FR2764120A1 - PHOTODETECTEUR SiGe A RENDEMENT ELEVE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un photodétecteur, pouvant fonctionner dans deux plages de longueurs d'onde et qui se compose de deux détecteurs superposés A, B. Une diode Schottky de Si forme le détecteur A, qui absorbe la lumière dans une plage lambda < 0, 9 m. Une lumière de plus grande longueur d'onde (1 m < lambda < 2 m) est absorbée dans le détecteur B, qui se compose d'une diode pn en Si/ SiGe. En vue de l'accroissement du rendement, le détecteur B est réalisé avec un résonateur intégré. Un autre accroissement du rendement du photodétecteur est obtenu grâce à la mise en place d'un réflecteur de Bragg sur la couche absorbante du détecteur B.
Description
La présente invention a trait à un photodétecteur pouvant fonctionner au
moins dans deux plages de longueurs
d'onde et à son procédé de fabrication.
L'invention trouve une application dans des détecteurs photovoltaïques et des cellules solaires. Des photodétecteurs fonctionnant dans deux plages de longueurs d'onde sont connus pour des matériaux semiconducteurs de liaison III-V (Friedmann et al. dans
Compound Semiconductor, page 27, Novembre/Décembre 1996).
Ces photodétecteurs possèdent un rendement relativement faible. En outre, la sensibilité spectrale est
uniquement déterminée par un seul matériau semiconducteur.
L'invention a par conséquent pour objet de proposer un photodétecteur à rendement élevé, qui puisse
fonctionner au moins dans deux plages de longueurs d'onde.
Conformément à l'invention, on prévoit un photodétecteur pouvant fonctionner au moins dans deux plages de longueurs d'onde, caractérisé en ce que le photodétecteur est en un matériau semiconducteur Si/SiGe, et en ce que le photodétecteur est constitué d'au moins deux détecteurs superposés, qui possèdent des plages de longueurs d'onde différentes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier détecteur se compose d'une diode Schottky sur un
substrat de silicium.
Selon une autre caractéristique de l'invention,
le second détecteur se compose d'une diode pn Si/SiGe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le second détecteur est réalisé sous la forme d'une diode pn
Si/SiGe avec un résonateur intégré.
Selon une autre caractéristique de l'invention, un réflecteur de Bragg est disposé au-dessus de la diode pn Si/SiGe. Selon une autre caractéristique de l'invention, la couche active du détecteur constitué par la diode pn
Si/SiGe se compose d'une pluralité de couches de SiGe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure à couches multiples de SiGe est réalisée en
tant que structure à puits quantique de potentiel Ge/SiGe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure à puits quantique de potentiel Ge/SiGe est déposée sur une couche, qui forme non seulement le résonateur, mais également la couche de contact pour le
deuxième détecteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure à couches multiples de SiGe est réalisée en
tant que superréseau SiGe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le superréseau SiGe est réalisé sur une couche tampon de SiGe, qui forme simultanément le résonateur et la couche de
contact pour le deuxième détecteur.
La présente invention englobe également un procédé de fabrication d'un photodétecteur, caractérisé en ce que, sur un substrat de Si faiblement dopé p, il est déposé une succession de couches semiconductrices se composant - d'une couche dopée p en Si avec une concentration de dopage de 1017cm-3 et une épaisseur de couche de 100 nm - d'une structure à couches multiples non dopée ou faiblement dopée p, qui est réalisée sous la forme d'un puits quantique de potentiel de Ge/SiGe avec une épaisseur de couche de 200 nm - d'une couche dopée n en Si avec une concentration de dopage de 1018 à 10'9 cm-3 et une épaisseur de couche de 100 nm et structurée de telle sorte que, par apport de contact métallique sur le côté postérieur du substrat, la diode Schottky est réalisée pour le premier détecteur, et par apport de contacts métalliques sur la couche de Si dopée p et la couche de Si dopée n, la diode pn SiGe est formée pour
le deuxième détecteur.
Selon une variante du procédé de fabrication d'un photodétecteur, sur un substrat de Si faiblement dopé p, il est déposé une succession de couches semiconductrices se composant - d'une couche de SiGe dopée p avec une concentration de dopage de 1017 cm-3 et une épaisseur de couche de 1000 nm, - d'une structure à couches multiples non dopée ou faiblement dopée p, qui est réalisée en tant que superréseau SiGe avec une épaisseur de couche de 200 nm, - d'une couche de Si dopée n avec une concentration de dopage de 1018 à 1019 cm-3 et une épaisseur de couche de nm, et structurée de telle sorte que, par apport de contacts métalliques sur le côté postérieur du substrat, la diode Schottky est réalisée pour le premier détecteur et, par apport d'autres contacts métalliques sur la couche de SiGe dopée p et la couche de Si dopée n, la diode pn SiGe est
formée pour le deuxième détecteur.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d'un photodétecteur, il est disposé sur la structure à couches multiples SiGe un réflecteur de Bragg se composant d'une succession de couches déposées périodiquement N fois se composant de couches de Si et de
SiGe dopées n.
L'invention présente l'avantage que deux détecteurs à plages de longueurs d'onde différentes sont superposés et, par addition des courants photoélectriques, un rendement accru est obtenu. Le premier détecteur se compose d'une diode Schottky sur un substrat de silicium faiblement dopé et le second détecteur se compose d'une diode pn Si/SiGe. Par suite de la lumière tombant sur le premier détecteur, des photons de plus courtes longueurs d'onde (par exemple X < 0,9 pm) génèrent des paires d'électron-trou dans la zone d'appauvrissement de la diode Schottky, qui sont transportées lors de l'application d'une tension aux contacts et provoquent un flux de courant électronique. Des photons de plus grandes longueurs d'onde (par exemple 1 pm < X < 2 pm) sont absorbés, après traversée du premier détecteur, par le second détecteur, la couche d'absorption pouvant être réalisée par une structure de puits quantique Si/SiGe à empilage multiple ou par un superréseau SiGe de courte période. Les mécanismes d'absorption et le mode opératoire des détecteurs précités sont connus de H. Presting et al. Appl. Phys. Letters 69,
page 2376 (1996) et Appl. Phys. Letters 63, page 491 (1993).
Dans le cas d'un spectre incident à large bande, par exemple dans le cas de l'application à une cellule solaire, des photons de longueurs d'onde différentes génèrent dans les deux détecteurs les deux courants photoélectriques partiels IA et IB, qui s'additionnent en un courant photoélectrique global I. Dans ce cas, pour des raisons d'adaptation d'impédance, les différents courants photoélectriques doivent être d'un ordre de grandeur identique. Le coefficient d'absorption de la couche épitaxiale SiGe doit par conséquent être d'environ deux ordres de grandeur plus
grand que celui du substrat de silicium.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le second détecteur est réalisé avec un résonateur
intégré, qui accroît le rendement du second détecteur.
Il est en outre avantageux, qu'en vue de la réflexion de la lumière traversant les deux détecteurs, soit disposé, sur la structure à couches multiples absorbantes du second détecteur, un réflecteur de Bragg en Si/SiGe, qui
accroît encore le rendement du détecteur global.
L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation en référence aux dessins
schématiques annexés.
Dans un premier exemple de réalisation selon la Figure 1, par exemple sur un substrat 1 de Si poli des deux côtés <100>, qui est faiblement dopé p avec une concentration de dopage de 1015 cm-3 et possède une résistivité de 50 n cm, est déposée par épitaxie, par exemple par épitaxie par faisceau moléculaire, une succession de couches semiconductrices se composant - d'une couche dopée p 2 de Si avec une concentration de dopage de 10i7 cm-3 par exemple d'atomes de bore et une épaisseur de couche de 100 nm - d'une structure à couches multiples 3 non dopée ou faiblement dopée p, qui est réalisée sous la forme d'un puits quantique de potentiel Ge/Si/Ge avec une épaisseur de couche de 200 nm et une concentration de dopage de 1016 cm-3 par des atomes de bore - d'une couche dopée n 4 de Si avec une concentration de dopage de 1018 à 1019 cm-3 par exemple d'atomes de Sb et
une épaisseur de couche de 100 nm.
A l'aide de techniques de processus de semiconducteurs standards, il est réalisé une structuration mesa avec une métallisation pour les contacts des diodes à fabriquer. On dépose les contacts Schottky S1, S1 par exemple en aluminium, sur le côté postérieur du substrat, de sorte que le substrat 1 forme la diode Schottky Si du premier détecteur A. La diode pn Si/SiGe est constituée des couches 2, 3, 4 de la succession de couches Si/SiGe et forme le second détecteur B, les contacts inférieurs P1, P2 étant déposés sur la couche de Si dopée p 2 et le contact supérieur P3 sur la couche de Si dopée n 4. La couche dopée p 2 forme la couche de contact inférieure de la diode pn Si/SiGe et agit simultanément en tant que résonateur du second détecteur. Grâce au choix d'une structure de puits quantique de potentiel Ge/Si/Ge appropriée en tant que couche absorbante du second détecteur B, il peut être obtenu
une longueur d'onde de crête de, par exemple, 1,3 Dm.
Dans un second exemple de réalisation, la couche dopée p 2 de la succession de couches semiconductrices selon la Figure 1 est déposée en tant que couche tampon SiGe pour une structure superréseau SiGe en tant que couche absorbante du second détecteur B. Par exemple, la couche Si1-xGe, dopée p 2 possède une teneur moyenne en Ge de x = 0,25, une concentration de dopage de 1017 atomes de bore par cm3 et une épaisseur de couche de 1000 nm. Sur la couche tampon SiGe, il est déposé une structure à couches multiples 3 qui est réalisée en tant que superréseau SiGe, se composant d'une succession alternée de couches de par exemple chacune 5 monocouches de Si et Ge avec une épaisseur de couche totale d'environ 200 nm. La teneur en Ge de la couche tampon correspond à la teneur moyenne en Ge du superréseau SiGe et dans ce cas x = 0,5. La couche tampon de SiGe forme la couche de contact intérieure de la diode pn Si/SiGe et agit
simultanément en tant que résonateur du second détecteur.
Lors du choix de couches de superréseau SiGe de courte période en tant que couche d'absorption du détecteur B, en vue de la relaxation de tension, une couche tampon de SiGe est tout d'abord déposée sur le substrat de silicium. Grâce au saut d'indice de réfraction entre la couche de SiGe et le substrat de silicium, par choix approprié de l'épaisseur de
la couche, cette couche joue le rôle de résonateur Fabry-
Perot pour le détecteur B. Ce résonateur accroit le rendement et fait varier le maximum d'absorption (longueur d'onde de crête du détecteur B). L'épaisseur de la couche tampon SiGe est combinée avec la longueur d'onde de crête de l'absorption par la relation Fabry-Perot. Un tel résonateur pour des détecteurs au silicium est connu de S. Murtaza et al. Proc. Of 52th Annual Device Research Conf., S.IV A-3, Université du Colorado, Boulder (1994). Grâce au choix du superréseau SiGe en tant que couche absorbante du second -7 détecteur B, on obtient une longueur d'onde de crête de par
exemple 1,55 pm.
Dans un troisième exemple de réalisation, en vue de la réflexion de la lumière absorbée par aucun des deux détecteurs A, B, il est en outre déposé, sur la structure à couches multiples de SiGe 3, un réflecteur de Bragg de Si/SiGe 5 (Figure 2). Le réflecteur de Bragg se compose par exemple d'une succession de couches périodiques déposées N
fois se composant des couches de Si et SiGe dopées n 5, 6.
Un tel réflecteur de Bragg de Si/SiGe est décrit dans la publication de R. Kuchibhotla et al., Appl. Phys. Letters 62, page 2215 (1993). Dans le présent exemple de réalisation, le réflecteur de Bragg est constitué d'une succession de couches déposées par exemple N = 10 fois se composant de couches de Si de 100 nm d'épaisseur 5 et de couches de même épaisseur de SiyGey 6 avec une teneur en Ge de 0,2 y S 0,4 et un dopage n de 1018 à 1019 cm-3. La réflexion de la lumière se produit sur la couche de recouvrement de SiGe du réflecteur de Bragg. La réflexion maximale du réflecteur est réglée sur l'absorption de crête
du détecteur par choix précis de la composition de SiGe.
Grâce à la mise en oeuvre supplémentaire d'un réflecteur de Bragg, on obtient un autre accroissement du rendement du détecteur B.
Claims (13)
1. Photodétecteur, pouvant fonctionner au moins dans deux plages de longueurs d'onde, caractérisé - en ce que le photodétecteur se compose d'un matériau semiconducteur Si/SiGe, et - en ce que le photodétecteur est constitué d'au moins deux détecteurs superposés (A, B), qui possèdent des plages de
longueurs d'onde différentes.
2. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier détecteur (A) se compose
d'une diode Schottky sur un substrat de Si.
3. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second détecteur (B) se compose
d'une diode pn de Si/SiGe.
4. Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second détecteur (B) est réalisé en
tant que diode pn de Si/SiGe à résonateur intégré.
5. Photodétecteur selon l'une des revendications 3
et 4, caractérisé en ce qu'un réflecteur de Bragg est
disposé au-dessus de la diode pn de Si/SiGe.
6. Photodétecteur selon l'une quelconque des
revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la couche active
de détection de la diode pn de Si/SiGe se compose de couches
multiples de SiGe.
7. Photodétecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure à couches multiples de SiGe est réalisée sous la forme d'une structure à puits
quantique de potentiel de Ge/Si/Ge.
8. Photodétecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure à puits quantique de potentiel de Ge/Si/Ge est déposée sur une couche de Si, qui forme non seulement le résonateur mais également la couche
de contact pour le second détecteur (B).
9. Photodétecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure à couches multiples de
SiGe est réalisée en tant que superréseau SiGe.
10. Photodétecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le superréseau SiGe est déposé sur une couche tampon de SiGe, qui forme simultanément le résonateur
et la couche de contact pour le second détecteur (B).
11. Procédé de fabrication d'un photodétecteur selon
l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8,
caractérisé en ce que, sur un substrat de Si faiblement dopé p (1), il est déposé une succession de couches semiconductrices se composant - d'une couche dopée p (2) en Si avec une concentration de dopage de 10i7cm-3 et d'une épaisseur de couche de 100 nm, - d'une structure à couches multiples non dopée ou faiblement dopée p (3), qui est réalisée sous la forme d'un puits quantique de potentiel Ge/Si/Ge avec une épaisseur de couche de 200 nm - d'une couche dopée n (4) en Si avec une concentration de dopage de 1018 à 1019 cm-3 et d'une épaisseur de couche de nm, et structurée de telle sorte que, la diode Schottky est formée pour le premier détecteur (A) par apport de contacts métalliques (S1, S2) sur le côté postérieur du substrat et la diode pn en SiGe est formée pour le second détecteur (B) par apport de contacts métalliques (Pi, P2, P3) sur la couche de Si dopée p (2) et la couche de Si dopée
n (4).
12. Procédé de fabrication d'un photodétecteur selon
l'une quelconque des revendications 1 à 6, 9 et 10,
caractérisé en ce que, sur un support de Si faiblement dopé p (1), il est déposé une succession de couches semiconductrices se composant - d'une couche dopée p (2) en SiGe avec une concentration de dopage de 10j7 cm-3 et une épaisseur de couche de 1000 nm, - d'une structure à couches multiples non dopée ou faiblement dopée p (3), qui est réalisée en tant que superréseau de SiGe avec une épaisseur de couche de nm, - d'une couche dopée n (4) en Si avec une concentration de dopage de 1018 à 1019 cm-' et une épaisseur de couche de nm et structurée de sorte que, la diode Schottky est formée pour le premier détecteur (A) par apport de contacts métalliques (Si, S2) sur le côté postérieur du substrat et la diode pn en SiGe est formée pour le second détecteur (B) par apport des contacts métalliques (P1, P2, P3) sur la
couche de SiGe dopée p (2) et la couche de Si dopée n (4).
13. Procédé de fabrication d'un photodétecteur selon
les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que, sur la
structure à couches multiples de SiGe (b), il est déposé un réflecteur de Bragg se composant d'une succession de couches périodiques déposées N fois se composant de couches de Si et
de SiGe dopées n (5, 6).
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