donne une valeur proche de 6 x 10 Hz) En utilisant des échantil-

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

une couche de matière semi-isolante 100 (une matière qui a une résistivi-

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

sur la surface pratiquement périodique 85 d'un substrat électrique-

ment isolant 80 (ayant de préférence une résistivité supérieure à envi-

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

ruban 90.

La principale différence entre le photodétecteur MSM 70 et le photodétecteur MOM 10 réside dans le fait que les courants électriques

produits dans le détecteur 70, sous l'effet du rayonnement électromagné-

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

formation de grands nombres de paires d'électron-trou, la couche conduc-

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

peuvent être dûs, au moins en partie, à des électrons excités prove-

nant de la couche de métal 110, qui traversent la couche semi-isolante 100 Ces électrons excités sont formés, par exemple, par l'atténuation

25369 1 1

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

périodique 85 du substrat 80 fait que la surface 115 de la couche semi-

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

bosses est comprise entre environ O,l A et environ 10 J-.

La couche semi-isolante 100 est fabriquée à partir d'une matiè-

re semi-isolante quelconque parmi diverses matières de ce type Cepen-

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

de minimiser, des courants d'obscurité (des courants électriques pro-

duits dans le photodétecteur 70 en l'absence de rayonnement électromagné-

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

dép 8 t chimique en phase vapeur ou d'épitaxie par jets moléculaires, 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

des composés II-VI dopés de façon appropriée, comme le tellurure de mer-

cure-cadmium Selon la matière particulière, ces matières sont déposées par des techniques bien connues d'épitaxie par jets moléculaires, de

dépôt chimique en phase vapeur et d'épitaxie en-phase liquide.

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

la surface pratiquement périodique 115 ne procure qu'un faible avantage.

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

notablement transparente au rayonnement électromagnétique (elle trans-

mettra moins d'environ 10 % du rayonnement électromagnétique incident).

L'oxyde d'indium-étain est une autre matière qui est utilisa-

ble pour fabriquer la couche 110 et qui est à la fois conductrice de

l'électricité et pratiquement transparente au rayonnement électromagnéti-

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

couche d'indium-étain est comprise entre environ 30 nm et environ 2 pm.

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,

exigent une durée de dépôt défavorablement élevée.

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

du silicium jusqu'à un niveau d'environ 10 cm 3 Les matières 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

épaisseurs hors de cette gamme sont indésirables pour les raisons indi-

quées ci-dessus (bien que des épaisseurs supérieures à environ 2 pm ne

soient pas interdites).

Il n'est pas nécessaire que la couche 90 soit notablement transparente au rayonnement électromagnétique (bien que ceci ne soit pas

interdit), et la couche 90 consiste donc en l'une quelconque des matiè-

res envisagées ci-dessus (en-relation avec la couche 110) ayant les pla-

ges d'épaisseur envisagées ci-dessus Cependant, les limites supérieures des plages d'épaisseur qui sont imposées par l'exigence de transmission

ne s'appliquent pas.

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

de type n, et en déposant ensuite la moitié restante de l'épaisseur de la.

couche 100 et en dopant cette moitié restante pour produire de la matière -de conductivité de type p L'existence de la polarisation électrique

interne qui est associée à-la jonction p-n supprime la nécessité d'appli-

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

et 110, la jonction p-i-n résultante doit présenter un champ électri-

que qui s'étend sur l'épaisseur de la couche semi-isolante 100 et qui a

une valeur d'au moins 10 V/cm Des valeurs de champ électrique inférieu-

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

semi-isolante devient défavorablement long.

Bien entendu, le photocourant qui est produit dans le-photodé-

tecteur 70 est détecté sur les -électrodes 90 et 110, et chaque électrode

comprend donc une couche de métal qui forme un contact à faible résistan-

ce (la résistance doit être inférieure à environ 100 ohms) avec la cou-

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

être inférieure à environ 1 pm.

En considérant la figure 3, on voit un quatrième mode de réali-

sation du photodétecteur MSM 70, qui est de façon générale similaire au

-2536911

premier mode de réalisation, et qui comprend une couche de matière 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

conductrices de l'électricité 120 et 130, mutuellement espacées et dépo-

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

115 Le passage de cette onde entraîne la formation de paires électron-

trou près de la surface 115, les électrons et les trous se déplaçant-vers

l'une ou l'autre des électrodes 120 ou 130, sous l'influence de la diffé-

rence de potentiel appliquée.

La couche semi-isolante 100 est déposée sur le substrat 80 en

employant par exemple des techniques classiques de dépôt chimique en pha-

se vapeur, et elle est constituée par l'une quelconque des matières semi-

isolantes envisagées en relation avec la couche semi-isolante du premier

mode de réalisation du photodétecteur 70 L'épaisseur de la couche semi-

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

(voir la figure 3), décrit ci-dessus, le couplage du rayonnement électro-

magnétique-vers la couche semi-isolante 100 est de préférence confiné dans l'espace compris entre les électrodes 120 et 130 Ainsi, les électrodes

sont de préférence fabriquées à partir de matières conductrices de l'élec-

-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,

253691 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

réserve dans laquelle on a défini un motif, pour empêcher la métallisa-

tion de la partie de la surface 115 qui doit absorber le raybnnement électromagnétique. Dans un autre mode de réalisation encore du photodétecteur MSM

70 (voir la figure 3), les électrodes 120 et 130 et la couche semi-

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

décrite ci-dessus Si les électrodes 120 et 130 doivent être pratique-

ment opaques au rayonnement électromagnétique incident, on donne une épaisseur d'au moins 20 nm aux couches de métal utilisées pour former

les contacts à faible résistance.

Exemple 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

plaque carrée de silice fondue (de 2,5 cm de côté et-de i mm d-'épais-

seur) On a utilisé la plaque de silice fondue comme substrat sur lequel on a fabriqué le photodétecteur MOM

On a structuré par lithographie la surface supérieure relative-

ment lisse de la plaque de silice fondue (pour former une surface prati-

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

plaque de silice fondue pendant dn traitement photolithographique'ulté-

rieur On a ensuite déposé sur la pellicule de germanium, par centrifuga-

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

faisceaux de lumière de façon qu'ils se rencontrent sous un-angle d'envi-

ron 94 dans un plan perpendiculaire à la surface de la matière de réser-

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

une partie de développateur) un développateur disponible dans le commer-

ce, vendu sous la dénomination commerciale AZ 351 par la firme Shipley

Company, et on l'a-appliqué à la matière de réserve photographique.

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

dans la chambre d'attaque ionique réactive du C Br F 3 'avec un débit rame-

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

était d'environ 0,05 W/cm 2 Dans ces conditions, l'attaque de la pelli-

cule de germanium sur toute son épaisseur a demandé environ 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

l.a matière de réserve photographique et la pellicule de germanium dans les-

quelles on a défini un motif) Les conditions d'attaque étaient les

mêmes que celles spécifiées ci-dessus, à l'exception du fait que la 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

solvants classiques On 'savait par des micrographies au microscope élec-

tronique à balayage portant sur des échantillons précédents ayant subi

le même traitement, que la surface de la plaque de silice fondue consis-

25369 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

creux) d'environ 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

A 1203, déduite de mesures-de capacité faites ultérieurement sur le 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,

d'environ 1 mm de largeur et d'environ 18 nm d'épaisseur Le photodétec-

teur MOM, défini par l'intersection du ruban d'argent avec le ruban d'alu-

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

de silice fondue).

On a également fabriqué deux photodétecteurs MOM supplémentai-

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

de silice fondue lisse.

On-a ensuite dirigé-sur le photodétecteur MOM (sur l'électrode en argent) dont la surface pratiquement périodique avait des bosses

d'une amplitude moyenne égale à-25 nm,de la lumière laser (en polarisa-

tion p dans le plan perpendiculaire à la surface de référence du 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

2536911 '

tourner le photodétecteur pendant son exposition à la lumière laser, de

façon que la lumière balaie un plan orienté perpendiculairement à la sur-

face de référence du photodétecteur Pendant cette procédure, on a-con-

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

plan balayé par la lumière) On a noté une diminution abrupte-de l'inten-

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,

c'est-à-dire en accord avec l'équation ( 1).

On a également exposé les deux autres photodétecteurs MOM à la

lumière laser, en les faisant tourner, comme décrit ci-dessus On a trou-

vé que les intensités de la lumière réfléchie variaient lentement en -

fonction de l'angle d'incidence (il n'y-avait pas de diminution abrupte

à 540), d'o on a conclu qu'il n'y avait que peu ou pas de lumière cou-

plée vers des polaritons de plasmon de surface.

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

spectromètre du commerce (modèle n O 14) acheté à la firme Cary Instru-

ments Corporation, Monrovia, Californie Ce spectromètre comprenait une source de lumière accordable, à partir de laquelle de la lumière était

dirigée sous une incidence normale vers le photodétecteur (sur l'élec-

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

autour de 0,5 pm, d'o on a déduit qu'une bande de longueurs d'onde lumi-

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

tel minimum.

On a ensuite mesuré les intensités des courants correspondant

au transfert d'électrons par effet tunnel, qui ont été produits dans cha-

-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

0,12 A dans le photodétecteur MOM qui n'avait pas une surface pratique-

ment périodique Ceci correspond à un rendement quantique d'environ -5

6 xl O 5 On a cependant mesuré un photocourant de 0,8 p A, et donc un ren-

-4 -

dement quantique de 4 xl O dans le; photodétecteur MOM dont la surface

pratiquement périodique avait une amplitude de bosses-moyenne de 25 nm.

On a attribué ie courant accru et le rendement quantique accru à la for-

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

nm On a attribué dans une large mesure la valeur de ce dernier cou-

rant à la formation d'une résonance de plasma localisée dans les bosses sur l'électrode en argent du photodétecteur;

Exemple 2 -

On a fabriqué'un photodétecteur MSM, similaire au photodétec-

teur MSM représenté sur la figure 2, en nettoyant et en structurant la

surface d'une plaque de silice fondue, de la manière décrite dans l'exem-

ple 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 bosses était d'environ 250 nm.

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

puisse être établi ultérieurement avec les-extrémités du ruban d'alumi-

nium On a ensuite évaporé sur le silicium amorphe un ruban d'argent,

d'environ 1 mm de largeur et d'environ 15 nm d'épaisseur, perpendiculai-

rement au ruban d'aluminium.

On a également fabriqué un second photodétecteur MSM, en utili-

sant la procédure décrite ci-dessus, à l'exception du fait que la surface

de la plaque de silice fondue était relativement lisse -

En utilisant le spectromètre décrit dans l'exemple 1, on a

déterminé que la lumière de longueur d'onde égale à environ 700 nm, tom-

bant (sur l'électrode en argent) avec une incidence normale (par rapport à la surface de référence du photodétecteur), était efficacement couplée

par la surface vers l'intérieur du photodétecteur MSM qui avait la surfa-

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,

et avec l'électrode en argent polarisée à + 1,5 V par rapport à l'élec-

-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

4 x 109 A, ce qui correspond un endement quantiqe de seule-

4 x 10 A, ce qui correspond à un rendement quantique de 0,1 % seule-

25369 11

ment -

Exemple 3

On a fabriqué un photodétecteur MSM, du type représenté sur la

figure 3, en nettoyant et en structurant la surface d'une planque de sili-

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

les bosses était d'environ-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

2 On a ensuite déposé sur la surface du silicium amorphe un ruban d'alu-

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

balayages du signal.

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

25369 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,

dans les mêmes conditions, était seulement de 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

Claims (9)

REVENDICATIONS-

1 Photodétecteur, comprenant un élément ( 40; 100)qui subit

un changement détectable lorsqu'il est exposé à un rayonnement électro-

magnétique et qui comprend des moyens ( 30; 130) pour détecter ce change-

ment lorsque l'élément est exposé au rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce que cet élément comprend également une surface ondulée qui est pratiquement périodique 2 Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écartement moyen, J, entre les parties en saillie de la surface

ondulée est proportionnel à la longueur d'onde du rayonnement électroma-

gnétique que doit détecter -le photodétecteur.

3 Photodétecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplitude des parties en saillie est comprise entre environ 0,1 A et environ 10 A. 4 Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce

que l'élément comprend une couche ( 40) de matière électriquement isolan-

te intercalée entre des première ( 30) et seconde ( 50) couches de métal, et en ce que la seconde couche de métal comprend la surface ondulée qui

est exposée au rayonnement électromagnétique -pendant le fonctionnement-

du photodétecteur.

Photodétecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce

que la couche électriquement isolante a une rigidité diélectrique supé-

4 -

rieure à environ 10 V/cm.

6 Photodétecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce

que la couche électriquement isolante est un oxyde métallique.

7 Photodétecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche isolante est comprise entre environ 1 nm et

environ 10 nm.

8 Photodétecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la seconde couche de métal est comprise entre, environ

nm et environ 30 nm.

9 Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce

que les moyens destinés à détecter un changement comprennent des premiè-

re et seconde électrodes espacées ( 120, 130) en contact avec l'élément

253691 1:

et l'élément est en matière semi-isolante Photodétecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacune des première et seconde électrodes comprend une couche de

matière conductrice de l'électricité en contact avec la matière semi-

isolante. 11 Photodétecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première électrode ( 130) recouvre une partie d'une surface de la matière semi-isolante, la seconde électrode ( 120) recouvre une partie

différente de la-même surface de la matière semi-isolante, et cette sur-

face de la matière semi-isolante comprend la surface ondulée qui s'étend entre les électrodes 12 Photodétecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première électrode comprend une couche de matière semiconductrice

dont la bande interdite est supérieure à la bande interdite de la matiè-

re semi-isolante.

13 Photodétecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce

que la matière semi-isolante comprend une jonction p-n.

14 Photodétecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la première électrode comprend une première couche de matière semiconductrice, la seconde électrode comprend une seconde couche de matière semiconductrice, et la conductivité de la première couche de matière semiconductrice est opposée à celle de la'seconde couche de

matière semiconductrice.