FR2729789A1 - Detecteur a puits quantique et procede de realisation - Google Patents
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Abstract
Détecteur à puits quantique dans lequel la zone active de détection (2) n'occupe qu'une zone limitée du dispositif et dans lequel un réseau de diffraction (5) de surface plus grande que cette zone permet donc de lui coupler un flux lumineux plus important que celui correspondant à la surface de la zone. On accroît ainsi la sensibilité du dispositif. Applications: Détection de rayonnements optiques.
Description
DETECTEUR A PUITS QUANTIQUE ET PROCEDE DE REALISATION
L'invention concemrne un détecteur à puits quantique pour la détection d'ondes optiques d'une gamme de longueurs d'ondes déterminée et son procédé de réalisation. Les puits quantiques ont été proposés comme une alternative aux détecteurs infrarouges existants, notamment HgCdTe, dans la gamme allant de 3 à 20 IJm (voir document E. Rosencher, B. Vinter and B. Levine,
eds, Intersubband Transitions in Quantum Wells (Plenum, London, 1992)).
La transition électronique entre niveaux quantifiés dans un puits quantiques a lieu à une longueur crd'onde qui dépend de la géométrie du puits (largeur, profondeur). Lorsque le puits est réalisé dans la bande de conduction du système GaAs/AJGaAs, la transition obéit à une règle de sélection stricte: l'absorption est proportionnelle au carré de la
composante du champ électrique selon la direction de l'axe de croissance.
L'absorption à incidence normale est donc nulle dans une couche nue (sans dispositif de couplage). Sous une incidence non nulle, elle reste limitée de par la réfraction à l'interface air/GaAs qui interdit des angles supérieurs à 17' à l'intérieur du substrat. Des solutions pour augmenter le couplage et notamment pour obtenir un bon couplage à incidence nulle (cas d'une matrice) ont été proposées (voir par exemple document G. Hasnain, B.F. Levine, C.G. Bethea, R.A Logan, J. Walker and R. J. Malik, appl. phys. lett. 54, 2515 (1989)). La meilleure solution retenue
actuellement consiste à fabriquer un réseau sur la face avant du détecteur.
La lumière incidente selon l'axe de croissance z est diffractée et se propage après diffraction dans des directions déterminées par la géométrie du réseau, I'angle d'incidence et la longueur d'onde. Il a été montré que le couplage optimum a lieu quand le pas du réseau est égal à la longueur d'onde. Alors, les directions de diffraction se réduisent aux ordres 1 et -1 qui se propagent parallèlement aux couches et sont donc fortement absorbés. La principale limitation actuelle est la température de fonctionnement: à 10 pm, les multipuits quantiques atteignent leurs performances optimales en dessous de la température TBLIp qui est de I'ordre de 70 K Cette température est trop faible pour que les multipuits quantiques puissent être utilisés facilement et à un coût raisonnable. Il est primordial de pouvoir travailler soit au dessus de T = 77 K (azote liquide), soit au-dessus de 70 K (limite des machines thermiques actuelles à un étage). Cette augmentation des températures de fonctionnement passe par une réduction du courant d'obscurité activé thermiquement, en conservant
la même photoréponse.
Une autre limitation des détecteurs est la surface: on a des difficultés à fabriquer des détecteurs de surface très supérieure à l mm2 sans défaut. Un défaut peut court-circuiter la zone active et rendre le courant crd'obscurité trop important. Notons que ce problème est encore plus
délicat dans les détecteurs HgCdTe.
La solution proposée est de type géométrique: elle peut s'ajouter à toute forme de réduction du courant d'obscurité par la réalisation de bande, par changement de matériau, ou de type de transmission (puits en bande de valence, transition bande à bande) et à n'importe quelle longueur d'onde. Elle peut s'appliquer également aux détecteurs de type HgCdTe. Le même concept peut s'appliquer dans le
domaine des modulateurs électrooptiques.
L'objet de l'invention est de réduire la zone active absorbante en conservant la surface interceptant les photons. Le document R. L Whitney, F.W. Adams, and KF. Cuff, in Intersubband Transitions in Quantum Wells E. Rosencher, B. Vinter, and B. Levine, eds. (Plenum, London, 1922) p. 93 a indiqué la possibilité rd'utiliser des microlentilles façonnées sur la face arrière du substrat et focalisant la lumière sur une
zone active de surface plus faible.
L'invention concerne un dispositif basé sur un principe différent.
L'invention concerne donc un détecteur à puits quantique pour la détection rd'ondes optiques d'une gamme de longueurs rd'ondes déterminée, caractérisé en ce qu'il comporte: - sur une zone délimitée rd'une face d'un substrat, un empilement de couches constituant au moins un puits quantique capable de détecter les ondes optiques; - de part et d'autre de la zone et sur la même face du substrat, au moins une couche d'un matériau transparent, non absorbant aux ondes optiques et d'épaisseur sensiblement égale à celle de l'empilement de couches; - au- dessus de l'empilement de couches et de la couche de matériau transparent, un réseau de diffraction dont la surface est plus grande que celle de la zone occupée par l'empilement de couches; - une première électrode conductrice située sur le substrat en contact avec l'empilement de couches et une deuxième électrode
conductrice située sur l'empilement de couches.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un o détecteur caractérisé en ce qu'il comporte les différentes étapes suivantes: réalisation sur un substrat d'une couche conductrice et d'un empilement de couches constituant au moins un puits quantique; - gravure de l'empilement de couches pour enlever toute matière de cet empilement non comprise dans une zone déterminée: - épitaxie, autour de ladite zone, d'un matériau transparent; - gravure d'un réseau de diffraction à la surface supérieure de l'empilement de couches et du matériau transparent; - réalisation d'un élément conducteur au-dessus de l'empilement
de couches.
Selon une variante du procédé de l'invention, au lieu de faire une gravure de l'empilement de couches suivie d'une épitaxie autour de ladite zone, on peut réaliser une implantation d'isolation de la partie
d'empilement de couches non comprise dans cette zone.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention
apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre
d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation d'un détecteur selon l'invention; - la figure 2, un exemple de configuration de réseau linéaire applicable au détecteur de la figure 1; - la figure 3, un exemple de configuration de réseau matriciel applicable au détecteur de la figure 1; - la figure 4, une variante de réalisation du détecteur selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on va donc d'abord décrire un
exemple de réalisation d'un détecteur selon l'invention.
Ce détecteur comporte une zone active comprenant un empilement de couches 2 constituant au moins un puits quantique et localisé dans une zone 20 sur une face 10 d'un substrat 1. De part et d'autre de l'empilement de couches est prévu un matériau 3, 4 transparent aux ondes optiques à détecter. Au-dessus de l'ensemble ainsi constitué est prévu un réseau de diffraction 5. Par ailleurs, il est prévu une électrode 6 en contact avec la face inférieure de l'empilement de couches 2 et une électrode 7 en contact avec la face supérieure. Ces électrodes permettent
la connexion d'un appareil de détection de courant électrique.
Le matériau 3, 4 a sensiblement le même indice de réfraction
que l'empilement de couches 2.
Selon un mode de réalisation, le substrat est transparent et la lumière entre dans le détecteur à travers le substrat Elle atteint le réseau de diffraction 5 qui la diffracte selon des directions obliques par rapport au plan du substrat Pour cela, selon une réalisation préférée, la surface du substrat est métallisée de façon que toute la lumière reste dans le dispositif. De plus, les faces latérales telles que 21, 22 du détecteur sont traitées réfléchissantes (métallisées par exemple) pour également conserver la
lumière dans le détecteur.
Le réseau de diffraction 5 peut être un réseau gravé. De plus, il peut être alors métallisé. Le réseau de diffraction 5 peut être également un
réseau de bandes métallisées.
Selon un autre mode de réalisation la lumière est incidente sur la face supérieure du réseau de diffraction 5 pour entrer dans le détecteur
à travers le réseau de diffraction 5. Celui-ci n'est alors pas métallisé.
Ainsi dans un tel détecteur, la lumière est détectée dans les puits quantiques constituant la zone active. Cette zone active est de dimensions réduites par rapport à la surface de collection de la lumière (surface du réseau de diffraction) ce qui permet de réduire le courant
d'obscurité et d'accroître la sensibilité de détection du détecteur.
Dans la pratique, la surface totale St du détecteur peut rester identique à celle utilisée actuellement dans le détecteur connu (carré de côté de 40 à 100 pm pour des matrices, supérieures pour des barrettes ou des monoéléments). Par un moyen précisé ci-dessous, une grande partie de la zone active est rendue non absorbante et non conductrice. La zone active est réduite à une surface Sa. Le courant crd'obscurité s'en trouve réduit d'un facteur St/Sa. Les photons incidents sur toute la surface St sont diffractés à l'intérieur du pixel. A la résonance du réseau, les ordres 1 et -1 de diffraction se propagent parallèlement à la surface: les photons se propagent donc vers la zone active (ou vers le bord o ils sont réfléchis en direction de la zone active) o ils sont absorbés. Pour un réseau optimisé, les efficacités de diffraction dans les ordres 1 et -1 (pourcentage de photons diffractés) peuvent approcher 100 % pour une longueur crd'onde, et
restent élevées si on intègre sur une fenêtre limitée (3-5 pm ou 8-12 Pm).
La plupart des photons incidents sur le pixel sont donc absorbés, ce qui conduit à une photoréponse sensiblement égale à celle obtenue avec une zone active occupant l'intégralité du pixel. Le rapport de la photoréponse
sur le courant crd'obscurité est donc augmenté.
Pour des dopages de la zone active de l'ordre de 5.1011 arn2-
dans les puits de 6 nm et des barrières de 30 nm crd'épaisseurs, on peut estimer la longueur crd'absorption pour la propagation dans le plan des couches de l'ordre de 1.5 pm si le recouvrement du photon avec la zone
active est bon (présence crd'une structure guidante ou zone active épaisse).
On peut donc réduire la zone active à la longueur IZA de rordre de 1.5 um (en pratique un peu plus) et tout photon se propageant
parallèlement aux couches sera absorbé.
Dans une structure avec un réseau dans une direction (y) telle que représentée en figure 2, les photons sont diffractés perpendiculairement au réseau. Une zone active mince parallèle au réseau (selon y) permettra l'absorption de la composante polarisée TM
(Transverse Magnétique) de la lumière diffractée. Sa surface est IZA x d.
Pour un réseau de couplage bidimensionnel (pavage de carrés périodiquement disposés selon x et y), tel que représenté en figure 3, les directions de diffractions sont nombreuses, mais la majeure partie de la
lumière est diffractée dans les deux directions perpendiculaires x et y.
Dans ce cas, une zone active selon une diagonale permettra
l'absorption. Sa surface est IZA x d /i.
Le gain sur le rapport courant d'obscurité/photoréponse est de d/IzA dans le premier cas, d/lZAi2 dans le second cas. Pour des pixels avec d = 50 pm, le gain est de l'ordre de 10 si IZA = 5 Ipm. Il peut être
supérieur, les deux exemples ci-dessus ne servant qu'à titre d'illustration.
Le principe peut être étendu à d'autres types de géométrie: pixel circulaire
avec réseau en anneaux concentriques et zone active au centre...
L'application à des détecteurs de grande surface (supérieure à I mm') est particulièrement importante. Dans ce cas, on peut être amené à répéter plusieurs fois la disposition de zones actives dans le détecteur. Ainsi, sur la figure 4, on a représenté deux zones actives 2 et 2' séparées par une zone passive, l'ensemble étant recouvert par un réseau de diffraction. En effet, un photon diffracté se propageant dans le plan des couches a tendance à se coupler avec le réseau pour être diffracté à nouveau vers le substrat et donc échapper à la détection. Une longueur optimale entre les zones actives doit être trouvée; elle semble devoir être de plusieurs
centaines de microns, ce qui conduiraient à des rapports St/Sa importants.
L'addition d'une structure guidante (couche d'AIAs par exemple) sous la zone active est intéressante, particulièrement dans le cas de grandes surfaces, pour guider les photons vers la zone active et augmenter
leur recouvrement avec les puits.
On va maintenant décrire un exemple de procédé de réalisation
d'un tel détecteur.
Sur une surface conductrice d'un substrat I on réalise tout d'abord un empilement de couches constituant un ou plusieurs puits quantiques. Dans cet empilement de couches on délimite une zone active en rendant non absorbante et non conductrice les parties de cet
empilement de couches non situées dans cette zone active.
Diverses méthodes sont possibles pour rendre non absorbante et non conductrice cet empilement de couches. Cela peut se faire par exemple par l'une des méthodes suivantes: 1. Implantation: Une implantation de protons dans la zone à rendre passive réduit le nombre de porteurs libres ce qui réduit rabsorption et le courant thermique. Cette technique est couramment utilisée en microélectronique et est parfaitement contrôlée tant du point de vue profil
(énergie des ions) que du point de vue dose (temps d'exposition).
L'implantation a déjà été utilisé pour passiver en partie des échantillons
avec des puits quantiques GaAs utilisés pour du doublage de fréquence.
s 2. Gravure de la zone active et reprise d'épitaxie GaAs (MBE,CVD...). Si une bonne sélectivité peut être atteinte (dépôt d'une couche de nature différente sur la zone active pour empêcher la reprise de croissance), on effectuera l'épitaxie dans la zone gravée uniquement Sinon, on devra planariser la structure après la seconde épitaxie par
gravure chimique ou RIE.
Dans ces deux exemples, la partie passive du détecteur est en GaAs ou GaAs + AlGaAs. L'indice optique est sensiblement le mêmeé que dans la zone active. La qualité cristallographique de la zone passive n'est
pas un paramètre important.
3. Gravure de la zone passive et dépôt d'un diélectrique non absorbant à la longueur d'onde de travail: SiO2, Si3N4, polymères, ZnSe.... Dans le cas o l'indice de la zone passive diffère de celui de la zone active, le réseau de couplage devra avoir un pas différent dans ces deux zones. Ces différences cd'indices créent des réflexions à l'interface zone active/zone passive, mais peuvent être utilisées pour confiner la
lumière dans la zone active de plus grand indice.
Des électrodes 6, 7 sont réalisées de part et d'autre de l'empilement de couches pour la détection de courants due à l'absorption
de photons.
Dans tous les cas, les bords du pixel peuvent être métallisés (éventuellement passivés puis métallisés) pour augmenter la réflexion des photons vers l'intérieur du pixel et supprimer complètement le cross talk
entre pixels.
Claims (11)
1. Détecteur à puits quantique pour la détection d'ondes optiques d'une gamme de longueurs d'ondes déterminée, caractérisé en ce qu'il comporte: sur une zone délimitée (20) d'une face (10) d'un substrat (1), un empilement de couches (2) constituant au moins un puits quantique capable de détecter les ondes optiques; - de part et d'autre de la zone (20) et sur la même face (10) de substrat, au moins une couche d'un matériau (3, 4) transparent, non absorbant aux ondes optiques et d'épaisseur sensiblement égale à celle de l'empilement de couches (2); - au-dessus de l'empilement de couche (2) et de la couche de matériau transparent (3, 4), un réseau de diffraction (5) dont la surface est plus grande que celle de la zone (20) occupée par l'empilement de couches; - une première électrode conductrice située sur le substrat en contact avec l'empilement de couches (2) et une deuxième électrode
conductrice (7) située sur l'empilement de couches (2).
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (1) est transparent aux ondes optiques et que le réseau est métallisé.
3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le
réseau (5) est transparent et fonctionne en transmission.
4. Détecteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en
ce que le substrat est en matériau d'indice de réfraction inférieur à ceux des matériaux de l'empilement de couches (2) et de la couche en matériau
transparent (3, 4).
5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que
l'empilement de couches (2) constitue un multipuits quantique.
6. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le
réseau (2) comporte des éléments linéaires et parallèles.
7. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau (2) comporte des éléments disposés sous forme d'un réseau matriciel est que la zone (20) occupée par l'empilement de couche a la
forme d'une bande orientée à 45 degrés du réseau matriciel.
8. Détecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en
ce que le réseau est un réseau en relief métallisé ou non, ou est un réseau
de bandes métallisées.
9. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs zones (20, 20') comportant chacune un empilement de couches (2, 2') séparé par du matériau transparent (3), le réseau de
diffraction (5) recouvrant les différents empilements de couches.
10. Procédé de réalisation crd'un détecteur selon l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les
différentes étapes suivantes: - réalisation sur un substrat (1) d'une couche conductrice (6) et d'un empilement de couches (2) constituant au moins un puits quantique; - gravure de l'empilement de couches pour enlever toute matière de cet empilement non comprise dans une zone (20) déterminée; - épitaxie ou dépôt autour de ladite zone l'un matériau transparent
(3, 4);
- gravure d'un réseau de diffraction à la surface supérieure de l'empilement de couches (2) et du matériau transparent (3, 4); réalisation d'un élément conducteur (7) au-dessus de
l'empilement de couches (2).
11. Procédé de réalisation d'un détecteur selon l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les
différentes étapes suivantes: - réalisation sur un substrat (1) d'une couche conductrice (6) et d'un empilement de couches (2) constituant au moins un puits quantique; - implantation de protons dans l'empilement de couches autour de ladite zone (20); - gravure d'un réseau de diffraction à la surface supérieure de l'empilement de couches (2) et du matériau transparent (3, 4);
- réalisation d'un élément conducteur (7) au-dessus de l'empilement de couches (2).
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