FR3041815A1 - Photodetecteur comprenant un empilement de couches superposees - Google Patents
Photodetecteur comprenant un empilement de couches superposees Download PDFInfo
- Publication number
- FR3041815A1 FR3041815A1 FR1501985A FR1501985A FR3041815A1 FR 3041815 A1 FR3041815 A1 FR 3041815A1 FR 1501985 A FR1501985 A FR 1501985A FR 1501985 A FR1501985 A FR 1501985A FR 3041815 A1 FR3041815 A1 FR 3041815A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- photodetector
- doped
- contact
- stack
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 194
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 41
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 19
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N gallium antimonide Chemical compound [Sb]#[Ga] VTGARNNDLOTBET-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 10
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 12
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 8
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 8
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical group [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 2
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 2
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 230000035508 accumulation Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- LVQULNGDVIKLPK-UHFFFAOYSA-N aluminium antimonide Chemical compound [Sb]#[Al] LVQULNGDVIKLPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
La présente invention concerne un photodétecteur comportant successivement le long d'une direction d'empilement : - une première couche formant un substrat en un premier matériau semi-conducteur , - une deuxième couche formant une couche photo-absorbante en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième gap, - une troisième couche formant une couche barrière en un troisième matériau semi-conducteur, et - une quatrième couche formant une couche fenêtre en un quatrième matériau semi-conducteur, le premier matériau, le troisième matériau et le quatrième matériau présentant chacun un gap supérieur au deuxième gap, le quatrième matériau étant dopé n ou non dopé et le troisième matériau étant non dopé ou faiblement dopé p lorsque le deuxième matériau est dopé n, et le quatrième matériau étant dopé p ou non dopé et le troisième matériau étant non dopé ou faiblement dopé n lorsque le deuxième matériau est dopé p.
Description
Photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées
La présente invention concerne un photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées.
La présente invention concerne, en outre, un procédé de fabrication d’un tel photodétecteur.
Dans le domaine de l’imagerie infrarouge, des photodétecteurs comprenant une couche photo-absorbante en matériau semi-conducteur sont utilisés. Une couche photoabsorbante est une couche absorbant les photons appartenant à une gamme de longueurs d’onde prédéfinie. L’utilisation d’une couche photo-absorbante continue et planaire, c’est-à-dire sans mésa, est usuellement recherchée pour limiter les risques de dégradation du photodétecteur. Une mésa est une structure semi-conductrice sous forme de saillie ayant un sommet plat et des côtés latéraux abrupts.
Pour améliorer les performances de la couche d'absorption, des couches barrière sont généralement superposées de part et d’autre de la couche d’absorption. Une couche barrière est une couche empêchant le passage des porteurs minoritaires et limitant, par conséquent, le courant d’obscurité. Le courant d'obscurité comporte des composantes de génération-recombinaison, de diffusion ou de recombinaison Auger avec différentes lois d’activation thermique.
Le document US 5 016 073 décrit, notamment, l’insertion d’une couche barrière pour limiter l’injection de porteurs minoritaires dans la région absorbante. L’effet d’une couche barrière sur le courant de diffusion est également explicité dans l’article de G. Marre et al. intitulé « Strategy for the design of a non-cryogenic quantum infrared detector » paru en 2003 dans le volume 18 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 284 à 291.
Dans le cas de détecteurs cryogéniques, la réduction du courant de génération-recombinaison par un dopage adéquat est explicité dans le document US 5 016 073, ainsi que dans l’article de M.Carras et al. intitulé «Generation-recombination réduction in InAsSb photodiodes » paru en 2006 dans le volume 21 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 1720 à 1723.
Les couches barrières introduites doivent être suffisamment épaisses et présenter une énergie suffisante pour que l’effet tunnel soit considéré comme négligeable. L’effet tunnel désigne la propriété d’un objet quantique, tel qu’un électron, à franchir une barrière de potentiel alors que l’énergie de l’objet est inférieure à l’énergie minimale requise pour franchir la barrière.
Les matériaux des couches barrières sont choisis, notamment, parmi des alliages proches de l’accord de maille sur un substrat en antimoniure de gallium (GaSb). En particulier, les matériaux des couches barrières sont choisis de manière à ne pas donner lieu à des effets tunnel inter-bande comme présenté dans l’article de J.N. Schulman et al. intitulé « Sb-Heterostructure Interband Backward Diodes » paru en juillet 2000 dans le volume 21 de la revue IEEE Electron Device Letters aux pages 353 à 355. Des couches intermédiaires de matériaux peuvent donc être introduites de manière appropriée comme décrit dans l’article de M. Carras et al. intitulé « Interface band gap engineering in InAsSb photodiodes » paru en 2005 dans le volume 87 de la revue Applied Physics Letters aux pages 102103 à 102103-3.
Il est notamment connu du document US 2008/0111152, une structure semi-conductrice comportant, notamment, une couche barrière superposée sur une couche d’absorption. Le matériau de la couche barrière et le dopage du matériau sont choisis pour que la zone de charge d’espace soit située hors de la couche d’absorption. Lorsque le composant est polarisé, la présence d’un champ électrique dans la couche barrière est décrite dans les documents WO 2005/004243 et US 2009/0256231. En particulier, le document US 2009/0256231 décrit une configuration de structure de bande avec accumulation de porteurs en proximité de la couche barrière à défaut de bande plate stricte permettant de limiter le courant de génération de Shockley Read Hall . Cette solution est un cas particulier permettant d’éviter une zone de charge d’espace dans la zone active. Le choix du dopage du matériau est par exemple déjà évoqué dans l’article de G. Marre et al. intitulé « Strategy for the design of a non-cryogenic quantum infrared detector » paru en 2003 dans le volume 18 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 284 à 291 et l’article de M.Carras et al. intitulé «Generation-recombination réduction in InAsSb photodiodes » paru en 2006 dans le volume 21 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 1720 à 1723..
Cependant, des effets parasites de recombinaison de surface sont susceptibles de se produire en surface de la couche barrière. Les effets parasites de recombinaison de surface sont, notamment, la génération de courant d’obscurité, de bruit Flicker ou encore de bruit RTS. Le courant d’obscurité est un courant issu de la génération non radiative de paires électrons-trous. Le bruit Flicker est un bruit électronique issu de la superposition de plusieurs phénomènes conduisant à l’apparition de signaux à des fréquences caractéristiques différentes. Par exemple, le bruit Flicker peut être dû à des impuretés dans un matériau ou encore à des recombinaisons électron-trou parasites. Le bruit RTS (abréviation de l’anglais Random Telegraph Signal) est un bruit électronique dû à un excès de courant traversant un défaut électrique parfois corrélé à un défaut cristallin.
De tels effets sont à l’origine de bruit spatial au sein de la matrice de photodiodes. La notion de bruit spatial d’un système est une fonction permettant de décrire la non uniformité du système.
Un but de l’invention est donc de réduire les effets parasites de recombinaison de surface dans un photodétecteur tout en conservant une bonne efficacité quantique du photodétecteur. L’efficacité quantique d’un photodétecteur désigne le rapport entre le nombre de charges électroniques produites par le photodétecteur et le nombre de photons absorbés par le photodétecteur. A cet effet, l'invention a pour objet un photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées, le photodétecteur comportant successivement le long d’une direction d’empilement : - une première couche formant un substrat réalisé en un premier matériau semi-conducteur, - une deuxième couche formant une couche photo-absorbante réalisée en un deuxième matériau semi-conducteur présentant un deuxième gap, - une troisième couche formant une couche barrière réalisée en un troisième matériau semi-conducteur, et - une quatrième couche formant une couche fenêtre réalisée en un quatrième matériau semi-conducteur, le premier matériau, le troisième matériau et le quatrième matériau présentant chacun un gap supérieur au deuxième gap, le quatrième matériau étant dopé n ou non dopé et le troisième matériau étant non dopé ou faiblement dopé p lorsque le deuxième matériau est dopé n, et le quatrième matériau étant dopé p ou non dopé et le troisième matériau étant non dopé ou faiblement dopé n lorsque le deuxième matériau est dopé p.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le détecteur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le taux de dopage du quatrième matériau est compris entre 1015 cm"3 et 1017 cm" 3 - l’épaisseur de la quatrième couche dans la direction d’empilement est comprise entre 100 nanomètres et 500 nanomètres et préférentiellement entre 200 nanomètres et 300 nanomètres. - le photodétecteur comprend, en outre, une cinquième couche superposée à la quatrième couche, la quatrième couche étant entre la troisième couche et la cinquième couche, la cinquième couche formant une couche de passivation. - le photodétecteur comprend, en outre, une septième couche superposée à la cinquième couche, la septième couche formant une couche de collection de courant. - l’empilement de couches comprend des contacts réalisés en matériau semi-conducteur, chaque contact ayant une partie d’extrémité en contact avec la troisième couche. - la quatrième couche comporte des zones diffusées, l’empilement de couches comprenant des contacts réalisés en matériau semi-conducteur, chaque contact ayant une partie d’extrémité en contact avec au moins une zone diffusée. - le photodétecteur comporte des anneaux de garde entourant les contacts. - le deuxième matériau, le troisième matériau et le quatrième matériau sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes NIA et VA de la classification périodique. - le quatrième matériau est de la forme GaShyAs^y, y étant un nombre compris entre 0 et 1, avantageusement le quatrième matériau est l’antimoniure de gallium. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un photodétecteur tel que précédemment décrit dans lequel le procédé comporte, pour chacune des couches, une étape de croissance épitaxiale. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : -figure 1, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un premier mode de réalisation; - figure 2, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un deuxième mode de réalisation ; - figure 3, une vue schématique en vue de dessus du photodétecteur de la figure 2, - figure 4, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un troisième mode de réalisation; - figure 5, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un quatrième mode de réalisation - figure 6, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un cinquième mode de réalisation, - figure 7, une vue schématique en vue de dessus du photodétecteur de la figure 6, - figure 8, une vue schématique en coupe d’un exemple de photodétecteur selon un sixième mode de réalisation, et - figure 9, une vue schématique en vue de dessus du photodétecteur de la figure 8.
Pour la suite de la description, il est défini une direction longitudinale. Il est également défini une direction d’empilement et une direction transversale. La direction d’empilement est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et contenue dans un plan transverse par rapport à la direction longitudinale. La direction d’empilement correspond à une direction générale de propagation de la lumière. La direction transversale est perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction d’empilement. Les directions longitudinale, d’empilement et transversale sont respectivement symbolisées par un axe X, un axe Z et un axe Y sur les figures 1 à 9.
Dans ce qui suit, une structure formée d’un empilement comprenant successivement, dans la direction d’empilement Z, un substrat, une couche photoabsorbante et une couche barrière est considérée. Un substrat est une couche supportant d’autres couches. La surface de la structure est la surface dans la direction d’empilement Z de la dernière couche de l'empilement non en contact avec d’autres couches de l’empilement.
Une première voie pour réduire les effets parasites de recombinaison en surface d'une telle structure est de superposer une première couche additionnelle sur la couche barrière. Une telle structure est illustrée sur la figure 1. Le matériau et le dopage de la première couche additionnelle sont choisis pour limiter les recombinaisons parasites de porteurs de charges dans la couche additionnelle.
Une deuxième voie pour réduire encore les effets parasites de recombinaison en surface de la structure présentée en figure 1 est de superposer une deuxième couche additionnelle sur la première couche additionnelle. Une telle structure est illustrée en figure 2 notamment. La deuxième couche additionnelle est une couche permettant de passiver la structure. En effet, une mauvaise ou l’absence de passivation est à l’origine d’une dégradation dans le temps des caractéristiques fonctionnelles du photodétecteur. La passivation est un traitement d’interface et de surface visant, d’une part, à conférer aux interfaces et aux surfaces les propriétés électroniques requises pour un fonctionnement optimal d’un dispositif semi-conducteur. D’autre part, la passivation vise à stabiliser les propriétés des surfaces et interfaces pour supprimer toute perturbation ou évolution dans le temps des caractéristiques fonctionnelles du dispositif résultant de contraintes extérieures physicochimiques, thermiques et électriques. Dans ce cas, le matériau de la première couche additionnelle est choisi, notamment, pour favoriser la passivation.
Dans ce qui suit, il est proposé différents modes de réalisation de la structure, ainsi que des critères permettant d’effectuer un choix judicieux de la géométrie de la structure, ainsi que des matériaux et des taux de dopage des matériaux formant la structure. De tels critères ont pour visée de limiter, avec une seule structuration, la génération de bruits parasites.
Un premier mode de réalisation d'un photodétecteur Pd est illustré sur la figure 1. Le photodétecteur Pd présente une gamme spectrale de fonctionnement. La gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur appartient à l’une des gammes spectrales suivantes : l’infrarouge, l’infrarouge proche, l'infrarouge moyen et l’infrarouge lointain. Une onde appartient à la gamme infrarouge si la longueur d’onde de l’onde est comprise au sens large entre 780 nanomètres (nm) et 1 millimètre (mm). Une onde appartient à la gamme infrarouge proche si la longueur d'onde de l’onde est comprise au sens large entre 780 nm et 3 micromètres (pm). Une onde appartient à la gamme infrarouge moyen si la longueur d’onde de l’onde est comprise au sens large entre 3 pm et 5 pm. Une onde appartient à la gamme infrarouge lointain si la longueur d’onde de l’onde est comprise au sens large entre 5 pm et 1 mm.
Comme visible sur la figure 1, le photodétecteur Pd comprend un empilement de couches superposées le long de la direction d’empilement Z. Par l’expression « couches superposées », il est entendu que les couches sont disposées les unes sur les autres le long de la direction d’empilement Z. L’empilement comprend donc une succession de couches dans la direction d’empilement Z. Chaque couche de l’empilement Z est donc définie par une épaisseur selon la direction d’empilement Z. L’empilement s’étend, en outre, dans la direction longitudinale X et dans la direction transversale Y puisque chaque couche de l'empilement est définie par une longueur selon la direction longitudinale X et une largeur selon la direction transversale Y. L’empilement de couches superposées comprend successivement, le long de la direction d’empilement Z, une première couche Ci, une deuxième couche C2, une troisième couche C3 et une quatrième couche C4.
La première couche Ci forme un substrat.
La première couche Ci forme, en outre, une couche barrière. Dans la suite de la description, il est entendu par l'expression « couche barrière», une couche empêchant le passage de plus de 10'3 % d’un type de porteurs. Cette barrière de potentiel est présente sur la bande de valence pour bloquer les trous ou sur la bande de conduction pour bloquer les électrons.
La première couche Ci est transparente dans la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd. Par le terme « transparent », il est entendu que la première couche Cm absorbe moins de 10 % de la lumière incidente et appartenant à la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd lorsque l’épaisseur le long de la direction d’empilement Z de la première couche Ci est inférieure à la dizaine de micromètres.
La première couche Ci est réalisée en un premier matériau M-|.
Le premier matériau M-ι est choisi pour présenter des paramètres de maille permettant la croissance par épitaxie d’une ou de plusieurs couches cristallines sur le premier matériau Mi. Les paramètres de maille d’un cristal désignent, par exemple, trois longueurs et trois angles utilisés pour décrire la maille du cristal.
Le premier matériau Mi est également choisi de sorte à avoir des paramètres de maille permettant d’éviter la formation de défauts cristallins lors de la croissance par épitaxie d’un ou de plusieurs cristaux sur le premier matériau M-i.
Le premier matériau Mi est un semi-conducteur.
Le premier matériau Mi est un matériau composé ou non. Un matériau composé est un assemblage d'au moins deux matériaux, chaque matériau étant un élément ou un alliage. Chaque matériau formant ie premier matériau Mi appartient à l’une des colonnes de la classification périodique parmi les colonnes suivantes : IIB, NIA, IVA, VA et VIA. La classification périodique utilisée est la classification par numéro atomique croissant établie par Moseley au début du XXeme siècle. Le groupe II de la classification périodique est aussi appelé groupe 12. Le groupe II comprend, notamment, le zinc (Zn), le cadmium (Cd) et le mercure (Hg). Le groupe III de la classification périodique est aussi appelé groupe 13. Le groupe III correspond au groupe du bore et comprend, notamment, le bore (B), l’aluminium (Al), le gallium (Ga) et l’indium (In). Le groupe IV de la classification périodique est aussi appelé groupe 14. Le groupe IV comprend, notamment, le silicium (Si) et le germanium (Ge). Le groupe V de la classification périodique est aussi appelé groupe 15 ou famille de l’azote. Le groupe V comprend, notamment, l'azote (N), le phosphore (P), l’arsenic (As) et l’antimoine (Sb). Le groupe VI de la classification périodique est aussi appelé groupe 16. Le groupe VI comprend, notamment, l'oxygène (O), le soufre (S) et le sélénium (Se). Avantageusement, les matériaux des colonnes III et Il peuvent respectivement être associés à des matériaux des colonnes V et VI pour la réalisation d’hétéro-structures pour photo-détecteurs. On parlera d’alliages ll-VI ou lll-V.
Le premier matériau Mi est, par exemple, l’arséniure de gallium (GaAs), l’antimoniure de gallium (GaSb) ou le silicium (Si). L’arséniure de gallium et l’antimoniure de gallium présentent l’avantage d’être des matériaux à gap direct. Un matériau à gap direct est un matériau émettant de la lumière à la suite d’une recombinaison électron-trou. Le silicium présente l’avantage d’être moins fragile que l’arséniure de gallium ou l’antimoniure de gallium, notamment. Le silicium est, en outre, disponible sous des formats de grandes surfaces permettant de réduire fortement les coûts de production.
Optionnellement, dans le cas où le premier matériau Mi n'est pas l'antimoniure de gallium, une couche additionnelle formant tampon est superposée sur la première couche avant la deuxième couche C2. La couche additionnelle permet de rapprocher le premier matériau Μ·ι de l’accord de maille sur l’antimoniure de gallium.
Le premier matériau M1 présente un premier gap Eg1.
La première couche Ci a une première épaisseur ei le long de la direction d’empilement Z. La première épaisseur ei est comprise au sens large entre 500 nm et 600 pm.
La première couche Ci a également une première longueur U le long de la direction longitudinale X et une première largeur bi le long de la direction transversale Y. La première longueur h est comprise au sens large entre 100 pm et 20 mm. La première largeur bi est comprise au sens large entre 100 pm et 20 mm pour une matrice de photodétection. Une matrice de photo-détection est une matrice de pixels d’un photodétecteur. La première largeur b! est comprise au sens large entre 50 mm et 150 mm pour un photodétecteur comprenant un ensemble de matrice de photo-détection.
La première couche est continue le long de la direction longitudinale X, de la direction transversale Y et de la direction d’empilement Z. Une couche continue dans une direction donnée est une couche qui ne présente pas de ruptures ou de discontinuités dans la direction donnée.
La deuxième couche C2 forme une couche photo-absorbante. Dans la suite de la description, il est entendu par l’expression « couche photo-absorbante », une couche absorbant au moins 50% des photons appartenant à la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd et arrivant sur la couche photo-absorbante.
La deuxième couche C2 est réalisée en un deuxième matériau M2.
Le deuxième matériau M2 est choisi pour être en accord de maille avec le premier matériau 1^. Par l’expression « accord de maille », il est entendu que le premier matériau Mi et le deuxième matériau M2 ont le même réseau cristallin et des paramètres de maille proches. Par l’expression « paramètre de maille proche», il est entendu que la différence entre le ième paramètre de maille d’un premier réseau cristallin et le ieme paramètre de maille d’un deuxième réseau cristallin, en liaison avec le premier réseau cristallin, est inférieure au sens large à 0,1 pourcents du ièm® paramètre de maille du premier réseau cristallin.
Le deuxième matériau M2 est un semi-conducteur.
Le deuxième matériau M2 est un matériau composé ou non. Chaque matériau formant le deuxième matériau M2 appartient à l’une des colonnes de la classification périodique parmi les colonnes suivantes : MB, NIA, VA et VIA. Avantageusement, le deuxième matériau M2est un alliage ll-VI ou lll-V.
Le deuxième matériau M2 est dopé n ou p. Il est entendu par le terme « dopage n », l'introduction d’impuretés dans un semi-conducteur de sorte à produire un excès d’électrons. Il est entendu par le terme « dopage p », l’introduction d’impuretés dans un semi-conducteur de sorte à produire un déficit d'électrons.
Le taux de dopage du deuxième matériau M2est compris au sens large entre 1015 cm-3 et 1017 cm'3. Le taux de dopage est défini comme le nombre d’atomes dopés dans un centimètre cube du réseau cristallin. Le taux de dopage est volumique.
Lorsque le deuxième matériau M2 est dopé n ou p, le deuxième matériau M2 est, par exemple, choisi parmi : l’arséniure-antimoniure d'indium (InAsSb), des alliages digitaux d’arséniure-antimoniure d'indium et d’arséniure d’indium et des super-réseaux d'arséniure d’indium et d’antimoniure de gallium. Un alliage digital est un empilement de matériaux ayant des concentrations différentes en un élément. Un super-réseau est un empilement périodique de couches de faibles épaisseurs.
Le deuxième matériau M2 présente un deuxième gap Eg2. Le deuxième gap Eg2 est inférieur au sens strict au premier gap Eg1.
La deuxième couche C2 comporte une deuxième épaisseur e2 le long de la direction d’empilement Z. La deuxième épaisseur e2 est de l’ordre de grandeur de la longueur optique d’absorption d’un photon. La longueur optique d’absorption d’un photon dans un matériau donné est le chemin optique parcouru par le photon dans le matériau avant que le photon soit absorbé dans le matériau suivant une loi d’absorption exponentielle telle que la loi de Beer-Lambert. Plus précisément, la deuxième épaisseur e2 est comprise au sens large entre 1 pm et 5 pm.
Le deuxième matériau M2, le taux de dopage du deuxième matériau M2 et la deuxième épaisseur e2 ont été choisis pour éviter le positionnement de la zone de charge d’espace dans la deuxième couche C2, ce qui permet d’éviter la génération du courant de Shockley Read Hall. En effet, comme expliqué dans l’article de G. Marre et al. intitulé « Strategy for the design of a non-cryogenic quantum infrared detector » paru en 2003 dans le volume 18 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 284 à 291 et l’article de M.Carras et al. intitulé «Generation-recombination réduction in InAsSb photodiodes » paru en 2006 dans le volume 21 de la revue Semiconductor Science and Technology aux pages 1720 à 1723, le dopage de la couche photo-absorbante permet de limiter l’extension de la zone de charge d’espace. En outre, un choix judicieux de la nature et du dopage des matériaux des couches barrières adjacentes permet de placer la zone de charge d’espace dans les couches barrières et de limiter les courants de génération-recombinaison dans la zone de charge d'espace. La zone de charge d’espace ou zone de désertion est une zone dépourvue de porteurs de charge libres. Le courant de Shockley Read Hall est un courant dû à la génération-recombinaison non-radiative de paires électron-trou. La présence de défauts ou d’impuretés dans un cristal sont à l’origine de telles génération-recombinaisons non radiatives.
La deuxième couche C2 a également une deuxième longueur l2 le long de la direction longitudinale X et une deuxième largeur b2 le long de la direction transversale Y. La deuxième longueur l2 est sensiblement égale à la première longueur h. La deuxième largeur b2 est sensiblement égale à la première largeur b^ Il est entendu par l’expression « sensiblement égal », égal avec une incertitude de plus ou moins 1% et avantageusement avec une incertitude de 0%.
La deuxième couche C2 est continue le long de la direction longitudinale X, de la direction transversale Y et de la direction d'empilement Z.
La troisième couche C3 forme une couche barrière.
La troisième couche C3 est transparente dans la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd.
La troisième couche C3 est réalisée en un troisième matériau M3.
Le troisième matériau M3 est choisi pour être en accord de maille avec le deuxième matériau M2 ou en quasi accord de maille dans le cas où le troisième matériau M3 est l’antimoniure de gallium-aluminium (AIGaSb). L’expression « quasi-accord de maille » signifie un désaccord de maille de moins de 0,05%.
Le troisième matériau M3 est un semi-conducteur.
Le troisième matériau M3 est un matériau composé ou non. Chaque matériau formant le troisième matériau M3 appartient à l'une des colonnes de la classification périodique parmi les colonnes suivantes : IIB, NIA, VA et VIA. Avantageusement, le troisième matériau M3est un alliage ll-VI ou lll-V.
Le troisième matériau M3 est faiblement dopé ou non dopé. En particulier, le troisième matériau M3 est non dopé ou faiblement dopé n lorsque le deuxième matériau M2 est dopé p et est non dopé ou faiblement dopé p lorsque le deuxième matériau M2 est dopé n.
Le taux de dopage du troisième matériau M3 est compris au sens large entre 1013 cm'3 et 1016 cm"3.
Lorsque le deuxième matériau M2, de préférence InAsSb, est dopé n, le troisième matériau M3est, par exemple, choisi parmi : l’antimoniure de gallium-aluminium (AIGaSb) et l’arséniure-antimoniure de gallium-aluminum (AIGaAsSb). Dans ce cas, le deuxième matériau M2 présente une forte discontinuité de bande de conduction permettant de bloquer les électrons.
Lorsque le deuxième matériau M2 est dopé p, le troisième matériau M3 est, par exemple, l’antimoniure de gallium.
Le troisième matériau M3 présente un troisième gap Eg3. Le troisième gap Eg3 est supérieur au sens strict au deuxième gap Eg2.
La troisième couche C3 a une troisième épaisseur e3 le long de la direction d’empilement Z. La troisième épaisseur e3 est comprise au sens large entre 30 nm et 200 nm.
La troisième couche C3 a également une troisième longueur l3 le long de la direction longitudinale X et une troisième largeur b3 le long de la direction transversale Y. La troisième longueur l3 est sensiblement égale à la première longueur h. La troisième largeur b3 est sensiblement égale à la première largeur bi.
La troisième couche C3 est continue le long de la direction longitudinale X, de la direction transversale Y et de la direction d'empilement Z.
La quatrième couche C4 forme une couche fenêtre. Une couche fenêtre est une couche barrière permettant, en outre, de réduire les effets parasites de recombinaison de surface du fait de l’écrantage électrostatique lié au dopage électrique de la quatrième couche C4. Une couche fenêtre est, de plus, transparente dans la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd.
La quatrième couche C4 est transparente dans la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd.
La quatrième couche C4 est réalisée en un quatrième matériau M4.
Le quatrième matériau M4 est choisi pour être en accord de maille avec le troisième matériau M3.
Le quatrième matériau M4 est choisi pour être inoxydable dans le milieu ambiant. Le milieu ambiant désigne un milieu formé d’air, à une température comprise au sens large entre 300 K et 400 K et à une pression comprise au sens large entre 10'6 bar et 1 bar en phase de procédé de fabrication. Un matériau inoxydable dans un milieu donné est un matériau non soumis à la corrosion dans le milieu. La corrosion désigne l’altération d’un matériau par réaction chimique avec un oxydant. Un oxydant est une espèce chimique qui capte des électrons. Le dioxygène et le cation hydrogène sont des exemples d’oxydants.
Le quatrième matériau M4 est choisi pour être stable métallurgiquement. Un matériau stable métallurgiquement est un matériau ayant une composition en éléments et un réseau cristallin stables dans le temps avec une tolérance de 0,01%. Ainsi, le pourcentage en un élément pour chacun des éléments du matériau ne varie pas de plus de 0,01% dans le temps. Les paramètres de maille du réseau cristallin ne varient pas de plus de 0,01% dans le temps.
Le quatrième matériau M4est un semi-conducteur.
Le quatrième matériau M4 est un matériau composé ou non. Chaque matériau formant le quatrième matériau M4 appartient à l’une des colonnes de la classification périodique parmi les colonnes suivantes : NIA et VA.
Le quatrième matériau M4 est non dopé ou faiblement dopé. Lorsque le troisième matériau M3 est faiblement dopé p, le quatrième matériau M4 est dopé, le dopage est n. Lorsque le troisième matériau M3 est faiblement dopé n, le quatrième matériau M4 est dopé, le dopage est p.
Le taux de dopage du quatrième matériau M4 est compris au sens large entre 1015 cm'3 et 1017 cm'3.
Le quatrième matériau M4 est généralement un matériau de la forme GaSbyAs^y avec y un nombre compris au sens large entre 0 et 1. Plus particulièrement, le quatrième matériau M4 est, par exemple, l’antimoniure de gallium (GaSb).
Le quatrième matériau M4 présente un quatrième gap Eg4. Le quatrième gap Eg4 est supérieur au sens strict au deuxième gap Eg2.
La quatrième couche C4 présente une quatrième épaisseur e4 le long de la direction d’empilement Z. La quatrième épaisseur e4 est comprise au sens large entre 100 nm et 500 nm. De préférence, la quatrième épaisseur est comprise au sens large entre 200 nm et 300 nm.
Le quatrième matériau M4, le taux de dopage du quatrième matériau M4 et la quatrième épaisseur e4 sont choisis pour écranter l’effet de surface en surface de la quatrième couche C4. La surface de la quatrième couche C4 est la surface de la quatrième couche C4 dans la direction d’empilement Z qui n’est pas en contact avec la troisième couche C3. L’écrantage de l’effet de surface est la réduction de l’effet électrostatique des charges présentes en surface d’un matériau semi-conducteur de sorte que moins de 10'3 % de la variation du potentiel électrique soit présent en surface du matériau. L’empilement formé par la première couche la deuxième couche C2, la troisième couche C3 et la quatrième couche C4 est destiné à former une matrice de pixels. Pour cela, la quatrième couche C4 présente des ouvertures 04 réparties à intervalles réguliers sur la quatrième couche C4. Chaque ouverture 04 traverse intégralement la quatrième couche C4 dans la direction d’empilement Z. Chaque ouverture 04 délimite une portion de la troisième couche C3. Le centre de chaque portion de la troisième couche C3 constitue le centre d'un pixel. Chaque pixel s'étend dans les directions longitudinale X et transversale Y à partir du centre de chaque portion de la troisième couche C3. Un pixel est donc une portion de l’empilement formé par la première couche C-ι, la deuxième couche C2 et la troisième couche C3 et délimité par la quatrième couche C4. L’ensemble des pixels forme une matrice de pixels.
Les pixels de la matrice de pixels ont des dimensions identiques. Chaque pixel présente une longueur lpixei dans la direction longitudinale X et une largeur bP[Xei dans la direction transversale Y. Chaque pixel présente, en outre, une épaisseur epixei sensiblement égale à la somme des épaisseurs de la première couche C^ de la deuxième couche C2 et de la troisième couche C3. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la longueur lpixei et la largeur bpixei d’un pixel sont égales et sont communément appelées « pas du pixel ». Le pas de chaque pixel est compris au sens large entre 2 pm etIOpm.
La quatrième couche C4est, ainsi, continue le long de la direction d’empilement Z. En revanche, la quatrième couche C4 est ouverte régulièrement le long de la direction longitudinale X et de la direction transversale Y.
Chaque ouverture 04 a une épaisseur selon la direction d’empilement Z sensiblement égale à la quatrième épaisseur e4de la quatrième couche C4.
Chaque ouverture 04 a une longueur selon la direction longitudinale X comprise au sens large entre 1 pm et 30 pm.
Chaque ouverture 04 a une largeur selon la direction transversale Y comprise au sens large entre 1 pm et 30 pm.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, chaque ouverture 04 a une forme cylindrique d’axe parallèle à la direction d’empilement Z et de diamètre d4 compris au sens large entre 1 pm et 30 pm. L’espacement de chaque paire d’ouvertures 04 adjacentes dans la direction longitudinale X est égal à la longueur lpixei d’un pixel. L’espacement de chaque paire d’ouvertures 04 adjacentes dans la direction transversal Y est égal à la largeur bpixei d’un pixel. Ainsi, chaque ouverture 04 est séparée des autres ouvertures 04 d’une distance équivalente au pas du pixel.
Le fonctionnement du photodétecteur Pd selon le premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit.
Initialement, un flux de lumière est émis sur le photodétecteur Pd en éclairage face arrière, c’est-à-dire depuis la première couche C1 jusqu’à la quatrième couche C4. Le flux de lumière comporte des photons appartenant à la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd.
Les photons incidents, appartenant à la gamme spectrale de fonctionnement du photodétecteur Pd, traversent la première couche puis sont absorbés dans la deuxième couche C2. L’absorption d’un photon dans la deuxième couche C2 crée une paire électron-trou. L’électron et le trou sont ensuite chacun acheminés dans une couche où l’électron, respectivement le trou, est un porteur majoritaire. La séparation des paires électron-trou est régie par le champ électrique interne présent dans la troisième couche C3 qui est une couche barrière ou par la diffusion des porteurs qui sont bloqués par les deux couches barrière Ci et C3.
Dans ce qui suit, deux cas sont distingués en fonction du dopage p ou n de la deuxième couche C2.
Lorsque la deuxième couche C2 est dopée n, le trou est acheminé dans la troisième couche C3 dopée p et l’électron est recombiné dans la couche Ci dont le dopage et la conductivité permettent de maintenir l’électroneutralité dans l’ensemble du composant.
Les électrons de la deuxième couche C2 tendent à être acheminés depuis la deuxième couche C2 vers la troisième couche C3 par effet tunnel. Cependant, la troisième couche C3 limite le passage des électrons par effet tunnel vers la troisième couche C3. La différence de gap entre le troisième gap Eg3 et le deuxième gap Eg2 est à l’origine du confinement des électrons dans la deuxième couche C2 et de l’évacuation des électrons à travers la couche
En revanche, la troisième couche C3 permet le passage des trous qui sont donc acheminés depuis la deuxième couche C2 vers la troisième couche C3.
Les trous sont ensuite acheminés au sein de la troisième couche C3 par diffusion dans les ouvertures 04 les plus proches géographiquement des trous.
La quatrième couche C4 permet, ainsi, de confiner les trous vers les ouvertures 04 les plus proches géographiquement des trous. Les trous ne sont donc pas piégés à la surface de la quatrième couche C4 et ne génèrent donc pas d’instabilités électriques telles que le courant d’obscurité, le bruit Flicker ou encore le bruit RTS.
Lorsque la deuxième couche C2 est dopée p, l’électron est acheminé dans la troisième couche C3 dopée n et le trou est recombiné dans la couche Ci.
Les trous de la deuxième couche C2 tendent à être acheminés depuis la deuxième couche C2 vers la troisième couche C3. Cependant, la troisième couche C3 limite le passage des trous vers la troisième couche C3. La différence de gap entre le troisième gap Eg et le deuxième gap Eg est à l’origine du confinement des trous dans la deuxième couche C2 et de l’évacuation des trous à travers la couche Ci.
En revanche, la troisième couche C3 permet le passage des électrons qui sont donc acheminés depuis la deuxième couche C2 vers la troisième couche C3.
Les électrons sont ensuite acheminés au sein de la quatrième couche C4 par diffusion dans les ouvertures 04 les plus proches géographiquement des électrons.
La quatrième couche C4 permet, ainsi, de confiner les électrons vers les ouvertures 04 les plus proches géographiquement des trous. Les électrons ne viennent donc pas se piéger à la surface de la quatrième couche C4 et ne génèrent donc pas d’instabilités électriques telles que le courant d’obscurité, le bruit Flicker ou encore le bruit RTS.
Ainsi, la structure du photodétecteur Pd permet de réduire les effets parasites de recombinaison de surface, en particulier, le courant d’obscurité, le bruit Flicker et le bruit RTS.
Les ouvertures 04 périodiques au sein de la quatrième couche C4 permettent la formation de pixels indépendants les uns des autres à partir d’un seul empilement de couches.
En outre, la troisième couche C3 et la quatrième couche C4 sont sans mésas, ce qui permet de préserver les performances du photodétecteur Pd. En effet, le photodétecteur Pd ne pâtit pas de la génération de courants parasites sur les flancs de mésas en InAsSb.
Le photodétecteur Pd conserve une bonne efficacité quantique si le champ électrique interne dans la troisième couche C3 est suffisant ou si une différence de potentiel extérieur est appliquée entre la première couche Ci et la troisième couche C3.
Le procédé de fabrication du photodétecteur Pd selon le premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit.
Le procédé de fabrication comprend initialement la fourniture de la première couche Ci formant le substrat.
Ensuite, le procédé de fabrication comprend la croissance par épitaxie de la deuxième couche C2 sur la première couche Ci. Il est entendu par le terme « épitaxie », une technique de croissance d’un cristal sur un autre cristal, chaque cristal comprenant un réseau cristallin ayant un certain nombre d’éléments de symétrie communs avec l’autre cristal.
La technique d’épitaxie utilisée est choisie parmi : l’épitaxie par jets moléculaires, l’épitaxie en phase liquide et l’épitaxie en phase gazeuse.
Le procédé de fabrication comprend, ensuite, la croissance par épitaxie de la troisième couche C3 sur la deuxième couche C2.
Puis, le procédé de fabrication comprend la croissance par épitaxie de la quatrième couche C4 sur la troisième couche C3.
De préférence, la deuxième couche C2, la troisième couche C3 et la quatrième couche C4 sont formées au cours d'une même épitaxie.
Le procédé comprend, ensuite, le retrait, de certaines portions de la quatrième couche C4 pour former les ouvertures 04 de la quatrième couche C4.
La technique de retrait utilisée est, par exemple, choisie parmi : la gravure sèche, la gravure humide et la gravure ionique réactive par plasma.
Selon un deuxième mode de réalisation tel que visible sur la figure 2, les éléments identiques au photodétecteur Pd selon le premier mode de réalisation décrit en regard de la figure 1 ne sont pas répétés. Seules les différences sont mises en évidence.
Le photodétecteur Pd comprend des contacts C. L’empilement de couches comprend, en outre, le long de la direction d’empilement Z, une cinquième couche C5 superposée sur la quatrième couche C4.
Le quatrième matériau M4 est un matériau propre à être passivé, c’est-à-dire un matériau propre à être recouvert d’un diélectrique, tel que le nitrure de silicium (SiN) ou l’oxyde de silicium (SiO), limitant la conduction de surface.
Les autres caractéristiques du quatrième matériau M4 sont identiques au premier mode de réalisation.
La quatrième couche C4 présente au moins une zone diffusée D dans laquelle un dopant est diffusé. Dans le deuxième mode de réalisation, la quatrième couche C4 présente une zone diffusée D pour chaque ouverture 04.
En variante, la quatrième couche C4 comprend moins de zones diffusées D que d’ouvertures 04 de la quatrième couche C4.
Chaque zone diffusée D est en contact de la quatrième couche C4. En outre, chaque zone diffusée D est en contact dans la direction d’empilement Z avec la troisième couche C3 et avec l’un des contacts C.
Dans le deuxième mode de réalisation, chaque zone diffusée D a une épaisseur selon la direction d’empilement Z sensiblement égale à la quatrième épaisseur e4. Chaque zone diffusée D a une forme complémentaire des ouvertures 04. Ainsi, dans le deuxième mode de réalisation, chaque zone diffusée D a une forme cylindrique de diamètre égal au diamètre d4 des ouvertures 04
Chaque zone diffusée D est réalisée dans un matériau semi-conducteur. Par exemple, chaque zone diffusée D est réalisée en diffusant un matériau choisi parmi : le zinc (Zn), le cadmium (Cd) et le germanium (Ge) dans le quatrième matériau M4 formant la quatrième couche C4.
Chaque contact C permet de collecter le courant au centre d’un pixel. Chaque contact C permet, notamment, de prendre contact avec la troisième couche C3 et de convertir un déplacement des porteurs de charge en courant. La structure matricielle des pixels du photodétecteur est, en particulier, illustrée sur la figure 3 où chaque contact C vient prendre contact avec un pixel.
Chaque contact C comporte une partie d’extrémité dans la direction d’empilement Z. La partie d’extrémité de chaque contact C est la partie orientée vers l’empilement dans la direction d’empilement Z. La partie d’extrémité de chaque contact C est en contact avec au moins une zone diffusée D dans la direction d’empilement Z.
Les contacts C sont identiques.
Dans le deuxième mode de réalisation, comme illustré sur la figure 3, chaque contact C a une forme cylindrique. Chaque contact C présente une épaisseur dans la direction d’empilement Z comprise au sens large entre 50 nm et 200 nm et un diamètre dans le plan formé par les directions longitudinale X et transversale Y compris au sens large entre 2 pm et 15 pm.
En variante, chaque contact C a la forme d’un parallélépipède. Chaque contact C présente, ainsi, une épaisseur dans la direction d’empilement Z comprise au sens large entre 50 nm et 200 nm, une longueur dans la direction longitudinale X comprise au sens large entre 2 pm et 15 pm et une largeur dans la direction transversale Y comprise au sens large entre 2 pm et 15 pm
Chaque contact C est réalisé en matériau métallique. Par exemple, chaque contact C est réalisé en platine et/ ou en or.
En variante, lorsque le deuxième matériau M2 est dopé n, chaque contact C est réalisé dans un matériau semi-conducteur dopé p ou encore dans un métal permettant de former un contact ohmique. Il est entendu par l’expression « contact ohmique », une faible barrière d’énergie potentielle pour les trous formés à l’interface entre un métal et un semi-conducteur permettant la recombinaison instantanée des porteurs minoritaires.
Lorsque le deuxième matériau M2 est dopé p, chaque contact C est réalisé dans un matériau métallique adapté à la collection des électrons. Il s’agit d’un contact ohmique dopé n.
La cinquième couche C5 est superposée à la quatrième couche C4 et aux zones diffusées D dans la direction d’empilement Z. la quatrième couche C4 est, ainsi, entre la troisième couche C3 et la cinquième couche C5.
La cinquième couche C5 forme une couche de passivation. La cinquième couche C5 permet de passiver l’empilement, et donc de protéger l’empilement.
La cinquième couche C5est réalisée en un cinquième matériau M5.
Le cinquième matériau M5 est choisi pour passiver l’empilement.
Le cinquième matériau M5 est un diélectrique.
Le cinquième matériau M5 est, par exemple, du nitrure de silicium (Si3N4) ou de la silice (Si02).
La cinquième couche C5 a une cinquième épaisseur e5 le long de la direction d’empilement Z. La cinquième épaisseur e5 est comprise au sens large entre 50 nm et 500 nm.
La cinquième couche C5 est continue le long de la direction d’empilement Z. En revanche, la cinquième couche C5 n'est pas continue le long de la direction longitudinale X et de la direction transversale Y. En effet, la cinquième couche C5 présente plusieurs orifices 05 traversant intégralement la cinquième couche C5 dans la direction d’empilement Z.
Dans le deuxième mode de réalisation, le nombre d’orifices 05 est égal au nombre de contacts C.
Chaque orifice 05 a une épaisseur dans la direction d’empilement Z identique à la cinquième épaisseur e5. Chaque orifice 05 présente une forme complémentaire des contacts C. Ainsi, chaque orifice 05 a une forme cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre des contacts C.
Chaque orifice 05 est centré sur le centre d’un contact C dans le plan formé par la direction transversale Y et la direction longitudinale X.
La cinquième couche C5 recouvre entièrement la quatrième couche C4, à l’exception des ouvertures 04 de la quatrième couche C4.
Dans ce qui suit seules les différences de fonctionnement du photodétecteur Pd selon le deuxième mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation sont mises en évidence.
Les porteurs de charge présents dans la quatrième couche C4 sont acheminés vers le contact C par l’intermédiaire de la zone diffusée D. Les porteurs de charge sont, notamment, acheminés vers le ou les contacts C les plus proches géographiquement des porteurs de charge.
Chaque contact C produit ensuite un courant.
Bien que l’écrantage électrostatique soit assuré par la quatrième couche C4, la cinquième couche C5 permet, en outre, de limiter l’oxydation de la structure et en particulier de la première couche Ci et de la troisième couche C3 à long terme.
Ainsi, la cinquième couche Cs de passivation permet de réduire les effets parasites de recombinaison de surface par rapport au premier mode de réalisation.
En outre, la disposition et la forme des contacts C permettent de prendre contact avec le signal émis par chaque pixel indépendamment du pixel voisin. Les pixels sont isolés les uns des autres au moyen des contacts C et des ouvertures 04 de la quatrième couche C4. Une faible conductivité de la troisième couche C3 permet d’isoler les pixels les uns des autres.
Dans ce qui suit seules les différences du procédé de fabrication du photodétecteur Pd selon le deuxième mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation sont mises en évidence.
Le procédé comprend, ensuite, l’introduction de zones diffusées D dans les ouvertures 04 de la quatrième couche C4.
La technique d’introduction utilisée est, par exemple, le dépôt en phase vapeur à base de précurseurs organométalliques.
Puis, le procédé de fabrication comprend l’empilement dans la direction d’empilement Z des contacts C sur les zones diffusées D.
La jonction entre un contact C et une zone diffusée D est, par exemple, réalisée par évaporation ou pulvérisation de métaux.
Enfin, le procédé comprend le dépôt de la cinquième couche C5 sur la quatrième couche C4 de sorte que les contacts C soient entourés par la cinquième couche C5.
Selon un troisième mode de réalisation tel que visible sur la figure 4, les éléments identiques au photodétecteur Pd selon le deuxième mode de réalisation décrit en regard de la figure 2 ne sont pas répétés. Seules les différences sont mises en évidence.
Comme illustré sur la figure 4, la quatrième couche C4 ne comporte pas de zones diffusées D.
Chaque contact C a un diamètre sensiblement égal au diamètre des ouvertures 04 de la quatrième couche C4. . Dans ce troisième mode de réalisation, la quatrième couche C4 ne comprend pas de zone diffusée D.
Chaque contact C a une épaisseur selon la direction d’empilement Z comprise au sens large entre 50 nm et 300 nm.
En outre, la partie d’extrémité de chaque contact C est en contact dans la direction d’empilement Z avec la troisième couche C3.
Dans ce qui suit seules les différences de fonctionnement du photodétecteur Pd selon le troisième mode de réalisation par rapport au deuxième mode de réalisation sont mises en évidence.
Les porteurs minoritaires sont directement acheminés depuis la quatrième couche C4 vers chaque contact C.
Le troisième mode de réalisation permet au contact de prendre directement contact avec la troisième couche C3. Un tel mode de réalisation est plus simple à mettre en œuvre que celui du deuxième mode de réalisation.
Dans ce qui suit seules les différences du procédé de fabrication du photodétecteur Pd selon le troisième mode de réalisation par rapport au deuxième mode de réalisation sont mises en évidence.
Après l’étape de retrait, le procédé de fabrication comprend l’introduction des contacts C dans les ouvertures 04 de la quatrième couche C4.
La jonction entre un contact C et la troisième couche C3 dans la direction d’empilement Z est, par exemple, réalisée par évaporation ou pulvérisation de métaux.
Selon un quatrième mode de réalisation tel que visible sur la figure 5, les éléments identiques au photodétecteur Pd selon le deuxième mode de réalisation décrit en regard de la figure 2 ne sont pas répétés. Seules les différences sont mises en évidence. L’empilement de couches du photodétecteur Pd comporte au moins un anneau de garde A. Dans le quatrième mode de réalisation, l’empilement de couches comporte autant d’anneaux de garde A que d’ouvertures 04de la quatrième couche C4.
Un anneau de garde est un conducteur entourant un composant, tel qu’un pixel, et visant à favoriser la séparation des courants électriques issus de deux pixels voisins.
Dans le quatrième mode de réalisation, chaque anneau de garde A a une forme parallélépipédique. Chaque anneau de garde A présente une hauteur dans la direction d’empilement Z comprise au sens large entre 50 nm et 100 nm, une longueur dans la direction longitudinale X comprise au sens large entre 1 pm et 2 pm et une largeur dans la direction transversale Y comprise au sens large entre 1 et 2 pm.
Chaque anneau de garde A est, en outre, entièrement évidé dans la direction d’empilement Z. L’évidement est centré sur le centre de l’anneau de garde A dans le plan formé par les directions longitudinale X et transversale Y. Les périodes des évidements dans les directions longitudinale X et transversale Y sont sensiblement égales au pas des pixels.
Les anneaux de garde A sont disposés sur l’empilement de sorte que les contacts C soient situés au centre des anneaux de garde A.
Les anneaux de garde A permettent de délimiter les pixels de la matrice de pixels.
Chaque anneau de garde A est disposé en contact de la quatrième couche C4 dans la direction d’empilement Z.
De manière préférentielle, l’anneau de garde A est séparé de la cinquième couche C4 par une partie de la cinquième couche C5 de manière à ne pas injecter de courant parasite mais seulement introduire une différence de potentielle extérieure.
Chaque anneau de garde A est, par exemple, réalisé en métal.
Les anneaux de garde A permettent de diminuer le cross-talk (expression anglaise signifiant diaphonie en français) entre les contacts C voisins, et donc entre les pixels voisins. Le cross-talk évalue dans quelle mesure un photon incident sur un pixel donné va générer un signal électrique dans les pixels voisins. Le cross-talk est à l’origine d’une dégradation de la fonction de transfert de modulation.
La réduction du cross-talk par les anneaux de garde permet d’obtenir une valeur de la fonction de transfert de modulation (FTM) comprise entre 55% et 65% de la fréquence de Nyquist qui est la fréquence théorique.
Dans le quatrième mode de réalisation, la cinquième couche C5 présente des évidements traversant intégralement la cinquième couche C5 dans la direction d’empilement Z. Les évidements de la cinquième couche C5 ont une forme complémentaire de la forme des anneaux de garde dans les directions longitudinale X et transversale Y. Les anneaux de garde A sont, ainsi introduits dans les évidements de la cinquième couche C5.
En outre, la quatrième couche C4 présente également des évidements d’épaisseur inférieure à la quatrième épaisseur e4. Les évidements de la quatrième couche C4 ont une forme complémentaire de la forme des anneaux de garde dans les directions longitudinale X et transversale Y. Les anneaux de garde A sont, ainsi introduits dans les évidements de la quatrième couche C4.
Ainsi, en réduisant le phénomène de cross-talk, les anneaux de garde permettent d’améliorer la résolution spatiale du photodétecteur Pd.
Dans ce qui suit seules les différences de fonctionnement du photodétecteur Pd selon le quatrième mode de réalisation par rapport au deuxième mode de réalisation sont mises en évidence. Les anneaux de gardent introduisent une différence de potentiel dans la quatrième couche C4. Cette différence de potentiel permet de favoriser le courant de dérive des porteurs de A vers C et de limiter les effets de diaphonie entre pixels.
Dans ce qui suit seules les différences du procédé de fabrication du photodétecteur Pd selon le quatrième mode de réalisation par rapport au deuxième mode de réalisation sont mises en évidence. L’étape de retraits de portions de la quatrième couche C4 permet, en outre, de former les évidements de la quatrième couche C4.
Puis, le procédé de fabrication comprend l’introduction des anneaux de garde A dans les évidements de la quatrième couche C4.
La jonction entre un anneau de garde A et la quatrième couche C4 est, par exemple, réalisée par collage moléculaire.
Après la disposition des zones de diffusions D et des contacts C, la cinquième couche C5 est déposée sur la quatrième couche C4 de sorte que les contacts C et les anneaux de garde A soient entourés par la cinquième couche C5.
Un cinquième mode de réalisation, visible aux figures 6 et 7, décrit un photodétecteur Pd identique au photodétecteur Pd du troisième mode de réalisation à la différence que le photodétecteur Pd du cinquième mode de réalisation comprend, en outre, au moins un anneau de garde.
Les caractéristiques et remarques sur les anneaux de garde formulées lors du quatrième mode de réalisation s’appliquent dans le cinquième mode de réalisation.
La figure 7 est une vue de dessus du photodétecteur Pd selon le cinquième mode de réalisation. La figure 7 illustre, notamment, la matrice de pixels formée par l’empilement et le fait qu’un anneau de garde A permet de délimiter un pixel.
Selon un sixième mode de réalisation tel que visible sur la figure 8, les éléments identiques au photodétecteur Pd selon le premier mode de réalisation décrit en regard de la figure 1 ne sont pas répétés. Seules les différences sont mises en évidence.
Le photodétecteur Pd comprend une sixième couche C6 empilée sur la quatrième couche C4 et une septième couche C7 empilée sur la sixième couche C6.
La quatrième couche C4 est continue le long de la direction d’empilement Z, de la direction longitudinale X et de la direction transversale Y.
Les autres caractéristiques de la quatrième couche C4 sont identiques au premier mode de réalisation.
La sixième couche C6 est empilée sur la quatrième couche C4 le long de la direction d’empilement Z.
La sixième couche C6 forme une couche de passivation. La sixième couche C6 permet de passiver l'empilement, et donc de protéger l’empilement.
La sixième couche C6 est réalisée en un sixième matériau M6.
Le sixième matériau M6 est un semi-conducteur. Le sixième matériau M6 est un matériau composé ou non. Chaque matériau formant le sixième matériau M6 appartient à l'une des colonnes de la classification périodique parmi les colonnes suivantes : MB, IIIA, VA et VIA. Avantageusement, le sixième matériau M6 est un alliage ll-VI ou lll-V. Le sixième matériau M6est, par exemple, GaSb.
La sixième couche C6 a une sixième épaisseur e6 le long de la direction d’empilement Z. La sixième épaisseur e6 est comprise au sens large entre 50 nm et 500 nm.
La sixième couche C6 est continue le long de la direction d’empilement Z, de la direction longitudinale X et de la direction transversale Y et recouvre entièrement la quatrième couche C4.
La septième couche C7 est empilée sur la sixième couche C6 le long de la direction d’empilement Z.
La septième couche C7 forme une couche de collection de courant aussi appelée couche contact. Une couche contact permet de collecter un courant. Ainsi, la septième couche C7 permet de collecter le courant en provenance de la quatrième couche C4.
La septième couche C7 est réalisée en un septième matériau M7.
Le septième matériau M7 est un matériau facilitant la réalisation d’un contact ohmique. Un contact ohmique est un contact métal-semi-conducteur avec une très faible résistance de contact.
Le septième matériau M7 est dopé n ou p. De préférence, lorsque le deuxième matériau M2 est dopé n, le septième matériau M7 est dopé p et lorsque le deuxième matériau M2 est dopé p, le septième matériau M7 est dopé n.
Le taux de dopage du deuxième matériau M2 est compris au sens large entre 1.1017 cm'3 et 5.1018cm"3.
Le septième matériau M7 est, par exemple, un semi-conducteur tel que InAsSb.
Le septième matériau M7 présente un septième gap Eg7. Le septième gap Eg7 est supérieur ou égal au deuxième gap Eg2.
La septième couche C7 présente une septième épaisseur e7 le long de la direction d'empilement Z. La septième épaisseur e7 est comprise au sens large entre 100 nm et 300 nm. L’empilement formé par la première couche C^ la deuxième couche C2, la troisième couche C3, la quatrième couche C4 et la sixième couche C6 est destiné à former une matrice de pixels. La septième couche C7 est propre à capter le courant électrique en provenance des pixels de l’empilement. Pour cela, la septième couche C7 présente des parties P7 réparties à intervalles réguliers sur la sixième couche C6. Chaque partie P7 délimite une portion de l’empilement. Le centre de chaque partie P7 est placé au centre d’un pixel selon la direction d’empilement Z. Chaque pixel s’étend dans les directions longitudinale X et transversale Y. Un pixel est donc une portion de l’empilement formé par la première couche C1f la deuxième couche C2, la troisième couche C3, la quatrième couche C4, la sixième couche C6 et dont le contact ohmique est assuré par la septième couche C7. L’ensemble des pixels forme une matrice de pixels.
Les pixels de la matrice de pixels ont des dimensions identiques. Chaque pixel présente une longueur lpixei dans la direction longitudinale X et une largeur bpixei dans la direction transversale Y. Chaque pixel présente, en outre, une épaisseur epixei sensiblement égale à la somme des épaisseurs de la première couche Ci, de la deuxième couche C2, de la troisième couche C3, de la quatrième couche C4 et de la sixième couche C6. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la longueur lpixei et la largeur bpiXei d’un pixel sont égales et sont communément appelées « pas du pixel ». Le pas de chaque pixel est compris au sens large entre 2 pm et 10 pm.
La septième couche C7 est, ainsi, continue le long de la direction d’empilement Z. En revanche, la septième couche C7 présente des parties P7 espacées d’un intervalle régulier le long de la direction longitudinale X et de la direction transversale Y. La septième longueur l7 selon la direction longitudinale X séparant deux parties P7 consécutives est comprise au sens large entre 1 pm et 5 pm. La septième largeur b7 selon la direction transversale Y séparant deux parties P7 consécutives est comprise au sens large entre 1 pm et 5 pm.
Chaque partie P7 a une longueur selon la direction longitudinale X égale au pas du pixel moins la septième longueur l7 et une largeur selon la direction transversale Y égale au pas du pixel moins la septième largeur b7.
Les parties P7 permettent ainsi de former des mésas, c’est-à-dire des structures semi-conductrices sous forme de saillie ayant un sommet plat et des côtés latéraux abrupts.
La figure 9 est une vue de dessus du photodétecteur Pd selon le sixième mode de réalisation. La figure 9 illustre, notamment, la matrice de pixels formée par l’empilement et le fait que chaque partie P7 de la septième couche C7 établisse le contact avec un pixel.
Dans ce qui suit seules les différences de fonctionnement du photodétecteur Pd selon le sixième mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation sont mises en évidence.
Les porteurs de charge présents dans la quatrième couche C4 sont acheminés en direction des parties P7 de la septième couche C7 les plus proches géographiquement des porteurs de charge.
Chaque partie P7 produit, ensuite, un courant.
La sixième couche C6 permet de limiter l'oxydation de la structure et en particulier de la première couche C! et de la troisième couche C3 à long terme.
Dans ce qui suit seules les différences du procédé de fabrication du photodétecteur Pd selon le sixième mode de réalisation par rapport au premier mode de réalisation sont mises en évidence.
La quatrième couche C4 est continue.
Le procédé comprend, ensuite, la croissance par épitaxie de la sixième couche C6 sur la quatrième couche C4 de sorte que la sixième couche C6 recouvre intégralement la quatrième couche C4.
Puis, le procédé comprend le dépôt de la septième couche C7 suivi du retrait, de certaines portions de la septième couche C7 pour former les parties P7 de la septième couche C7. La technique de retrait utilisée est, par exemple, choisie parmi : la gravure sèche, la gravure humide et la gravure ionique réactive par plasma.
Ainsi, la réalisation de l’empilement selon le sixième mode de réalisation est facilitée par rapport aux modes de réalisation précédents. Lorsque le septième matériau M7 est en InAsSb, et le sixième matériau M6 en GaSb, la gravure de la septième couche C7 est très sélective et permet, alors, d’arrêter la gravure à la surface de la sixième couche Ce. Ceci permet de minimiser l’épaisseur de la sixième couche Οβ et donc de minimiser l’effet de la sixième couche C6sur les propriétés électriques de l'empilement. La sixième couche C6 ne s’oxyde pas et protège ainsi la quatrième couche C4.
Ainsi, la présence de la première couche Ci, de la deuxième couche C2, de la troisième couche C3 et de la quatrième couche C4 est une caractéristique commune aux six modes de réalisation illustrés sur les figures 1 à 9. En outre, pour chacun des six modes de réalisation illustrés sur les figures 1 à 9, le procédé de fabrication du photodétecteur Pd comprend une étape de croissance épitaxiale pour la première couche Ci, la deuxième couche C2, la troisième couche C3 et la quatrième couche C4. D'autres variantes non illustrées d’un photodétecteur Pd sont également envisagées : - la combinaison des variantes précédentes, par exemple, un photodétecteur Pd comprenant des contacts C en contact avec des zones de diffusion D selon le deuxième mode de réalisation, et comprenant, en outre, d’autres contacts C directement en contact avec la troisième couche C3 selon le troisième mode de réalisation, - un nombre d’anneaux de garde différent du nombre d'ouvertures 04 de la quatrième couche C4, - la présence d’anneaux de garde autours de certains pixels et l’absence d’anneaux de garde autour d’autres pixels, - la présence d’une première couche intermédiaire entre la première couche Ci et la deuxième couche C2, d’une part, et d'une deuxième couche intermédiaire entre la deuxième couche C2 et la troisième couche C3, d’autre part. De telles couches intermédiaires sont, notamment, décrites dans l’article de M. Carras et al. intitulé « Interface band gap engineering in InAsSb photodiodes » paru en 2005 dans le volume 87 de la revue Applied Physics Letters aux pages 102103 à 102103-3. La première et la deuxième couche intermédiaire permettent, notamment, d’éviter les accumulations de porteurs pouvant donner lieu à une recombinaison de type interbande.
Il est rappelé plus généralement que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. - Photodétecteur (Pd) comprenant un empilement de couches superposées, le photodétecteur (Pd) comportant successivement le long d'une direction d’empilement (Z) : - une première couche (CJ formant un substrat réalisé en un premier matériau (Mi) semi-conducteur, - - une deuxième couche (C2) formant une couche photo-absorbante réalisée en un deuxième matériau (M2) semi-conducteur présentant un deuxième gap (Eg2), - une troisième couche (C3) formant une couche barrière réalisée eh un troisième matériau (M3) semi-conducteur, et - une quatrième couche (C4) formant une couche fenêtre réalisée en un quatrième matériau (M4) semi-conducteur, le premier matériau (Mi), le troisième matériau (M3) et le quatrième matériau (M4) présentant chacun un gap (Eg\ Eg3, Eg4) supérieur au deuxième gap (Eg2), le quatrième matériau (M4) étant dopé n ou non dopé et le troisième matériau (M3) étant non dopé ou faiblement dopé p lorsque le deuxième matériau (M2) est dopé n, et le quatrième matériau (M4) étant dopé p ou non dopé et le troisième matériau (M3) étant non dopé ou faiblement dopé n lorsque le deuxième matériau (M2) est dopé p.
- 2. - Photodétecteur (Pd) selon la revendication 1, dans lequel le taux de dopage du quatrième matériau (M4) est compris entre 1015 cm"3 et 1017 cm'3.
- 3. - Photodétecteur (Pd) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’épaisseur de la quatrième couche (C4) dans la direction d’empilement (Z) est comprise entre 100 nanomètres et 500 nanomètres et préférentiellement entre 200 nanomètres et 300 nanomètres.
- 4. - Photodétecteur (Pd) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le photodétecteur (Pd) comprend, en outre, une cinquième couche (C5) superposée à la quatrième couche (C4), la quatrième couche (C4) étant entre la troisième couche (C3) et la cinquième couche (C5), la cinquième couche (C5) formant une couche de passivation.
- 5. - Photodétecteur (Pd) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le photodétecteur (Pd) comprend, en outre, une sixième couche (C6) superposée à la quatrième couche (C4), la quatrième couche (C4) étant entre la troisième couche (C3) et la sixième couche (C6), la sixième couche (Ce) formant une couche de passivation, le photodétecteur (Pd) comprenant, en outre, une septième couche (C7) superposée à la sixième couche (C6), la septième couche (C7) formant une couche de collection de courant.
- 6. - Photodétecteur (Pd) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’empilement de couches comprend des contacts (C) réalisés en matériau semi-conducteur, chaque contact (C) ayant une partie d’extrémité en contact avec la troisième couche (C3).
- 7. - Photodétecteur (Pd) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la quatrième couche (C4) comporte des zones diffusées (D), l’empilement de couches comprenant des contacts (C) réalisés en matériau semi-conducteur, chaque contact (C) ayant une partie d’extrémité en contact avec au moins une zone diffusée (D).
- 8. - Photo-détecteur selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel le photodétecteur (Pd) comporte des anneaux de garde (A) entourant les contacts (C).
- 9. - Photo-détecteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le deuxième matériau (M2), le troisième matériau (M3) et le quatrième matériau (M4) sont des matériaux semi-conducteurs à base de matériaux des colonnes IIIA et VA de la classification périodique.
- 10. - Photo-détecteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le quatrième matériau (M4) est de la forme GaSbyAsi.y, y étant un nombre compris entre 0 et 1, avantageusement le quatrième matériau (M4) est l’antimoniure de gallium (GaSb).
- 11. - Procédé de fabrication d’un photodétecteur (Pd) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel le procédé comporte, pour chacune des couches (Ci, C2, C3, C4, C6), une étape de croissance épitaxiale.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1501985A FR3041815B1 (fr) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | Photodetecteur comprenant un empilement de couches superposees |
| EP16778718.3A EP3353818A1 (fr) | 2015-09-25 | 2016-09-23 | Photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées |
| US15/762,940 US10872997B2 (en) | 2015-09-25 | 2016-09-23 | Photodetector comprising a stack of vertically adjacent layers |
| PCT/EP2016/072760 WO2017051005A1 (fr) | 2015-09-25 | 2016-09-23 | Photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées |
| IL258329A IL258329B (en) | 2015-09-25 | 2018-03-25 | Photodetector comprising a stack of vertically adjacent layers |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1501985 | 2015-09-25 | ||
| FR1501985A FR3041815B1 (fr) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | Photodetecteur comprenant un empilement de couches superposees |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3041815A1 true FR3041815A1 (fr) | 2017-03-31 |
| FR3041815B1 FR3041815B1 (fr) | 2020-02-21 |
Family
ID=55542697
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1501985A Active FR3041815B1 (fr) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | Photodetecteur comprenant un empilement de couches superposees |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10872997B2 (fr) |
| EP (1) | EP3353818A1 (fr) |
| FR (1) | FR3041815B1 (fr) |
| IL (1) | IL258329B (fr) |
| WO (1) | WO2017051005A1 (fr) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108417663B (zh) * | 2018-04-10 | 2023-11-07 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用来测量超晶格材料少子横向扩散长度的器件结构 |
| CN111129187B (zh) * | 2018-10-30 | 2022-11-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 红外光探测器及其制作方法 |
| US20220173303A1 (en) * | 2020-08-31 | 2022-06-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Flexo-electric broadband photo-detectors and electrical energy generators |
| CN115020526A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-06 | 中科爱毕赛思(常州)光电科技有限公司 | NBp势垒型超晶格高温中波红外探测器及其制作方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0967662A1 (fr) * | 1998-06-23 | 1999-12-29 | Thomson-Csf | Détecteur à puits quantique avec couche de stockage des électrons photoexcites |
| US20090256231A1 (en) * | 2006-04-06 | 2009-10-15 | Semi-Conductor Devices-An Elbit Systems-Rafael Partnership | Unipolar semiconductor photodetector with suppressed dark current and method for producing the same |
| US8835979B1 (en) * | 2010-06-04 | 2014-09-16 | Hrl Laboratories, Llc | Compound-barrier infrared photodetector |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8417303D0 (en) | 1984-07-06 | 1984-08-08 | Secr Defence | Infra-red detector |
| IL156744A (en) | 2003-07-02 | 2011-02-28 | Semi Conductor Devices An Elbit Systems Rafael Partnership | Depletion-less photodiode with suppressed dark current |
| JP2006237186A (ja) * | 2005-02-24 | 2006-09-07 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体受光素子およびその製造方法 |
| US8044435B2 (en) | 2006-11-14 | 2011-10-25 | Lockheed Martin Corporation | Sub-pixel nBn detector |
| US9548408B2 (en) * | 2014-04-15 | 2017-01-17 | L-3 Communications Cincinnati Electronics Corporation | Tunneling barrier infrared detector devices |
| JP6454981B2 (ja) * | 2014-04-24 | 2019-01-23 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体および受光素子 |
-
2015
- 2015-09-25 FR FR1501985A patent/FR3041815B1/fr active Active
-
2016
- 2016-09-23 WO PCT/EP2016/072760 patent/WO2017051005A1/fr active Application Filing
- 2016-09-23 US US15/762,940 patent/US10872997B2/en active Active
- 2016-09-23 EP EP16778718.3A patent/EP3353818A1/fr active Pending
-
2018
- 2018-03-25 IL IL258329A patent/IL258329B/en unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0967662A1 (fr) * | 1998-06-23 | 1999-12-29 | Thomson-Csf | Détecteur à puits quantique avec couche de stockage des électrons photoexcites |
| US20090256231A1 (en) * | 2006-04-06 | 2009-10-15 | Semi-Conductor Devices-An Elbit Systems-Rafael Partnership | Unipolar semiconductor photodetector with suppressed dark current and method for producing the same |
| US8835979B1 (en) * | 2010-06-04 | 2014-09-16 | Hrl Laboratories, Llc | Compound-barrier infrared photodetector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3041815B1 (fr) | 2020-02-21 |
| US10872997B2 (en) | 2020-12-22 |
| WO2017051005A1 (fr) | 2017-03-30 |
| IL258329A (en) | 2018-05-31 |
| US20180233619A1 (en) | 2018-08-16 |
| IL258329B (en) | 2022-05-01 |
| EP3353818A1 (fr) | 2018-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1756872B1 (fr) | Circuit de detection photonique a structure mesa | |
| EP3084843B1 (fr) | Elément de détection quantique à faible bruit et procédé de fabrication d'un tel élément de photodétection | |
| EP2975643B1 (fr) | Matrice de photodiodes cdhgte a faible bruit | |
| EP2432034B1 (fr) | Détecteur bispectral multicouche à photodiodes et procédé de fabrication d'un tel détecteur | |
| EP3012876B1 (fr) | Procede de fabrication d'une photodiode a faible bruit | |
| WO2017051005A1 (fr) | Photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées | |
| EP2865017B1 (fr) | Structure semiconductrice comportant une zone absorbante placée dans une cavité focalisante | |
| EP2786426B1 (fr) | Structure semiconductrice apte a recevoir un rayonnement électromagnétique, composant semiconducteur et procédé de fabrication d'une telle structure semiconductrice | |
| EP2937902B1 (fr) | Matrice de photodiodes en cdhgte | |
| FR2965105A1 (fr) | Detecteur bispectral multicouche a photodiodes | |
| EP3482419B1 (fr) | Procédé de fabrication de photodétecteur comprenant un empilement de couches superposées | |
| WO2022167419A2 (fr) | Detecteur infrarouge ameliore via l'ingenierie de la masse effective des porteurs de charges | |
| EP0142891B1 (fr) | Dispositif à couplage de charges sensible au rayonnement infrarouge et procédé de réalisation d'un tel dispositif | |
| EP3693997B1 (fr) | Matrice de photo-détecteurs à barrière avec pixellisation par déplétions locales | |
| EP4078690B1 (fr) | Détecteur de rayonnement et procédé de fabrication associé | |
| FR3032304A1 (fr) | Structure semiconductrice a deux cavites resonantes couplees optiquement et procede de fabrication d'une telle structure | |
| WO2024121491A1 (fr) | Photodetecteur mwir a barriere dont la zone absorbante comporte un empilement d'une partie massive et d'un super-reseau | |
| EP4268285A1 (fr) | Architecture de super-reseaux ingaas/gaassb sur substrat inp | |
| FR2941564A1 (fr) | Photodiode et detecteur de rayonnement electromagnetique |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20170331 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 7 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 8 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 9 |