ES3074847T3 - Fotodetector MWIR de barrera cuya zona absorbente comprende un apilamiento de una parte masiva y de una superred - Google Patents

Fotodetector MWIR de barrera cuya zona absorbente comprende un apilamiento de una parte masiva y de una superred

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ES3074847T3
ES3074847T3 ES23841278T ES23841278T ES3074847T3 ES 3074847 T3 ES3074847 T3 ES 3074847T3 ES 23841278 T ES23841278 T ES 23841278T ES 23841278 T ES23841278 T ES 23841278T ES 3074847 T3 ES3074847 T3 ES 3074847T3
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Abstract

La invención se refiere a un fotodetector de barrera MWIR adecuado para detectar radiación luminosa relevante con una longitud de onda central de entre 3 y 5 μm, que comprende una estructura semiconductora (10) con una barrera de III-Sb, que descansa sobre un sustrato de soporte (2) también de III-Sb y consta de: una zona absorbente (11); una capa de barrera (12); y una capa de contacto (13). La zona absorbente (11) consta de dos partes: una primera parte absorbente (11.1), dopada con un primer tipo de conductividad, compuesta de un material sólido a base de InAsSb y ubicada en el lateral del sustrato de soporte (2); y una segunda parte absorbente (11.2), dopada con el primer tipo de conductividad, compuesta de una superred y ubicada entre la primera parte absorbente (11.1) y la capa de barrera (12). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Fotodetector MWIR de barrera cuya zona absorbente comprende un apilamiento de una parte masiva y de una superred
[0003] Campo técnico
[0004] El campo de la invención es el de los fotodetectores MWIR que comprenden una estructura semiconductora de barrera hecha de III-Sb.
[0005] Estado de la técnica anterior
[0006] En el campo de la detección infrarroja, existen numerosos avances para obtener fotodetectores más eficientes, adaptados para detectar en el infrarrojo medio (MWIR, por Middle Wave Infrared en inglés), es decir, en la banda espectral que abarca aproximadamente de 3 a 5 µm. Esto puede implicar la posibilidad de utilizar dichos fotodetectores a temperaturas de funcionamiento superiores a las temperaturas criogénicas habituales, por ejemplo, entre 120 y 170 K. Estos se denominan fotodetectores MWIR HOT, por High Operating Temperature en inglés.
[0007] Los fotodetectores MWIR pueden ser fotodetectores de barrera (o barriodo, por diodo de barrera) de tipo XBn o XBp, es decir, que tienen una estructura semiconductora formada por un apilamiento de una capa de contacto denominada X (dopada de tipo n o tipo p), una capa de barrera denominada B y una zona absorbente dopada de tipo n o p, dependiendo del tipo de diodo de barrera. Se dice que la barrera es unipolar en la medida en que bloquea los portadores de carga de un tipo de conductividad, pero permite el movimiento de los portadores de carga del otro tipo de conductividad. Así, en el caso de un diodo de barrera XBn, la capa de barrera bloquea la mayoría de los electrones, pero permite el movimiento de los huecos fotogenerados en la zona absorbente hacia la capa de contacto. Una presentación de dichos fotodetectores MWIR de tipo barrera se puede encontrar en particular en la publicación de Martyniuk et al. titulada Barrier infrared detectors, Opto-Electron. Rev., 22, no.2, 2014. También podemos consultar el documento US7795640B2.
[0008] En general, los fotodetectores de barrera tienen la ventaja de que la corriente de recombinación SRH (Shockley-Read-Hall) contribuye poco a la corriente de oscuridad, en comparación con su contribución en el caso de los fotodiodos de unión pn. De hecho, en este tipo de fotodiodos de unión pn, la contribución de la corriente SRH puede ser alta en la zona de carga espacial, ya que la energía de la banda prohibida (gap) de los compuestos semiconductores que se utilizan habitualmente para la detección de infrarrojos es baja. En cambio, en un fotodetector de barrera, la zona del campo eléctrico está confinada dentro de la capa de barrera de gran banda prohibida y desempeña el mismo papel que la zona de carga espacial: bloquear los portadores mayoritarios y permitir el paso de los portadores minoritarios fotogenerados. En consecuencia, la contribución de la corriente GR (corriente de generación-recombinación) a la corriente de oscuridad se reduce considerablemente. Además, para no obstaculizar la fotocorriente, la capa de barrera tiene un bajo desfase de la banda de valencia (en el caso de diodos de barrera de tipo XBn).
[0009] Los fotodetectores de barrera pueden fabricarse, en particular, a partir de compuestos III-V basados en antimoniuro (Sb), que permiten, especialmente en el caso de los fotodetectores de tipo XBn, obtener un desplazamiento de banda de valencia muy bajo. La zona de absorción se produce generalmente mediante epitaxia a partir de un sustrato basado en III-Sb, por ejemplo en GaSb. Puede estar hecho de un material denominado masivo (bulk en inglés), por ejemplo InAsSb, o puede estar hecho en forma de una superred (super lattice en inglés), por ejemplo una superred de tipo 2 (T2SL por Type-2 Super Lattice en inglés).
[0010] Las superredes y los materiales masivos se distinguen entre sí, en particular, por las propiedades de transporte de los portadores de carga, y especialmente de los portadores minoritarios, en el material en cuestión. En un material masivo no restringido o en concordancia de red, el transporte de portadores minoritarios es isotrópico: pueden moverse en las tres dimensiones del espacio sin restricciones. En cambio, en una superred, el transporte de estos portadores minoritarios es anisotrópico: el transporte lateral en el plano de las capas, es decir, en un plano ortogonal al eje de crecimiento, es mayor (y similar al transporte en un material masivo) que el transporte vertical a lo largo del eje ortogonal al plano de las capas, debido a la presencia de las barreras de potencial de la superred.
[0011] Estas dos familias tecnológicas (materiales masivos y superredes) presentan diferentes propiedades de absorción en la banda espectral MWIR, y se utilizan de forma diferente según se desee detectar solo en una parte o en toda la banda espectral MWIR.
[0012] De hecho, conviene recordar que la banda espectral MWIR, que corresponde a una ventana de transmisión atmosférica, se divide en dos subbandas situadas a ambos lados de la longitud de onda de absorción del CO<2>a 4,2 µm: una "banda azul" para longitudes de onda inferiores a 4,2 µm y una "banda roja" para longitudes de onda superiores a 4,2 µm.
[0013] Asimismo, se utilizan fotodetectores de barrera MWIR cuya zona absorbente está compuesta de un material masivo InAsSb (en concordancia de red con un sustrato de GaSb) para detectar radiación luminosa principalmente en la "banda azul" del infrarrojo medio, debido a la longitud de onda de corte del InAsSb de 4,1 µm a 150 K. Además, en lo que respecta al InSb, este no está fabricado a partir de un sustrato de GaSb. Además, aunque tiene una longitud de onda de corte más alta (5,5 µm a 77 K), el aumento de la temperatura de funcionamiento conlleva una degradación de la corriente de oscuridad relacionada con el desplazamiento de la banda prohibida del InSb a alta temperatura.
[0014] Además, los fotodetectores infrarrojos cuya zona de absorción está formada por una superred pueden absorber la radiación luminosa en toda la banda espectral MWIR, es decir, tanto en la "banda azul" como en la "banda roja", manteniendo al mismo tiempo la concordancia de red con el sustrato GaSb. Sin embargo, además de las dificultades para crear una capa absorbente de superred de este tipo, el aumento de la temperatura de funcionamiento también conlleva una degradación de la corriente de oscuridad. Además, el transporte anisotrópico de portadores de carga da como resultado una baja eficiencia cuántica y, en el caso de un fotodetector matricial, degrada la función de transferencia de modulación (MTF).
[0015] Divulgación de la invención
[0016] La presente invención pretende subsanar, al menos en parte, las deficiencias de la técnica anterior y, más concretamente, proponer un fotodetector de barrera MWIR adaptado para detectar la radiación luminosa en toda la banda espectral MWIR, que presente un rendimiento mejorado a una temperatura de funcionamiento nominal, o un rendimiento nominal pero a una temperatura de funcionamiento más elevada.
[0017] Para ello, el objeto de la invención es un fotodetector MWIR de barrera, adaptado para detectar radiación luminosa de interés con una longitud de onda central entre 3 y 5 µm. La longitud de onda central puede ser cualquier longitud de onda ubicada dentro de esta banda espectral. El fotodetector comprende una estructura semiconductora de barrera, hecha de III-Sb, que descansa sobre un sustrato de soporte hecho de III-Sb, y formada por: una zona absorbente, adaptada para absorber la radiación luminosa de interés; una capa de barrera; y, por último, una capa de contacto.
[0018] La zona absorbente está formada por un apilamiento de dos partes: una primera parte absorbente, dopada según un primer tipo de conductividad, hecha de un material masivo basado en InAsSb, ubicada en el lateral del sustrato de soporte; y una segunda parte absorbente, dopada según el primer tipo de conductividad y formada por una superred, ubicada entre la primera parte absorbente y la capa de barrera.
[0019] A continuación se presentan algunos aspectos preferibles, pero no limitantes, de este fotodetector MWIR. El fotodetector puede incluir una matriz de píxeles de detección, siendo la primera parte absorbente una capa continua común a cada píxel de detección.
[0020] La capa de contacto puede estar reticulada y formarse a partir de varias porciones distintas entre sí. La capa de barrera puede estar reticulada y formada por varias porciones distintas entre sí, y la segunda parte absorbente puede estar reticulada y formada por varias porciones distintas entre sí, formándose cada píxel de detección a partir de una meseta que descansa sobre la primera parte absorbente, formándose cada meseta por una porción de la capa de contacto reticulada, una porción de la capa de barrera reticulada y una porción de la segunda parte absorbente reticulada.
[0021] Como alternativa, la capa de contacto puede estar reticulada y formada por varias porciones distintas entre sí, de modo que cada píxel de detección se forma a partir de una porción de la capa de contacto, siendo la segunda parte absorbente una capa continua común a cada píxel de detección.
[0022] El fotodetector puede incluir una capa intermedia situada entre la primera parte absorbente y la segunda parte absorbente, y en contacto con ellas; dicha capa intermedia es una capa continua común a cada píxel de detección.
[0023] La primera parte absorbente puede fabricarse con InAsSb en concordancia de red con un tamaño que coincida con el del sustrato de soporte.
[0024] La segunda parte absorbente puede estar hecha de InAs/InAsSb, InAs/AlSb o InAs/GaSb.
[0025] La primera parte absorbente puede ser más gruesa que la segunda parte absorbente.
[0026] La primera parte absorbente puede tener un espesor al menos igual a la mitad del de la zona absorbente. La estructura del semiconductor de barrera puede ser del tipo XBn, donde la banda de valencia de la segunda parte absorbente tiene una energía mayor que la de la banda de valencia de la primera parte absorbente. Alternativamente, la estructura semiconductora de barrera puede ser del tipo XBp, donde la banda de conducción de la segunda parte absorbente tiene una energía menor que la de la banda de conducción de la primera parte absorbente.
[0027] Breve descripción de los dibujos
[0028] Otros aspectos, objetivos, ventajas y características de la invención quedarán más claros al leer la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la misma, dada a modo de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
[0029] La figura 1A es una vista esquemática y parcial en sección transversal de un fotodetector de barrera MWIR según una realización;
[0030] La figura 1B ilustra un diagrama de bandas de energía del fotodetector MWIR de la figura 1A;
[0031] La figura 2A es una vista esquemática y parcial en sección transversal de un fotodetector matricial MWIR de barrera según una realización, cuya pixelación tiene una configuración de grabado superficial (shallow-etch en inglés);
[0032] La figura 2B es una vista esquemática y parcial en sección transversal de un fotodetector matricial MWIR de barrera según otra realización, cuya pixelación tiene una configuración intermedia entre la configuración de grabado superficial (shallow-etch) y la configuración de grabado profundo (deep-etch en inglés).
[0033] Exposición detallada de realizaciones particulares
[0034] En las figuras y a lo largo de la descripción, las mismas referencias representan elementos idénticos o similares. Además, los diferentes elementos no están representados a escala para priorizar la claridad de las figuras. Además, las diferentes realizaciones y variantes no son mutuamente excluyentes y pueden combinarse entre sí. Salvo que se indique lo contrario, los términos "sustancialmente", "aproximadamente", "del orden de" significan dentro del 10 %, y preferiblemente dentro del 5 %. Además, los términos "comprendido entre ... y ... " y equivalentes significan que se incluyen los terminales, a menos que se indique lo contrario.
[0035] La invención se refiere a un fotodetector infrarrojo de barrera (diodo de barrera) adaptado para detectar radiación luminosa en todo el rango del infrarrojo medio (MWIR), es decir, entre aproximadamente 3 y 5 µm. Por lo tanto, el fotodetector es adecuado para detectar radiación infrarroja tanto en la "banda azul" (aproximadamente de 3 a 4,2 µm) como en la "banda roja" (aproximadamente de 4,2 a 5 µm).
[0036] En comparación con un fotodetector MWIR de barrera convencional cuya zona de absorción estaría formada por una única superred (diodo de barrera MWIR T2SL convencional), el fotodetector MWIR según la invención presenta un rendimiento mejorado a la temperatura de funcionamiento nominal del diodo de barrera convencional, o bien presenta un rendimiento similar pero a una temperatura de funcionamiento más alta, por ejemplo, de 5 a 10 K más alta.
[0037] La figura 1A es una vista esquemática y parcial, en sección transversal, de un fotodetector 1 de barrera adaptado para detectar radiación luminosa en todo el rango espectral del infrarrojo medio (MWIR). En este ejemplo, la estructura semiconductora 10 de barrera es del tipo nBn, pero podría ser igualmente del tipo pBn, o incluso del tipo XBp (nBp o pBp).
[0038] Aquí y en el resto de la descripción definimos un sistema de referencia tridimensional ortogonal directo XYZ, donde los ejes X e Y forman un plano paralelo al plano de las capas de la estructura semiconductora 10 de barrera, y donde el eje Z está orientado a lo largo de la dirección de crecimiento de las capas.
[0039] En general, el fotodetector 1 comprende una estructura semiconductora 10 de barrera, producida por epitaxia a partir de un sustrato de soporte 2, estando esta estructura semiconductora 10 formada por un apilamiento de una zona absorbente 11, una capa de barrera 12 y, a continuación, una capa de contacto 13. Los electrodos 4 y 5 (véase la figura 2A) también están presentes para aplicar una diferencia de potencial eléctrico a la estructura semiconductora 10 y recoger la fotocorriente.
[0040] El sustrato de soporte 2 está hecho de un material al menos parcialmente transparente en la banda espectral MWIR, en la medida en que la radiación luminosa incide aquí en la cara opuesta a la estructura semiconductora 10 de barrera. También constituye un sustrato de crecimiento a partir del cual se produce la estructura semiconductora 10 de barrera mediante epitaxia. Luego se fabrica a partir de un material cristalino basado en III-Sb, y en este caso se fabrica a partir de GaSb.
[0041] Puede existir una capa inferior 3 entre el sustrato de soporte 2 y la zona absorbente 11 de la estructura semiconductora 10 de barrera. Esta puede estar hecha del mismo material cristalino que la primera parte absorbente 11.1, por ejemplo InAs<0,9>Sb<0,1>masivo. Este se puede sobredopar, en este caso de tipo n, para asegurar una baja resistencia en serie entre los electrodos 4 y 5, especialmente en el caso de una matriz de píxeles grande donde el electrodo 5 estaría ubicado en la periferia de los píxeles sensibles. El nivel de dopaje puede ser, por ejemplo, superior al de la primera parte absorbente 11.1, por ejemplo, igual a 10<17>cm<-3>. El espesor puede estar entre 0,1 y 1 µm, por ejemplo, igual a 0,5 µm.
[0042] La zona absorbente 11 es la zona donde se absorbe la radiación luminosa incidente MWIR. Esta está formada por un apilamiento de una primera parte absorbente 11.1 hecha de un material semiconductor cristalino masivo basado en III-Sb, y una segunda parte absorbente 11.2 formada por una superred. Esta se extiende entre el sustrato de soporte 2 (y aquí está en contacto con la capa inferior 3) y la capa de barrera 12. Esta tiene un grosor adaptado para garantizar la absorción de la radiación luminosa incidente en todo el rango del infrarrojo medio (MWIR). El espesor puede entonces estar entre 2 y 8 µm, por ejemplo, igual a 5 µm.
[0043] La primera parte absorbente 11.1, denominada parte masiva, está ubicada entre el sustrato de soporte 2 y la segunda parte absorbente SL 11.2. Esta está fabricada a partir de un compuesto semiconductor cristalino masivo basado en III-Sb, por ejemplo en este caso InAsSb. Por lo tanto, esta está adaptada para absorber la radiación luminosa principalmente en la "banda azul" del MWIR.
[0044] Se dice que la primera parte absorbente 11.1 es masiva, en la medida en que está hecha de un compuesto semiconductor que es en sí mismo masivo, es decir, un compuesto cuya composición química (la proporción atómica x de antimonio Sb, en el caso aquí de InAs)<1-x>Sb<x>) es homogéneo o varía a lo largo del eje de crecimiento Z, sin formar un sistema de pozos cuánticos múltiples acoplados.
[0045] Por lo tanto, la composición química (proporción atómica x de antimonio) del compuesto semiconductor masivo InAs<1-x>Sb<x>puede ser homogéneo en todo el volumen considerado, aquí en el de la primera parte absorbente 11.1. También podemos considerar una variación afín de la composición química (y por lo tanto de la energía de la banda prohibida) en todo o parte del espesor de la primera parte absorbente 11.1.
[0046] Además, se sabe que un compuesto semiconductor masivo, InAs<1-x>Sb<x>también puede ser una aleación digital (digital alloy, en inglés), es decir, un compuesto formado a partir de capas delgadas alternas de InAsSb e InAs, de tal manera que el compuesto resultante InAs<1-x>Sb<x>se comporta como la composición química promedio de las capas y no como una superred (no hay desarrollo de niveles discretos en los pozos cuánticos formados). Para ello, las capas delgadas de al menos uno de los materiales (preferiblemente las capas de InAsSb) tienen un espesor máximo inferior a la extensión espacial de la función de onda del electrón, por ejemplo, igual a un máximo de 4 monocapas, para evitar el acoplamiento de pozos cuánticos.
[0047] El compuesto semiconductor masivo está en concordancia de red con el sustrato de soporte 2, y en este caso es InAs<0,9>Sb<0,1>con una proporción atómica de antimonio Sb del orden del 10 %. En otras palabras, el parámetro de red de la primera parte absorbente 11.1 es sustancialmente igual al del sustrato de soporte 2. Aquí este se encuentra en contacto con la capa inferior 3, en la medida en la que ha sido epitaxiada a partir de esta capa. Además, el compuesto semiconductor masivo se dopa según un tipo de conductividad que depende del tipo de estructura semiconductora 10 de barrera. En este ejemplo, donde es de tipo nBn, el compuesto semiconductor masivo está dopado de tipo n. El nivel de dopaje puede variar entre 10<15>cm<-3>y 5×10<16>cm<-3>, y es igual aquí a 10<15>cm<-3>aproximadamente. Este puede ser constante en el volumen de la primera parte absorbente masiva 11.1. Alternativamente, para orientar los huecos minoritarios hacia la segunda parte absorbente SL 11.2, el dopaje puede variar a lo largo de la dirección Z y, por ejemplo, pasar de 5×10<16>cm<-3>a 10<15>cm<-3>.
[0048] La primera parte absorbente masiva 11.1 tiene un espesor preferiblemente al menos igual a la mitad del espesor de la zona absorbente 11. Esta puede estar entre 1 y 4 µm, por ejemplo, aproximadamente 3 µm en este ejemplo donde la zona absorbente 11 tiene un espesor de aproximadamente 5 µm. Preferiblemente esta es mayor que el espesor de la segunda parte absorbente SL 11.2.
[0049] La zona absorbente 11 puede incluir una capa intermedia 11.3, ubicada entre y en contacto con la primera parte absorbente masiva 11.1 y la segunda parte absorbente SL 11.2. Esta puede permitir suavizar cualquier posible barrera que se desarrolle en la interfaz entre las dos partes 11.1 y 11.2 que pueda interrumpir el transporte de portadores minoritarios a la capa de contacto 13, así como la conducción de portadores mayoritarios. Esta también puede mejorar el transporte de huecos minoritarios fotogenerados desde la primera parte absorbente masiva 11.1 hacia la capa de contacto 13 mediante este alisado de la barrera de potencial que puede desarrollarse. Para ello, la capa intermedia 11.3 puede estar hecha a base de III-Sb, por ejemplo en InAsGaSb dopado aquí de tipo n (siendo la zona absorbente 11 aquí de tipo n) y de un espesor, por ejemplo, igual a 0,5 µm.
[0050] La segunda parte absorbente 11.2, llamada SL por superred (Super Lattice en inglés), está ubicada entre la primera parte absorbente 11.1 y la capa de barrera 12. Esta está formada por una superred basada en III-Sb, en este caso una superred de preferencia de tipo II. Por lo tanto, esta es adecuada para absorber la radiación luminosa tanto en las bandas azul como roja del MWIR. Dado que la radiación luminosa incidente perteneciente a la banda azul se absorbe principalmente en la primera parte absorbente masiva 11.1, la segunda parte absorbente SL 11.2 garantiza la absorción principalmente en la banda roja.
[0051] Como se mencionó anteriormente, una superred es un apilamiento periódico de capas delgadas (del orden de unos pocos nanómetros) de diferentes compuestos semiconductores. Este apilamiento forma un sistema de múltiples pozos cuánticos acoplados. Este se puede fabricar en InAs/GaSb o en InAs/AlSb, o incluso en InAs/InAsSb, entre otros, cuyo dopaje es de tipo n en este caso en la medida en que la estructura semiconductora 10 de barrera es aquí de tipo XBn. Los materiales de la superred pueden ser dopados de tipo n, por ejemplo, con un nivel de dopaje del mismo orden de magnitud que el de la primera parte absorbente masiva 11.1. Por lo tanto, la zona absorbente 11 exhibe el mismo tipo de conductividad en todo su volumen, en este caso de tipo n.
[0052] La segunda parte absorbente SL 11.2 tiene un espesor total preferiblemente como máximo igual a la mitad del de la zona absorbente 11. Esta puede estar entre 1 y 4 µm, y por ejemplo igual a aproximadamente 1,5 µm en este ejemplo donde la zona absorbente tiene un espesor de aproximadamente 5 µm. Su espesor es menor que la longitud de difusión de los portadores minoritarios fotogenerados. Preferiblemente, este es menor que el de la primera parte absorbente masiva 11.1 para mejorar el rendimiento del fotodetector 1 en términos de corriente de oscuridad. Sin embargo, un espesor sustancialmente igual al de la primera parte absorbente masiva 11.1 permite optimizar la MTF.
[0053] Preferiblemente, la segunda parte absorbente SL 11.2 tiene una estructura de banda que presenta, como se ilustra en la Figura 1B, una alineación de la banda de conducción con la de la primera parte absorbente masiva 11.1, pero un ligero desplazamiento dE<g>de la banda de valencia (la energía de la banda de valencia de la parte 11.2 es mayor que la de la parte 11.1), mejorando así el transporte de huecos minoritarios hacia la capa de contacto 13. De hecho, los huecos minoritarios generados en la segunda parte absorbente SL 11.2 no se difundirán en la primera parte absorbente masiva 11.1, mejorando así la MTF del fotodetector 1. Este desplazamiento dE<g>se obtiene mediante la elección de materiales y el período de las películas delgadas de la parte SL 11.2, pero también mediante el ajuste de los niveles de dopaje de la parte masiva 11.1 y la parte SL 11.2. Tenga en cuenta que, en el caso de un diodo de barrera de tipo XBp, el desplazamiento dE<g>es el de la banda de conducción (electrones minoritarios). Además, la energía de la banda de conducción de la parte 11.2 es menor que la de la parte 11.1.
[0054] La capa de barrera 12 está ubicada entre la zona absorbente 11 y la capa de contacto 13, y está en contacto con la segunda parte absorbente SL 11.2. Dado que la estructura semiconductora 10 de barrera es de tipo XBn, la capa de barrera 12 tiene un fuerte desplazamiento de la banda de conducción y un bajo desplazamiento de la banda de valencia, y por lo tanto permite que se bloquee el transporte de electrones mayoritarios mientras permite el de huecos minoritarios fotogenerados hacia la capa de contacto 13.
[0055] Esta está hecha de un material semiconductor cristalino basado en III-Sb con una banda prohibida mayor que la de la zona absorbente 11. Como ejemplo, la capa barrera 12 se puede hacer de InAlAsSb (aquí en InAlAsSb). El material puede estar dopado aquí de tipo n, por ejemplo, a un nivel de dopaje de 10<16>centímetro<-3>aproximadamente. El espesor puede estar entre 0,05 y 0,5 µm, por ejemplo, igual a 0,1 µm.
[0056] La capa de contacto 13 está ubicada en contacto con la capa de barrera 12. Esta está fabricada con un material basado en III-Sb, por ejemplo en InAsSb, dopado de tipo n en este caso con una estructura semiconductora 10 de barrera de tipo nBn. El nivel de dopaje puede variar entre 10<15>cm<-3>y 10<18>cm<-3>, y ser, por ejemplo, del orden de 10<17>cm<-3>. El espesor puede estar entre 0,05 y 1 µm, por ejemplo, igual a 0,5 µm.
[0057] Al menos un primer electrodo 4 está ubicado en contacto con la capa de contacto 13, y permite que se aplique un potencial eléctrico a la estructura semiconductora 10 de barrera y que se recoja la fotocorriente. Al menos un segundo electrodo 5 está ubicado en contacto con la estructura semiconductora 10 de barrera para aplicarle un potencial eléctrico diferente. El segundo electrodo 5 puede estar en contacto con el sustrato de soporte 2, la capa inferior 3, la primera parte absorbente masiva 11.1, o incluso la segunda parte absorbente SL 11.2 (como se ilustra en la Figura 2A y la Figura 2B).
[0058] Así, como se muestra en la Figura 1B, que ilustra un ejemplo de un diagrama de bandas de energía del fotodetector 1 según una realización de la invención, la radiación luminosa incidente perteneciente a la banda azul del MWIR se absorbe principalmente en la primera parte absorbente masiva 11.1. Los huecos fotogenerados 'azules' se difundirán entonces hasta la capa de contacto 13. Además, la radiación luminosa incidente perteneciente a la banda roja del MWIR se absorbe principalmente en la segunda parte absorbente SL 11.2, y los huecos fotogenerados 'rojos' también se dispersarán hasta la capa de contacto 13. Por otro lado, la capa de barrera 12 bloqueará el transporte de electrones mayoritarios y, sobre todo, limitará la contribución de los portadores mayoritarios a la corriente de oscuridad.
[0059] De este modo, gracias a que la zona absorbente 11 está formada por una primera parte absorbente masiva 11.1 y una segunda parte absorbente SL 11.2, el fotodetector 1 es capaz de absorber la radiación luminosa incidente en todo el rango espectral MWIR y presenta un rendimiento mejorado a la temperatura de funcionamiento nominal de un fotodiodo convencional, donde la zona absorbente estaría formada únicamente por una superred T2SL, o bien mantiene el rendimiento pero a una temperatura de funcionamiento más alta. Así, para una temperatura de funcionamiento nominal de 130 a 140 K, por ejemplo, y gracias a la calidad cristalina del material masivo de la primera parte absorbente masiva 11.1, parece que el fotodetector 1 según la invención permite reducir la corriente de oscuridad asociada con el área absorbente 11, en comparación con la del fotodiodo T2SL MWIR convencional. Además, esta misma primera parte absorbente masiva 11.1, gracias a sus propiedades de transporte isotrópico, permite mejorar la eficiencia cuántica QE asociada a la zona absorbente 11, en comparación con la del fotodiodo convencional T2SL MWIR. En efecto, en el caso de un T2SL grueso convencional, la longitud de difusión vertical (según el eje Z) es baja, de modo que la eficiencia cuántica QE se degrada rápidamente tan pronto como el espesor del T2SL es mayor que dicha longitud de difusión. Recordemos que la eficiencia cuántica (QE) se define como el número de pares electrón-hueco generados y recolectados por cada fotón incidente. Además, si se desea mantener un rendimiento idéntico al del fotodiodo convencional MWIR T2SL, en particular en términos de corriente de oscuridad y eficiencia cuántica, el fotodetector 1 según la invención puede utilizarse a una temperatura de funcionamiento más alta, por ejemplo, de 140 a 150 K.
[0060] Además, como se detalla más adelante, la presencia de la primera parte absorbente masiva 11.1 en la zona absorbente 11 permite, en el caso de un fotodetector matricial, mejorar la función de transferencia de modulación MTF sin degradar el factor de llenado. Recordemos que la MTF es una de las funciones de mérito de un fotodetector infrarrojo matricial, que nos permite cuantificar la incidencia de longitudes de difusión largas de un píxel de detección sobre un píxel vecino. En términos más generales, esta permite medir la capacidad del fotodetector matricial para reproducir los detalles contenidos en una escena observada.
[0061] Finalmente, cabe señalar que la realización de la zona absorbente 11 del fotodetector 1 ayuda a minimizar los riesgos de que la zona absorbente, una vez realizada, no tenga las propiedades deseadas. De hecho, en el caso de una zona absorbente formada enteramente por una superred T2SL de varias micras de espesor, existe el riesgo de que se produzca una variación en los flujos de deposición utilizados para lograr la alternancia de capas delgadas, lo que degrada las propiedades de la superred, en particular cuando la T2SL se fabrica mediante epitaxia de haces moleculares (MBE). En cambio, en el fotodetector 1, la segunda parte absorbente SL 11.2 preferiblemente no forma más de la mitad del espesor de la zona absorbente. Esto limita los riesgos de desviación del flujo durante el crecimiento de la superred.
[0062] Las figuras 2A y 2B son vistas esquemáticas y parciales, en sección transversal, de fotodetectores MWIR 1 de barrera según diferentes realizaciones. En estos ejemplos, los fotodetectores 1 son matriciales, en el sentido de que incluyen una matriz de píxeles de detección. En estos ejemplos, el segundo electrodo 5 descansa aquí en contacto con la segunda parte absorbente SL 11.2, pero también podría descansar en contacto con la primera parte absorbente masiva 11.1 o la capa inferior 3, o incluso en contacto con el sustrato de soporte 2. Con referencia a la Figura 2A, el fotodetector matricial 1 presenta una configuración de pixelación conocida como grabado superficial (shallow-etch en inglés), donde solo la capa de contacto 13 se graba localmente. Además, la capa de barrera 12, así como las capas subyacentes 3, 11 y 12, permanecen continuas en el plano XY y son comunes a todos los píxeles de detección. De este modo, la capa de contacto 13 se graba de tal manera que se forman porciones 13p distintas entre sí en el plano XY. Se dice que esta es reticulada. Un primer electrodo 4 descansa sobre y está en contacto con cada porción 13p de la capa de contacto 13. Cada píxel de detección tiene, por lo tanto, dimensiones laterales en el plano XY definidas por el paso de periodicidad de las porciones 13p de la capa de contacto 13 a lo largo de los ejes X e Y. Una capa de pasivación 6 se extiende aquí sobre los flancos de las porciones 13p y sobre la superficie libre de la capa de barrera 12.
[0063] Sin embargo, aún es necesario mejorar la MTF del fotodetector matricial 1 y, por lo tanto, reducir los efectos de diafonía (crosstalk en inglés) entre los píxeles de detección, es decir, el hecho de que un portador minoritario fotogenerado a nivel de un píxel de detección sea recogido por el píxel de detección adyacente. De hecho, la dispersión lateral de los portadores minoritarios fotogenerados puede ser suficiente para provocar la diafonía, especialmente para tamaños de píxeles de detección pequeños, y por lo tanto degradar la MTF.
[0064] Una solución sería obviamente realizar grabados de pixelación profunda, es decir, grabar localmente la estructura semiconductora 10 de barrera hasta el sustrato de soporte o al menos hasta la capa inferior 3. Sin embargo, si bien este enfoque conduce a una mejora de la MTF, resulta en una degradación de la tasa de llenado del fotodetector matricial. También puede provocar una degradación de la eficiencia cuántica de cada píxel de detección. Además, este grabado localizado profundo es técnicamente difícil de lograr y puede crear defectos en los flancos, que luego pueden ser difíciles de pasivar y generar fugas, degradando así la corriente de oscuridad de la estructura.
[0065] La figura 2B ilustra un fotodetector matricial 1 según una realización que mejora la MTF al tiempo que optimiza el factor de llenado y limita los problemas de pasivación de los flancos de las mesetas 20 que se forman. Aquí, la capa de contacto 13, la capa de barrera 12 y la segunda parte absorbente SL 11.2 se graban localmente para formar mesetas 20 de detección. Se dice que estas están reticuladas (o discretizadas). Cada una de estas capas está formada a su vez por varias porciones distintas entre sí. Una meseta es una estructura delimitada en el plano XY por flancos. Por lo tanto, cada meseta es distinta de sus vecinas en el plano XY.
[0066] Por otro lado, la primera parte absorbente masiva 11.1 no está grabada localmente: por lo tanto, es continua en el plano XY y es común a todos los píxeles de detección. Por lo tanto, cada píxel de detección está formado por una meseta 20 (porción 13p de la capa de contacto 13 reticulada, porción 12p de la capa de barrera 12 reticulada y porción 11.2p de la segunda parte absorbente SL 11.2 reticulada) y por una zona subyacente de la primera parte absorbente masiva 11.1.
[0067] Esta configuración estructural del fotodetector matricial 1 limita eficazmente la degradación de la MTF. De hecho, parece que, en el fotodetector matricial de la Figura 2A, la degradación de la MTF se debe en gran medida a la naturaleza anisotrópica del transporte en la superred de la segunda parte absorbente SL 11.2. Por lo tanto, es particularmente ventajoso grabar localmente solo la segunda parte absorbente SL 11.2, y no la primera parte absorbente masiva 11.1. Esto permite reducir la diafonía y, por tanto, mejorar la FTM.
[0068] Tenga en cuenta también que el desplazamiento dE<g>de la banda de valencia limita el transporte de huecos minoritarios fotogenerados en la segunda parte absorbente SL 11.2 hacia la primera parte absorbente masiva 11.1, optimizando así la MTF asociada con la segunda parte absorbente SL 11.2. Además, los portadores procedentes de la primera parte absorbente masiva 11.1 que entran en la capa T2SL 11.2 ya no pueden regresar a la primera parte absorbente masiva 11.1 para difundirse hacia los píxeles vecinos dentro de la capa no reticulada. Por lo tanto, la MTF asociada con la primera parte absorbente masiva 11.1 no se degrada por la presencia de la segunda parte absorbente SL 11.2.
[0069] Además, el hecho de que solo se grabe localmente la segunda parte absorbente SL 11.2, y no la primera parte absorbente masiva 11.1, también optimiza la eficiencia cuántica QE. De hecho, la eficiencia cuántica será óptima en la primera parte absorbente masiva 11.1 en la medida en que no esté grabada por la pixelación, y solo se reducirá en la segunda parte absorbente SL 11.2. Asimismo, la evolución de la eficiencia cuántica QE en función de la longitud de onda muestra un valor alto en la banda azul y un valor más bajo en la banda roja. Además, siempre que la segunda parte absorbente SL 11.2 tenga preferiblemente un espesor inferior a la mitad del espesor de la zona absorbente 11, y en particular inferior al de la primera parte absorbente masiva 11.1, el grabado local puede ser superficial. De este modo, se facilita la creación de la capa de pasivación 6 y mejora el grado de llenado de la segunda parte absorbente SL 11.2. Por lo tanto, esta configuración de pixelación es intermedia entre la configuración de grabado superficial (shallow-etch) y la configuración de grabado profundo (deep-etch). Finalmente, tenga en cuenta que la capa intermedia puede utilizarse como capa de parada de grabado durante la etapa de realización de las mesetas 20 mediante grabado localizado.
[0070] Se acaban de describir las realizaciones particulares. Una persona experta en la materia podrá observar diferentes variaciones y modificaciones.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES
1. Fotodetector infrarrojo (1) de barrera, adaptado para detectar una radiación luminosa de interés que presenta una longitud de onda central comprendida entre 3 y 5 µm, que comprende una estructura semiconductora (10) de barrera, realizada a base de III-Sb, que descansa sobre un sustrato de soporte (2) realizado de III-Sb, y formada por: una zona absorbente (11), adaptada para absorber la radiación luminosa de interés; una capa de barrera (12); y luego una capa de contacto (13); caracterizado porque la zona absorbente (11) está formada por un apilamiento de dos partes:
◦ una primera parte absorbente (11.1), dopada según un primer tipo de conductividad, realizada de un material masivo basado en InAsSb, ubicada en el lado del sustrato de soporte (2); y
◦ una segunda parte absorbente (11.2), dopada según el primer tipo de conductividad, y formada por una superred, ubicada entre la primera parte absorbente (11.1) y la capa de barrera (12).
2. Fotodetector infrarrojo (1) según la reivindicación 1, que comprende una matriz de píxeles de detección, siendo la primera parte absorbente (11.1) una capa continua común a cada píxel de detección.
3. Fotodetector infrarrojo (1) según la reivindicación 2, en el que la capa de contacto (13) está reticulada y está formada por una pluralidad de porciones (13p) distintas entre sí, la capa de barrera (12) está reticulada y está formada por una pluralidad de porciones (12p) distintas entre sí, y la segunda parte absorbente (11.2) está reticulada y está formada por una pluralidad de porciones (11.2p) distintas entre sí, cada píxel de detección está formado por una meseta (20) que descansa sobre la primera parte absorbente (11.1), cada meseta (20) está formada por una porción (13p) de la capa de contacto (13) reticulada, una porción (12p) de la capa de barrera (12) reticulada y una porción (11.2p) de la segunda parte absorbente (11.2) reticulada.
4. Fotodetector infrarrojo (1) según la reivindicación 2, en el que la capa de contacto (13) está reticulada y está formada por una pluralidad de porciones (13p) distintas entre sí, cada píxel de detección está formado por una porción (13p) de la capa de contacto (13), siendo la segunda parte absorbente (11.2) una capa continua y común a cada píxel de detección.
5. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende una capa intermedia (11.3) ubicada entre y en contacto con la primera parte absorbente (11.1) y la segunda parte absorbente (11.2), siendo la capa intermedia (11.3) una capa continua y común a cada píxel de detección.
6. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la primera parte absorbente (11.1) está realizada a base de InAsSb en concordancia de red con el sustrato de soporte.
7. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la segunda parte absorbente (11.2) está realizada a base de InAs/InAsSb, InAs/AlSb o InAs/GaSb.
8. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la primera parte absorbente (11.1) tiene un espesor mayor que el de la segunda parte absorbente (11.2).
9. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la primera parte absorbente (11.1) tiene un espesor al menos igual a la mitad de la zona absorbente (11).
10. Fotodetector infrarrojo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la estructura semiconductora (10) de barrera es de tipo XBn, la banda de valencia de la segunda parte absorbente (11.2) tiene una energía mayor que la de la banda de valencia de la primera parte absorbente (11.1), o la estructura semiconductora (10) de barrera es de tipo XBp, la banda de conducción de la segunda parte absorbente (11.2) tiene una energía menor que la de la banda de conducción de la primera parte absorbente (11.1).
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