FR2612335A1 - HgCdTe photodiode with fast response - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet une photodiode, réalisée dans une couche de semiconducteur HgCdTe de
type P, dans laquelle est formée, sur une face, une zone
dopée de type Nréalisant ainsi une jonction PN, et pour
vue de métallisations accès aux zones P et N.The present invention relates to a photodiode, produced in a HgCdTe semiconductor layer of
type P, in which an area is formed on one side
N-type doped thus making a PN junction, and for
view of metallizations access to zones P and N.
De telles photodiodes sont sensibles dans l'infra-
rouge proche, et la longueur d'onde sur laquelle est
centrée leur maximum de sensibilité dépend de la composi
tion du cristal de semiconducteur, composition définie
par la fraction molaire x de la formule Hg1-xCdxTe, fraction molaire qui peut varier de 0 à 1. Ces photodiodes sont en particulier utilisées dans les télécommunications par fibres optiques, à des longueurs d'onde de # ,1,30 et 1,55 microns, par exemple.Such photodiodes are sensitive in the infrared
near red, and the wavelength on which is
centered their maximum sensitivity depends on the compound
tion of the semiconductor crystal, defined composition
by the molar fraction x of the formula Hg1-xCdxTe, molar fraction which can vary from 0 to 1. These photodiodes are in particular used in telecommunications by optical fibers, at wavelengths of #, 1.30 and 1, 55 microns, for example.
On connait déJà des photodiodes du type défini cidessus, dans lesquelles la couche de HgCdTe est soit massive, soit déposée par épitaxie sur un substrat. Photodiodes of the type defined above are already known, in which the HgCdTe layer is either massive or deposited by epitaxy on a substrate.
Dans les deux cas, ces photodiodes présentent l'in- convénient d'avoir une réponse relativement lente, c'est a-dire qu'elles transmettent mal les composantes élevées du spectre fréquentiel des signaux qui modulent les rayonnements lumineux qu'elles détectent. Actuellement, les fréquences de coupure de ces photodiodes sont de ltor- dre de 500 à 800 MHz. Il est évident que ceci limite le débit des informations qui peuvent être transmises dans les
systèmes de télécommunications par fibres optiques. Il est donc primordial de disposer des photodiodes ayant une fréquence de coupure plus élevée.Or, il est connu que la fréquence de coupure d'une photodiode est d'autant plus élevée que le produit RC, de la résistance série R et de la capacité C de son schéma équivalent, est faible. ainsi, un moyen pour augmenter la fréquence de coupure consiste à réduire la valeur de la résistance série R du schéma équivalent. In both cases, these photodiodes have the disadvantage of having a relatively slow response, that is to say that they transmit poorly the high components of the frequency spectrum of the signals which modulate the light radiations which they detect. Currently, the cut-off frequencies of these photodiodes are from 500 to 800 MHz. It is obvious that this limits the rate of information that can be transmitted in the
fiber optic telecommunications systems. It is therefore essential to have photodiodes with a higher cut-off frequency. However, it is known that the cut-off frequency of a photodiode is all the higher as the RC product, the R series resistance and the capacitance C of its equivalent scheme, is weak. thus, one way to increase the cutoff frequency is to reduce the value of the series resistance R of the equivalent scheme.
Or, cette résistance R est la résistance série totale de la photodiode, et les deux composantes principales de cette résistance sont, d'une part, la résistance de la couche de semiconducteur HgCdTe de type P, et d'autre part la résistance du contact entre cette couche et la métallisation qui permet d'y accéder. However, this resistance R is the total series resistance of the photodiode, and the two main components of this resistance are, on the one hand, the resistance of the P-type HgCdTe semiconductor layer, and on the other hand the contact resistance between this layer and the metallization which allows access to it.
Or, dans les photodiodes connues où la couche de
HgCdTe est massive, l'épaisseur de cette couche confère à sa résistance une valeur relativement élevée. Ainsi, et à titre d'exemple, un disque de HgCdTe de type P, de résistivité de lon cm, de diamètre 150 Fm, et d'épaisseur 400 Wm présente une résistance de 350 < . Pour diminuer cette résistance, on peut, par polissage mécanique, réduire l'épaisseur de la couche, par exemple jusqu'à 50 rcm, qui représente sensiblement la limite inférieure de ce qu'il est possible de faire, compte tenu de la fragilité du matériau.On obtient alors une résistance de 200n 1 ce qui reste relativement élevé, d'autant plus qu'il faut ajouter à cette valeur la résistance du contact avec la métallisation, qu'il est difficile de réduire avec la technique connue qui consiste à intercaler, entre le cristal semiconducteur de type P et le métal de la métallisation, une couche surdopée de type P+. En effet, comme cela est connu, l'alliage flgCdTe est difficile à surdoper, et il subsiste toujours un effet de redressement entre la couche de type P et la couche de type P+, qui augmente la résistance du contact.However, in known photodiodes where the layer of
HgCdTe is massive, the thickness of this layer gives its resistance a relatively high value. Thus, and by way of example, a HgCdTe disc of type P, of resistivity of lon cm, of diameter 150 Fm, and of thickness 400 Wm has a resistance of 350 <. To reduce this resistance, it is possible, by mechanical polishing, to reduce the thickness of the layer, for example up to 50 rcm, which represents substantially the lower limit of what it is possible to do, taking into account the fragility of the material. We then obtain a resistance of 200n 1 which remains relatively high, all the more since it is necessary to add to this value the resistance of contact with metallization, which is difficult to reduce with the known technique which consists in interpose, between the P type semiconductor crystal and the metal of the metallization, an P + type overdoped layer. Indeed, as is known, the flgCdTe alloy is difficult to overdope, and there always remains a straightening effect between the P-type layer and the P + type layer, which increases the contact resistance.
Dans les photodiodes connues où la couche de HgCdTe de type P est obtenue par épitaxie, l'épaisseur de cette couche peut autre faible, par exemple de l'ordre de 10 ce qui réduit la contribution de l'épaisseur de la couche à quelques dizaines d'ohms. Cependant, du fait que la couche de HgCdTe de type P est déposée par épitaxie sur un substrat non conducteur, la métallisation d'accès à la zone P ne peut être disposée en regard de la jonction
PN et doit être faite par les tranches de la couche de
HgCdTe de type P. Il en résulte, d'une part, une déformation des lignes de champ préjudiciable au bon fonctionnement de la photodiode, et, d'autre part, une faible surface de contact entre le métal de la métallisation d'accès à la zone P et le semiconducteur.La contribution de la résistance du contact à la résistance totale est donc importante et, malgré la contribution faible de l'épaisseur de la couche de semiconducteur de type P, la résistance série totale reste trop élevée.In known photodiodes where the P-type HgCdTe layer is obtained by epitaxy, the thickness of this layer may be other small, for example of the order of 10, which reduces the contribution of the thickness of the layer to a few tens ohms. However, due to the fact that the P-type HgCdTe layer is deposited by epitaxy on a non-conductive substrate, the access metallization to zone P cannot be placed opposite the junction
PN and must be made by the layers of the layer of
P-type HgCdTe This results, on the one hand, in a deformation of the field lines detrimental to the proper functioning of the photodiode, and, on the other hand, a small contact surface between the metal of the access metallization zone P and the semiconductor. The contribution of the contact resistance to the total resistance is therefore significant and, despite the small contribution of the thickness of the P-type semiconductor layer, the total series resistance remains too high.
La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents en procurant une photodiode à résistance série totale faible, donc à réponse rapide. The present invention aims to overcome the above drawbacks by providing a photodiode with low total series resistance, therefore with rapid response.
A cet effet, elle a pour objet une photodiode du type défini ci-dessus, caractérisée par le fait que la métallisation d'accèsà à la zone P est en contact avec une couche de semimétal HgTe, disposée sur la face de ladite couche de semiconducteur HgCdTe en regard de la jonction PS. To this end, it relates to a photodiode of the type defined above, characterized in that the metallization of access to the zone P is in contact with a layer of HgTe semimetal, disposed on the face of said semiconductor layer HgCdTe next to the PS junction.
Dans la photodiode de l'invention, la contribution, à la résistance série totale, de la résistance du contact entre la métallisation et le semiconducteur de type P, est réduite, du fait de l'emploi, au lieu du contact classique "métal sur semiconducteur" , d'un contact 1semimétal sur semiconducteur" , qui utilise le semimétal HgTe. In the photodiode of the invention, the contribution, to the total series resistance, of the resistance of the contact between the metallization and the P-type semiconductor, is reduced, due to the use, instead of the conventional "metal on semiconductor ", from 1 semimetal contact to semiconductor", which uses the HgTe semimetal.
Ce matériau a des propriétés électroniques intermédiaires entre celle des métaux et celle des semiconducteurs.This material has intermediate electronic properties between that of metals and that of semiconductors.
Comme c'est un semimétal, le contact est très bon, c'està-dire ohmique, ave# le métal de la métallisation. Comme, par ailleurs, il fait partie de la famille HgCdTe, il s lfr adapte parfaitement du point de vue cristallographique et comme la couche de semimétal HgTe est disposée en regard de la jonction PN, il n'y a pas de déformation des lignes de champ, qui restent perpendiculaires à la jonction PN.As it is a semimetal, the contact is very good, that is to say ohmic, with the metal of the metallization. As, moreover, it is part of the HgCdTe family, it fits perfectly from a crystallographic point of view and since the HgTe semimetal layer is placed opposite the PN junction, there is no deformation of the lines of field, which remain perpendicular to the PN junction.
La résistance de contact ainsi obtenue entre la métallisation d'accès à la zone P et la zone P elle-même est ainsi de quelques ohms seulement.The contact resistance thus obtained between the access metallization to zone P and the zone P itself is thus only a few ohms.
Avantageusement, ladite couche de semiconducteur
HgCdTe est déposée par épitaxie sur la couche de semimétal HgTe, elle-même déposée par épitaxie sur un substrat.Advantageously, said semiconductor layer
HgCdTe is deposited by epitaxy on the HgTe semimetal layer, itself deposited by epitaxy on a substrate.
Dans une telle photodiode, on bénéficie alors, en même temps, d'une faible contribution de la résistance de contact et d'une faible contribution de la résistance due à l'épaisseur de la couche de HgCdTe de type P. On obtient alors une résistance totale série de l'ordre de quelques dizaines d'ohms. In such a photodiode, there is then, at the same time, a small contribution from the contact resistance and a small contribution from the resistance due to the thickness of the layer of P-type HgCdTe. total series resistance of the order of a few tens of ohms.
Avantageusement encore, la métallisation d'accès à la zone P et la couche de semiconducteur HgCdTe sont disposées du même côté de la couche de semimétal HgTe, et la métallisation d'accès à la zone P traverse la couche de semiconducteur HgCdTe par un trou métallisé pour venir en contact avec la couche de semimétal HgTe. Advantageously also, the metallization of access to zone P and the HgCdTe semiconductor layer are arranged on the same side of the HgTe semimetal layer, and the metallization of access to zone P passes through the HgCdTe semiconductor layer by a metallized hole. to come into contact with the HgTe semimetal layer.
Dans une telle photodiode, les deux métallisations d'accès aux zones P et N sont disposées dans le mame plan, sur la face extérieure de la couche de semiconducteur
HgCdTe. Ceci facilite la fabrication et le montage des fils de connexion et, de plus, permet l'intégration, sur un même substrat actif, par exemple en GaAs, ou en Si, de photodiodes et de circuits électroniques pour réaliser, sur la même "puce" et sans aucune opération de report d'un pavé de semiconducteur sur un autre, à la fois la fonction de détection et celle de traiteont éleztronique ou sional. In such a photodiode, the two metallizations of access to the zones P and N are arranged in the same plane, on the external face of the semiconductor layer
HgCdTe. This facilitates the manufacture and assembly of the connection wires and, moreover, allows the integration, on the same active substrate, for example in GaAs, or in Si, of photodiodes and electronic circuits to produce, on the same "chip "and without any transfer operation from one semiconductor block to another, both the detection function and that of milk or eletronical processing.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation de la photodiode de l'invention, et de leurs procédés de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique d'un premier type de photodiode selon l'invention, - la figure 2 illustre un exemple d'utilisation de la photodiode de la figure 1, et, - la figure 3 représente une vue schématique d'un second type de photodiode selon l'invention. The present invention will be better understood with the aid of the following description of several embodiments of the photodiode of the invention, and of their production methods, with reference to the appended drawings, in which - FIG. 1 represents a schematic view of a first type of photodiode according to the invention, - Figure 2 illustrates an example of use of the photodiode of Figure 1, and, - Figure 3 shows a schematic view of a second type of photodiode according to invention.
La figure 1 représente une photodiode, pour détecter un rayonnement infrarouge schématisé sous forme de photons incidents 8, et transformer ce rayonnement détecté en un signal électrique apparaissant entre deux métallisations 3 et 4. FIG. 1 represents a photodiode, for detecting infrared radiation shown diagrammatically in the form of incident photons 8, and transforming this detected radiation into an electrical signal appearing between two metallizations 3 and 4.
De façon connue, la photodiode comprend une jonction
PN, résultat de la formation, sur la face supérieure, sur la figure 1, d'une couche 1 de semiconducteur HgCdTe de type P, d'une zone 2 de type P. La métallisation 4, disposée également sur la face supérieure de la couche 1 permet, à travers une couche de passivation 9, accès à la zone 2 de type N. La métallisation 3 est disposée également sur la face supérieure de la couche 1 qu'elle traverse, par un trou métallisé 7 pour venir en contact avec une couche 5 de semimétal HgTe disposée sur la face inférieure, sur la figure 1, de la couche 1, et notamment en regard de la jonction PN réalisée sur la face supérieure de la couche 1. In known manner, the photodiode comprises a junction
PN, result of the formation, on the upper face, in FIG. 1, of a layer 1 of HgCdTe semiconductor of type P, of a zone 2 of type P. Metallization 4, also arranged on the upper face of the layer 1 allows, through a passivation layer 9, access to zone 2 of type N. The metallization 3 is also arranged on the upper face of the layer 1 through which it passes, by a metallized hole 7 to come into contact with a layer 5 of HgTe semimetal placed on the lower face, in FIG. 1, of layer 1, and in particular facing the PN junction produced on the upper face of layer 1.
Ainsi, on peut dire que la métallisation 3 permet l'accès à la zone P, C'est-à-dire à la couche 1 de HgCdTe de type P, par l'intermédiaire de la couche de semimétal
HgTe, la métallisation 3 et la couche 1 étant disposées du même côté de la couche 5.Thus, it can be said that the metallization 3 allows access to the zone P, that is to say to the layer 1 of HgCdTe of type P, by means of the semimetal layer.
HgTe, metallization 3 and layer 1 being arranged on the same side of layer 5.
La photodiode de la figure 1 est réalisée par épitaxie à partir d'un substrat 6,sur lequel on fait croitre da- bord la couche 5 de HgTe, d'une épaisseur ici égale à 2 Fm, puis la couche 1 de HgCdTe d'une épaisseur ici égale à 10 m. The photodiode of FIG. 1 is produced by epitaxy from a substrate 6, on which the layer 5 of HgTe is grown, with a thickness here equal to 2 Fm, then the layer 1 of HgCdTe of a thickness here equal to 10 m.
Le substrat 6 est ici formé principalement d'une couche massive 62 de GaAs sur laquelle a été déposée une couche 61, plus mince, de CdTe. On désigne ce type de substrat par l'expression CdTe-GaAs. Une telle composition représente un cas particulier de la composition plus générale
HgCdTe-GaAs. On peut également utiliser des substrats en
HgCdTe-A1203 ou en HgCdTe-InSb, ces deux expressions désignant comme précédemment des substrats formés d'une couche massive de Al203 ou de InSb sur laquelle est déposée une couche de HgCdTe. Il est également possible d'utiliser des substrats massifs en GaAs, CdTe, HgTe, CdZnTe, CdSeTe,
CdHgTe, ou Si, par exemple.The substrate 6 is here mainly formed of a solid layer 62 of GaAs on which a thinner layer 61 of CdTe has been deposited. This type of substrate is designated by the expression CdTe-GaAs. Such a composition represents a particular case of the more general composition
HgCdTe-GaAs. Substrates can also be used
HgCdTe-A1203 or in HgCdTe-InSb, these two expressions designating as previously substrates formed of a massive layer of Al203 or InSb on which is deposited a layer of HgCdTe. It is also possible to use massive substrates in GaAs, CdTe, HgTe, CdZnTe, CdSeTe,
CdHgTe, or Si, for example.
Sur la figure 1, des fils 10 etli connectent les métallisations 3 et 4, respectivement, à des broches du bot- tier, non représenté dans un souci de simplicité, dans lequel est montée la photodiode. In FIG. 1, wires 10 and li connect the metallizations 3 and 4, respectively, to pins of the housing, not shown for the sake of simplicity, in which the photodiode is mounted.
Sur la figure 2 est représentée une autre utilisation de la photodiode de la figure 1, qui met en valeur l'in têrêt de la disposition des deux métallisations 3 et 4 sur la face supérieure de la couche 1. Dans ce cas, sur le même cristal massif 62 de GaAs sont disposés c'une part des circuits 12 et 3, de traitement électronique, et, à l'intérieur d'un puits 14, une photodiode identique à celle de la figure 1;Alors on peut donner aux métallisations 3 et 4 des formes telles qu'elles permettent aussi l'accès aux circuits 12 et 13, pour les connecte directement à la photodiode. on intègre ainsi, sur la même puce 62, à la fois les fonctions de détection des photons 8 et de traitement électronique du signal détecté. FIG. 2 shows another use of the photodiode of FIG. 1, which highlights the advantage of the arrangement of the two metallizations 3 and 4 on the upper face of the layer 1. In this case, on the same solid crystal 62 of GaAs are arranged on the one hand of circuits 12 and 3, of electronic processing, and, inside a well 14, a photodiode identical to that of FIG. 1; then we can give metallizations 3 and 4 forms such that they also allow access to circuits 12 and 13, to connect them directly to the photodiode. thus integrating, on the same chip 62, both the functions of photon detection 8 and electronic processing of the detected signal.
La figure 3 représente une autre photodiode, obtenue cette fois à partir dtune couche 1 massive de semiconducteur HgCdTe de type P, sur la face inférieure de laquelle on a fait croStre par épitaxie une couche 5' de
semimétal HgTe. Une zone 2' de type N a été formée sur la face supérieure, sur la figure, de telle sorte que la couche 5t se trouve en regard de la jonction PN ainsi obtenue. Naturellement, lsépaisseur de la couche massive 1' de semiconducteur HgCdTe de la figure 3, de l'ordre de 100 tm est beaucoup plus grande que l'épaisseur de la couche épitaxiée 1 de semiconducteur HgCdTe de la figure 1, de l'ordre de 10 .L'épaisseur de la couche 5' de semimétal HgTe de la figure 3 est du mEme ordre de grandeur que l'épaisseur de la couche 5 de semimétal HgTe de la figure 1.FIG. 3 represents another photodiode, this time obtained from a massive layer 1 of P-type HgCdTe semiconductor, on the underside of which a 5 'layer of epitaxy has been grown.
semimetal HgTe. A zone N 'of type N has been formed on the upper face, in the figure, so that the layer 5t is located opposite the PN junction thus obtained. Naturally, the thickness of the solid layer 1 ′ of HgCdTe semiconductor of FIG. 3, of the order of 100 μm is much greater than the thickness of the epitaxial layer 1 of HgCdTe semiconductor of FIG. 1, of the order of 10. The thickness of the layer 5 'of HgTe semimetal in FIG. 3 is of the same order of magnitude as the thickness of the layer 5 of HgTe semimetal in FIG. 1.
Sur la figure 3 une métallisation 4', disposée sur la face supérieure, sur la figure 3, de la couche 1', permet, à travers une couche de passivation 9', l'accès à la zone 2t de type N. Un fil 11t de connexion est soudé à la métallisation 42. Sur la face inférieure, sur la figure, de la couche 1, une métallisation 3' est en contact avec toute la surface de la couche 5' de semimétal HgTe. La métallisation 3' est collée, à l'aide d'une couche de colle conductrice 14, à un support 15 en alumine métallisée. In FIG. 3, a metallization 4 ′, disposed on the upper face, in FIG. 3, of the layer 1 ′, allows, through a passivation layer 9 ′, access to the zone 2t of type N. A wire 11t of connection is welded to metallization 42. On the lower face, in the figure, of layer 1, a metallization 3 'is in contact with the entire surface of layer 5' of HgTe semimetal. The metallization 3 'is bonded, using a layer of conductive adhesive 14, to a support 15 of metallized alumina.
Les photodiodes qui viennent hêtre décrites sont réalisées comme cela va maintenant etre expliqué. The photodiodes which have just been described are produced as will now be explained.
Une première méthode d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 est épitaxie par dépôt de vapeurs de composés chimiques organométalliques, ou pyrolyse de vapeurs organométalliques (MOCVD = etal
Organo Chemical Vapour Deposition"). Ce dépôt s'effectue à l'aide d'un gaz vecteur, ici de l'hydrogène purifié, avec, comme sources de tellure, cadmium et mercure, un flux de diéthyltellure (C2H5)2Te, un flux de diméthylcadmium (CH3)2Cd, et un flux de vapeur de mercure, respectivement. Les éléments se combinent sur le substrat chauffé dans un tube disposé dans un four à 4000C par décomposition pyrolytique, ou cracking, des molécules organiques.A first epitaxy method for producing the photodiode of FIGS. 1 and 2 is epitaxy by deposition of vapors of organometallic chemical compounds, or pyrolysis of organometallic vapors (MOCVD = etal
Organo Chemical Vapor Deposition "). This deposition is carried out using a carrier gas, here purified hydrogen, with, as sources of tellurium, cadmium and mercury, a flow of diethyltellide (C2H5) 2Te, a stream of dimethylcadmium (CH3) 2Cd, and a stream of mercury vapor, respectively.The elements combine on the heated substrate in a tube placed in an oven at 4000C by pyrolytic decomposition, or cracking, of organic molecules.
Après montée en température et stabilisation, la croissance s'effectue à une vitesse de 4 tt par heure.After temperature rise and stabilization, growth takes place at a speed of 4 tt per hour.
Dans le cas de la photodiode de la figure 1, on part d'un cristal massif de GaAs, d'épaisseur 500 Fm environ, que l'on soumet d'abord aux flux d'hydrogène, de (CH3)2Cd et de (C2115)2Te, réglés pour déposer, en un quart d'heure environ, la couche "tampon" 61 de CdTe d'épaisseur sensiblement égale à 1 Fm. On arrête ensuite le flux de (CH3)2Cd et on le remplace par le flux de vapeur de mercure, que l'on règle pour déposer une couche de HgTe. La croissance s'effectue pendant une demi-heure, pour obtenir la couche 5 de 2 Hm d'épaisseur. On rétablit alors le flux de (CH3)2Cd en le réglant, ainsi que le flux de (C2H5)2Te et le flux de vapeur de mercure pour déposer la couche 1 de H61 Cd Te, la fraction molaire x ayant la valeur désirée pour le centrage de la réponse de la photodiode sur la longueur d'onde désirée. La croissance s'effectue pendant deux heures trente environ, pour obtenir une couche 1 de 10 Fm d'épaisseur environ. In the case of the photodiode of FIG. 1, we start from a solid crystal of GaAs, of thickness around 500 Fm, which is first subjected to the flows of hydrogen, of (CH3) 2Cd and of ( C2115) 2Te, adjusted to deposit, in about a quarter of an hour, the "buffer" layer 61 of CdTe of thickness substantially equal to 1 Fm. The flow of (CH3) 2Cd is then stopped and replaced by the flow of mercury vapor, which is adjusted to deposit a layer of HgTe. The growth takes place for half an hour, to obtain the layer 5 of 2 Hm thick. The flow of (CH3) 2Cd is then restored by adjusting it, as well as the flow of (C2H5) 2Te and the flow of mercury vapor to deposit layer 1 of H61 Cd Te, the molar fraction x having the desired value for the centering of the photodiode response on the desired wavelength. The growth takes place for approximately two and a half hours, to obtain a layer 1 of approximately 10 Fm thick.
Pour un débit d'hydrogène de 1 #/mn, les flux de (C2H532Te, de (CH3)2Cd et de vapeur de mercure sont de 3 l'ordre de 5 à 70 /mn et leurs valeurs relatives déter- minent la composition obtenue. Un contrôle précis de la température à @ 1 C permet d'obtenir des couches 61 de
CdTe, 5 de HgTe et 1 de HgCdTe homogènes et uniformes.For a hydrogen flow rate of 1 # / min, the fluxes of (C2H532Te, (CH3) 2Cd and mercury vapor are of the order of 5 to 70 / min and their relative values determine the composition obtained A precise control of the temperature at @ 1 C makes it possible to obtain layers 61 of
CdTe, 5 of HgTe and 1 of HgCdTe homogeneous and uniform.
Un refroidissement rapide par circulation d'un gaz inerte, en fin de dépôt, assure une conductivité de type P.Rapid cooling by circulation of an inert gas, at the end of the deposition, ensures a P-type conductivity.
Une deuxième méthode d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 est l'épitaxie en phase liquide. Dans cette méthode, le cristal massif de GaAs est, après polissage et nettoyage par attaque chimique, disposé dans un creuset en graphite, de type connu, surmonté d'un couvercle, coulissant et pourvu de plusieurs puits sans fond contenant chacun un bain, pouvant ainsi être amené en contact avec le cristal disposé dans le creuset.Le creuset est placé dans un tube ouvert aux deux bouts, pour autre soumis à une circulation d'hydrogène en surpression, et ltensemble est placé dans un four chauffé à environ 500 C. On prévoit ici quatre bains successifs, le premier de tellure pur, le second de CdTe dissout dans du tellure, le troisième de HgTe dissout dans du tellure, et le quatrième de Hgl XCdXTe dissout dans du tellure. Le premier bain permet un décapage, le deuxième la croissance de la couche "tampon" de CdTe, pendant une minute afin d'obtenir une couche de CdTe de 1 ?#m environ, car la croissance a lieu à une vitesse de 1 #m/mn sensiblement.Les troisième et quatrième bains permettent la croissance de la couche 5 de semi-métal
HgTe, pendant deux minutes pour obtenir une épaisseur de 2 m environ, puis la croissance de la couche 1 de semiconducteur Hgl XCdxTe, pendant dix minutes pour obtenir une épaisseur de 10 fm environ. A second epitaxy method for producing the photodiode of FIGS. 1 and 2 is epitaxy in the liquid phase. In this method, the solid GaAs crystal is, after polishing and cleaning by chemical attack, placed in a graphite crucible, of known type, surmounted by a sliding lid, and provided with several bottomless wells each containing a bath, capable of thus be brought into contact with the crystal placed in the crucible. The crucible is placed in a tube open at both ends, for another subjected to a circulation of hydrogen under pressure, and the whole is placed in an oven heated to about 500 C. Four successive baths are provided here, the first of pure tellurium, the second of CdTe dissolved in tellurium, the third of HgTe dissolved in tellurium, and the fourth of Hgl XCdXTe dissolved in tellurium. The first bath allows a pickling, the second the growth of the "buffer" layer of CdTe, for one minute in order to obtain a layer of CdTe of 1? #M approximately, because the growth takes place at a speed of 1 #m / min substantially.The third and fourth baths allow the growth of the semi-metal layer 5
HgTe, for two minutes to obtain a thickness of approximately 2 m, then growth of the layer 1 of Hgl XCdxTe semiconductor, for ten minutes to obtain a thickness of approximately 10 fm.
En refroidissant de environ 10C par minute pendant la croissance de la couche de Hg, Cd Te, on obtient la conductivité de type P souhaité. By cooling about 10C per minute during the growth of the layer of Hg, Cd Te, the desired P-type conductivity is obtained.
D'autres méthodes d'épitaxie pour réaliser la photodiode des figures 1 et 2 sont, par exemple, la méthode d'épitaxie par jet moléculaire (EJM) décrite dans la publication de J. FAURIE et ai, publiée p. 1307 de la revue "Applied Physic Letters" 45 (12) du 15 décembre 1984, ou encore la méthode d'épitaxie en phase vapeur EDRI, décrite dans le brevet français NO 2 460 545. Other epitaxy methods for producing the photodiode of FIGS. 1 and 2 are, for example, the method of epitaxy by molecular jet (EJM) described in the publication by J. FAURIE et al, published p. 1307 of the review "Applied Physic Letters" 45 (12) of December 15, 1984, or the EDRI vapor phase epitaxy method, described in French patent No. 2,460,545.
Une méthode pour réaliser la photodiode de la figure 3 consiste à partir d'une couche massive de HgCdTe obtenue par exemple par le procédé T#IM (Travelling Heater
Method) décrit dans le brevet français n0 2 502 190 ou par le procédé THM modifié décrit dans la demande de brevet français n0 86 00 769. La couche massive est ensuite amincie par polissage mécanique, pour former la couche 1'.One method for producing the photodiode in FIG. 3 consists of starting from a massive layer of HgCdTe obtained for example by the T # IM (Traveling Heater) process.
Method) described in French Patent No. 2,502,190 or by the modified THM process described in French Patent Application No. 86 00 769. The solid layer is then thinned by mechanical polishing, to form the 1 ′ layer.
La couche 5t est déposée par épitaxie, par une des méthodes ci-dessus.The 5t layer is deposited by epitaxy, by one of the methods above.
On peut alors former, pour les photodiodes des figures 1 et Xles zones 2 et 2', de type N, en procédant de façon connue, par exemple par la technique planar de diffusion de mercure à travers des couches de passivation, comme l'enseigne le brevet français n0 2 336 804, ou encore par implantation ionique d'indium oudaluminium, comme l'enseigne le brevet français n0 2 488 048. Un anneau de garde, de type connu également, peut être réalisé. It is then possible to form, for the photodiodes of FIGS. 1 and X, zones 2 and 2 ′, of type N, by proceeding in a known manner, for example by the planar technique of diffusion of mercury through passivation layers, as the sign teaches. French Patent No. 2,336,804, or by ion implantation of indium or aluminum, as taught by French Patent No. 2,488,048. A guard ring, of a type also known, can be produced.
Le trou 7 de la photodiode des figures 1 et 2 est réalisé par attaque chimique sélective de la face supé- rieure, sur la figure, prote'rée par une r--ine, sauf damans la zone circulaire où doit se faire l'attaque . Une solution acide et oxydante à base de bichromate de potassium dont la vitesse d'attaque est étalonnée permet dXen- lever le HgCdTe sans retirer le HgTe si la durée est convenablement choisie. tan autre procédé pour réaliser un tel trou est ltusinage ionique, technique utilisant le bombardement de la surface par des ions Argon de faible énergie. Les paramètres de cet usinage sont choisie pour ne pas dommager le reste de la surface.Les métallisations 3 et 4 sont ensuite réalisées simultanément, et de façon connue, après métallisation du trou 7. The hole 7 of the photodiode of FIGS. 1 and 2 is produced by selective chemical attack on the upper face, in the figure, protected by a line, except in the circular zone where the attack is to be made. . An acid and oxidizing solution based on potassium dichromate, the attack speed of which is calibrated, makes it possible to raise the HgCdTe without removing the HgTe if the duration is suitably chosen. Another method for making such a hole is ion machining, a technique using bombardment of the surface with low energy Argon ions. The parameters of this machining are chosen so as not to damage the rest of the surface. The metallizations 3 and 4 are then carried out simultaneously, and in a known manner, after metallization of the hole 7.
Avec une fraction molaire, ou composition, x voisine de 0,7, la photodiode réalisée à l'aide d'un cristal de Hg0,3 Cd Te aura un maximum de sensibilité centré sur
0,7 une longueur d'onde de 1,3 tm. En choisissant une valeur différente, on peut déplacer, de façon connue, ce maximum de sensibilité, et, en particulier en amener la valeur jusqu'à 12 Fm pour x voisin de 0,2.With a molar fraction, or composition, x close to 0.7, the photodiode produced using a crystal of Hg0.3 Cd Te will have a maximum sensitivity centered on
0.7 a wavelength of 1.3 tm. By choosing a different value, this maximum sensitivity can be moved, in a known manner, and, in particular, bring the value up to 12 Fm for x close to 0.2.
On peut également, et selon l'enseignement du brevet français n0 2 501 915 choisir la composition x de façon à ce que les énergies de bande interdite Eg et de bande de spin-orbite soient voisines, ce qui procure un gain en courant, par effet de multiplication. It is also possible, and according to the teaching of French Patent No. 2,501,915, to choose the composition x so that the bandgap energies Eg and of the spin-orbit band are close, which provides a gain in current, by multiplication effect.
Les principales caractéristiques des photodiodes réalisées avec une couche épitasiée de HgCdTe, fonctionnant à température ambiante, avec une surface sensible circulaire de diamètre 80 ym, adaptée au diamètre des fibres optiques pour télécommunications sont les suivan tes, pour x = 0,7
Tension de polarisation inverse : -10 Volts
Courant inverse (V = -10 volts) : < 10 nA
Réponse en courant à A = 1,3 um : > 0,7 A/W
Capacité totale (V = -10 volts) : 1 pF
Résistance série : 35 ohms
Résistance inverse : 1000 Mégohms
Temps de montée : 200 picosec
Fréquence de coupure (-3 dB) : 1600 à 2000 Mégahertz.The main characteristics of the photodiodes produced with an epitiated layer of HgCdTe, operating at room temperature, with a circular sensitive surface of diameter 80 μm, adapted to the diameter of the optical fibers for telecommunications are the following, for x = 0.7
Reverse bias voltage: -10 Volts
Reverse current (V = -10 volts): <10 nA
Current response at A = 1.3 µm:> 0.7 A / W
Total capacity (V = -10 volts): 1 pF
Series resistance: 35 ohms
Reverse resistance: 1000 Megohms
Rise time: 200 picosec
Cutoff frequency (-3 dB): 1600 to 2000 Megahertz.
Comme on le constate, la faible valeur de la résistance série conduit à une fréquence de coupure deux fois plus élevée que pour les photodiodes de l'art antérieur. As can be seen, the low value of the series resistance leads to a cutoff frequency twice as high as for the photodiodes of the prior art.
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